根际驯化策略显著提升贝莱斯芽孢杆菌SQR9的定殖能力与植物促生效应

本研究通过20轮根际原位驯化（约160代）成功培育出贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）SQR9的进化菌株9P41，其根际定殖量提升1.5-2.9倍，并显著增强IAA（吲哚-3-乙酸）、铁载体和生物膜形成等植物关联性状。盆栽实验证实该菌株使辣椒株高、根长、生物量分别提升11.4%、28.7%和21.0-29.1%，基因组重测序揭示mlnD、smc、fhuC基因突变与表型改良相关，为微生物肥料开发提供新策略。

　　

1 引言

化学肥料的过度使用导致土壤退化和环境污染，亟需植物根际促生菌（PGPR）等可持续替代方案。然而实验室开发的微生物接种剂常因植物基因型、土壤特性及土著微生物互作等复杂田间条件而表现不佳。传统诱变和基因工程方法难以筛选兼具根际定殖和促生功能的菌株。本研究创新性地采用辣椒根际原位驯化策略，对贝莱斯芽孢杆菌SQR9进行20轮（约160代）适应性进化，旨在培育性能优化的工程菌株。

2 材料与方法

实验选用携带GFP标记的SQR9菌株，通过连续转移至辣椒根际进行定向进化。每轮培养7天后，通过涡旋法回收根际细菌并定量定殖量。从5个平行谱系中筛选45株进化菌株，分阶段评估其IAA产量（分光光度法检测530 nm吸光度）、铁载体生成（CAS检测法）和生物膜形成（结晶紫染色法）。优选菌株进一步通过水培和盆栽实验验证促生效果，最终对表现最佳的9P41菌株进行全基因组重测序分析。

3 结果

3.1 根际定殖能力显著增强

进化菌株在T18-T20代时定殖量稳定达2.6-5.0×10⁷ CFU/g根，较祖先菌株（1.7×10⁷ CFU/g）提升1.5-2.9倍。动态曲线显示定殖量在早期（T5前）缓慢增长，中期（T10-T14）波动，后期（T14后）显著跃升。

3.2 植物关联性状优化

29株进化菌株在IAA（最高18.54 mg/L，提升54.1%）、铁载体（0.448 SU，提升12.3%）或生物膜（OD₅₇₀ 2.731，提升53.5%）方面表现优异。水培实验显示9P41菌株使辣椒侧根数量增加79.4%，生物量提升14.9%。

3.3 盆栽验证关键菌株

9P41接种的辣椒株高（24.5 cm vs 22.0 cm）、根长（18.4 cm vs 14.3 cm）、地上/地下生物量（11.31 g/1.23 g vs 9.35 g/0.92 g）均显著优于祖先菌株，叶绿素SPAD值提升5.8%。

3.4 基因组突变分析

9P41在聚酮合成酶基因mlnD、染色体组织蛋白smc和铁载体转运ATP酶fhuC发生错义突变，推测分别与抗生素合成调控、基因组稳定性维持及铁摄取增强相关。

4 讨论

根际驯化通过自然选择压力驱动微生物适应性进化，克服了传统育种在复杂环境中的局限性。突变基因mlnD可能通过优化次级代谢分配资源，fhuC则可能增强铁载体介导的微环境适应。未来可引入病原菌竞争等选择压力进一步优化菌株功能。该策略为微生物肥料产业提供了兼具定殖优势和多效促生功能的菌株开发范式。

5 结论

本研究建立的根际定向进化框架成功培育出性能优异的贝莱斯芽孢杆菌9P41，其基因组突变与表型改良的关联机制为合成微生物群落构建提供了新思路，推动可持续农业发展。