生物肥料通过激活病原抑制型原生生物类群诱导土壤抑病性

《npj Biofilms and Microbiomes》：Biofertilizer induces soil disease suppression by activating pathogen suppressive protist taxa

为应对集约化农业导致的土壤退化及土传病害加剧问题，研究人员围绕生物肥料(BF)如何调控土壤微生物组以增强抑病功能展开研究。通过长期田间试验及温室盆栽实验，发现 Bacillus 菌剂可特异性刺激捕食性原生生物 Cercomonas 增殖，进而通过正向反馈环路激活 Bacillus 的聚酮合酶(PKS)基因表达，显著降低番茄青枯病发病率。该研究揭示了"细菌-原生生物"互作在生物肥料抑病中的核心机制，为设计基于捕食互作的可持续农业方案提供了新范式。

　　

随着全球人口持续增长，集约化农业依赖的灌溉、化肥和农药大量使用，导致土壤物理化学性质退化、生物多样性下降，同时土传病原菌不断累积。面对这些挑战，发展可持续农业实践成为迫切任务。其中，生物肥料（Biofertilizer, BF）作为一种富含特定功能微生物的改良堆肥材料，在防治土传病害方面展现出巨大潜力。然而，生物肥料中接种的功能微生物在土壤中难以维持高种群密度，其抑病机制尚未完全阐明。特别是土壤中捕食性原生生物（protists）作为"自上而下"的调控者，虽然对微生物群落结构和功能具有重要调节作用，但其与生防菌的互作机制仍知之甚少。

在这项发表于《npj Biofilms and Microbiomes》的研究中，由南京农业大学资源与环境科学学院李荣教授领衔的研究团队，通过长达11个生长季的田间试验结合多层次温室实验，揭示了生物肥料诱导土壤抑病性的新机制：生物肥料中的核心生防菌 Bacillus amyloliquefaciens T-5 能够特异性刺激捕食性原生生物 Cercomonas 的生长，而这些原生生物通过捕食压力进一步激活 Bacillus 中聚酮合酶（Polyketide synthase, PKS）和非核糖体肽合成酶（Non-ribosomal peptide synthetase, NRPS）等功能基因的表达，从而增强对番茄青枯病病原菌 Ralstonia solanacearum 的抑制能力。

研究团队主要运用了长期田间定位观测、微生物群落高通量测序（18S rRNA基因和宏基因组测序）、合成微生物群落（SynCom）构建、体外共培养实验以及定量PCR（qPCR）等技术方法。田间试验在江苏南京进行，比较了有机肥（OF）和生物有机肥（BF）处理的效果；温室实验则通过控制变量法验证了特定微生物间的互作关系。

结果

疾病发生率

长期田间数据显示，添加了 Bacillus amyloliquefaciens T-5 的生物肥料（BF）处理区番茄青枯病发病率始终低于仅使用有机肥（OF）的处理区。特别是在第3、5和11生长季，BF处理的发病率显著降低（p < 0.05），11个季节的平均发病率在BF处理为31.66%，而OF处理为45.97%。

原生生物多样性、群落组成和与疾病发生率相关的类群

原生生物群落的香农多样性指数在两种施肥处理间无显著差异。然而，主坐标分析（PCoA）和相似性分析（ANOSIM）表明，施肥处理显著影响了原生生物群落结构（p < 0.01）。功能分类显示，吞噬营养型（phagotrophic）原生生物在两个处理中占比最大。在BF处理中，有44个OTU（操作分类单元）显著富集，其中OTU_683（鉴定为 Cercomonas）的相对丰度与疾病发病率呈显著负相关。

原生生物类群与特定细菌功能基因丰度的相关性

宏基因组分析表明，与微生物次级代谢物合成相关的Q基因（次级代谢物生物合成、运输和分解代谢）在BF处理中相对丰度显著高于OF处理（p < 0.01）。进一步分析发现，139个COG（同源蛋白簇）在BF处理中更丰富，其中18个与疾病发病率负相关。这18个COG中有8个，包括聚酮合酶模块及相关蛋白（COG633），与 Cercomonas (OTU_683) 的相对丰度呈显著正相关。溯源分析显示，COG633主要来源于 Bacillus、Brevibacillus、Paenibacillus 和 Streptomyces，且BF处理中 Bacillus 的相对丰度显著高于OF处理。

Cercomonas 与合成微生物群落（SynCom）在灭菌土壤中的互作及其对疾病发生率的影响

温室盆栽实验表明，单独添加 Cercomonas 或非生防菌 Escherichia coli (E) 对病害无显著抑制作用。然而，当 Cercomonas 与合成微生物群落（S，包含 Bacillus, Brevibacillus, Paenibacillus, Streptomyces）或单独 Bacillus (B) 共同接种时（S+Cer, B+Cer），病害发生率显著低于单独接种S或B的处理。而E+Cer处理则未见协同抑病效果。

通过设置不同复杂度的培养体系（无背景菌的CK体系、添加 E. coli 的体系、模拟田间菌群的SynCom体系），研究人员发现，在一定浓度范围内（10⁶-10⁷cells/mL），Bacillus 的添加能促进 Cercomonas 的增殖，但过高浓度（10⁸cells/mL）则产生抑制效应。

Cercomonas 接种密度对微生物及功能基因的影响

在有机肥（OF）土壤中添加梯度浓度的 Cercomonas 发现，随着 Cercomonas 接种浓度（10-10⁴cells/g干土）的增加，Bacillus 的丰度显著上升，而病原菌 R. solanacearum 的丰度显著下降。同时，PKS 和 NRPS 基因的丰度也随 Cercomonas 浓度增加而显著提高，尤其在较高浓度（Cer(10³), Cer(10⁴)）处理下最为明显。

讨论与结论

本研究阐明了生物肥料通过调控土壤微生物组，特别是激活"细菌-原生生物"互作正向反馈环路，从而实现持续抑病的新机制。具体而言，生物肥料中的生防菌 Bacillus 从" bottom-up"（自下而上）方向刺激了捕食性原生生物 Cercomonas 的增殖。这些原生生物则通过" top-down"（自上而下）的捕食压力，诱导 Bacillus 等生防菌上调防御相关次级代谢产物（如聚酮类化合物）的合成基因（如PKS）的表达。这些代谢产物不仅帮助生防菌抵御捕食，也增强了对土传病原菌的抑制能力，最终导致病害发生率下降。

该研究突破了传统上主要关注细菌、真菌在生物肥料中作用的局限，将原生生物这一关键但常被忽视的微生物组分纳入抑病机制框架，揭示了多营养级互作在土壤健康中的核心地位。所提出的概念模型（生防菌刺激原生生物→原生生物捕食压力诱导生防菌功能基因表达→增强病原抑制）为理解和预测生物肥料的应用效果提供了新视角。这一发现对于设计更高效、稳定的微生物肥料，通过利用天然的捕食者-猎物互作来调控土壤微生物组，进而推动农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。未来研究结合转录组学和蛋白质组学方法，将能更深入地揭示生物肥料对土壤各微生物组分的调控效应。