《Scientific Reports》：Biosurfactant-producing Bacillus spp. suppress Fusarium via fungal membrane disruption and promote cucumber growth
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本研究针对可持续农业中植物病原真菌防治的需求，探索了分离自小蔓长春花根际的芽孢杆菌Kol B9菌株。研究人员发现，该菌株通过产生环状脂肽类生物表面活性剂，有效抑制Fusarium culmorum DSM 1094与Fusarium sambucinum IM 6525的生长，其机制涉及改变真菌细胞膜脂质成分、增加膜透性、抑制孢子萌发和菌丝发育。此外，Kol B9还能促进黄瓜幼苗生长并缓解镰刀菌感染的负面影响，展现了作为生物接种剂的潜力。
在现代农业中，作物常常面临着各种病害的威胁，其中由真菌引起的土传病害尤为棘手。镰刀菌（Fusarium）便是这样一类臭名昭著的植物病原真菌，它能导致多种作物的枯萎、根腐和穗腐病，造成严重的产量损失。传统的化学农药虽然能起到一定的防治效果，但其带来的环境污染、农药残留和病原菌抗药性等问题日益凸显，与人们对绿色、健康、可持续农业的追求背道而驰。因此，寻找一种环境友好的替代方案，成为了农业科学家们的重要使命。在这场“绿色革命”中，一类名为“植物根际促生菌（PGPR）”的微生物进入了研究者的视野。它们生活在植物根系周围，不仅能够帮助植物更好地吸收养分、促进生长，有些种类还能像“植物保镖”一样，通过直接或间接的方式，抵抗病原菌的入侵。那么，自然界中是否蕴藏着这样潜力巨大的微生物“盟友”呢？这正是本研究试图解答的问题。
为此，研究人员将目光投向了植物根际的微生物宝库。他们从观赏植物小蔓长春花（Vinca minor）的根际土壤中，分离到了一株编号为Kol B9的细菌。通过一系列“身份鉴定”手段——包括观察它的形态特征、检测其生化反应，并分析其基因序列——最终确认，Kol B9属于芽孢杆菌属（Bacillus），并且归属于枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）这一大类群。鉴定出身份只是第一步，关键是要看它有没有“真本事”。研究人员选取了两种具有代表性的镰刀菌作为“对手”：一种是实验室常用的模式菌株F. culmorum DSM 1094，另一种则是从环境中分离得到的野生菌株F. sambucinum IM 6525。实验结果显示，无论是在固体培养基上“面对面”比拼，还是在液体培养基中“隔空”较量，Kol B9菌株都展现出了强大的“战斗力”，能够显著抑制这两种镰刀菌的生长。更有趣的是，这种抑制效果似乎与Kol B9分泌的一种特殊物质有关——环状脂肽（cyclic lipopeptides）。这是一种具有生物表面活性剂作用的分子。初步的对抗实验，为Kol B9的应用潜力提供了令人鼓舞的证据。
为了深入探究Kol B9究竟是如何“打败”镰刀菌的，研究人员运用了几个关键的技术方法。首先，他们利用高效液相色谱-质谱联用技术分析了Kol B9发酵液中的代谢产物，确认了表面活性环状脂肽的存在。其次，通过测定细胞外电导率和碘化丙啶染色结合荧光显微镜观察，评估了镰刀菌细胞膜的完整性和通透性变化。再者，使用气相色谱-质谱联用技术分析了镰刀菌细胞膜中极性脂质和甾醇的组成变化。此外，研究还通过孢子萌发抑制实验和菌丝形态显微观察，评估了Kol B9对镰刀菌生活史不同阶段的直接影响。在植物实验部分，研究人员以黄瓜幼苗为模型，通过测量株高、鲜重、叶绿素含量等指标，并结合人工接种镰刀菌的病理学分析，系统评估了Kol B9的促生长和生物防治效果。
研究结果具体如下：
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Bacillus subtilis Kol B9对镰刀菌的抗真菌活性：平板对峙实验和共培养实验均证实，Kol B9对F. culmorum DSM 1094和F. sambucinum IM 6525的生长具有显著抑制作用。其中，模式菌株F. culmorum DSM 1094对Kol B9的活性更为敏感。
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Kol B9的抗真菌作用机制：研究揭示了Kol B9抗真菌的多重机制。1）膜完整性破坏：Kol B9的发酵上清液能导致镰刀菌菌丝细胞外电导率升高，并使碘化丙啶（PI）染料大量进入细胞核，表明其破坏了真菌细胞膜的完整性，增加了膜的通透性。2）膜脂成分改变：经Kol B9处理后的镰刀菌，其细胞膜中的主要极性脂质（如磷脂酰胆碱PC、磷脂酰乙醇胺PE）和重要甾醇（如麦角固醇）的含量发生了显著变化，这直接影响了膜的流动性和功能。3）抑制孢子萌发和菌丝发育：Kol B9能够强烈抑制镰刀菌孢子的萌发，并导致萌发后的菌丝出现畸形、肿胀等异常形态，阻碍其正常生长。
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Kol B9对黄瓜的促生及生物防治效果：在植物实验中，用Kol B9处理黄瓜种子或灌溉幼苗，能显著提高幼苗的株高、鲜重和叶绿素含量，表现出明显的促生长作用。更重要的是，在接种了病原镰刀菌F. culmorum的情况下，预先用Kol B9处理的黄瓜幼苗，其病害症状（如根部褐变、生长迟缓）得到显著缓解，植株的生物量也明显高于未受保护的染病幼苗。这表明Kol B9不仅直接抗击病原菌，还能增强植物自身的健康状况，帮助其更好地抵御感染。
综上所述，本研究的结论是：从小蔓长春花根际分离的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）Kol B9菌株，是一个具有双重益农功能的宝贵微生物资源。它通过产生环状脂肽类生物表面活性剂，对植物病原镰刀菌发挥抗真菌活性，其核心作用机制在于干扰并破坏真菌的细胞膜——改变其脂质组成、增加其通透性，进而抑制孢子的萌发和菌丝的正常发育。与此同时，Kol B9还能有效促进黄瓜幼苗的生长，并在病原菌存在的压力下，减轻感染对植物造成的伤害，起到生物防治的作用。这项研究的意义在于，它不仅从自然界中发现并鉴定了一个新的有益菌株，更从细胞膜作用的分子层面，深入阐释了其抗真菌的机制，为其应用提供了坚实的理论依据。研究成果支持将B. subtilis Kol B9开发为一种高效的微生物菌剂（bioinoculant），用于可持续的农业实践，以减少对化学农药的依赖，促进作物健康生长，保障粮食安全和生态安全。该论文已发表在《Scientific Reports》期刊上。
