功能性和基因组分析揭示了地衣状芽孢杆菌PRPSB广泛的植物生长促进潜力

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Functional and genomic analysis uncovers the broad-spectrum plant growth-promoting potential of Bacillus licheniformis PRPSB 10

本研究对磷酸盐解菌Bacillus licheniformis PRPSB10进行全基因组测序，发现其具有高效溶磷、锌钾解及多种植物促生长特性（如产吲哚乙酸、铁载体、氨等），并能耐受农药Monceren 250 SL等常见药剂胁迫。田间接种实验表明该菌株可显著提升土豆株高60.5%、根长42.7%、鲜重52.8%及干重123.2%，同时改善土壤脱氢酶和碱性磷酸酶活性。基因组分析确认其携带磷/锌/钾解相关基因、代谢酶编码基因及农药降解基因，为可持续土豆种植提供了新型生物肥料候选菌。

　　

Riya Bansal | Pratibha Vyas

印度旁遮普邦卢迪亚纳-141004，旁遮普农业大学基础科学与人文学院微生物学系

摘要

本研究聚焦于一种能够溶解磷酸盐的细菌Bacillus licheniformis菌株PRPSB₁₀的全基因组分析，旨在评估其在农药压力下的磷酸盐溶解效率、其他促进植物生长的特性以及其对马铃薯的生长促进作用。该菌株能够耐受四种常用农药（Monceren 250 SL、Emesto Prime 22.43 FS、Rogor?和Indofil M-45）的不同浓度，并在这些农药存在的情况下仍保持其磷酸盐溶解能力。此外，该菌株还表现出溶解锌和钾的能力，以及产生生长素、铁载体、氨、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶和植酸酶的能力。将PRPSB₁₀接种到马铃薯块茎中后，显著提高了马铃薯的生长参数：株高增加了60.5%，根长增加了42.7%，鲜重增加了52.8%，干重增加了123.2%，叶绿素含量增加了11.8%。与对照组相比，接种PRPSB₁₀后，块茎和茎中的营养成分以及土壤中的脱氢酶和碱性磷酸酶活性也得到了改善。全基因组测序显示，该菌株拥有一个4,180,314 bp的环状染色体，G+C含量为46.15%，编码2,911种蛋白质，其中17,239种蛋白质与基因本体术语相关，409种蛋白质映射到KEGG通路中。在PRPSB₁₀中鉴定出了参与磷酸盐、锌和钾溶解；生长素、氨和铁载体生物合成；酶活性；生物膜形成以及农药耐受性和降解的关键功能基因。基因组分析揭示了其功能特性的全面遗传基础，包括与代谢途径、酶活性和植物生长促进相关的基因，这支持了其作为有前景的生物肥料的潜力。

引言

马铃薯（Solanum tuberosum L.）属于茄科植物，是全球仅次于小麦和水稻的第三大重要粮食作物。亚洲是全球马铃薯产量最大的地区，印度在总产量方面排名第二，在种植面积方面排名第三（来源：agropedia.iitk.ac.in）。在旁遮普邦，2023-24季马铃薯种植面积约为117,060公顷，产量约为323.8万吨（匿名，2024年）。马铃薯对各种环境条件具有很强的适应性，且营养价值高，既是重要的主食，也是重要的饲料资源。

马铃薯是一种需要大量肥料的作物，为了实现最佳生长和产量，必须提供均衡且及时的养分供应（Kaur等人，2022年；Bansal等人，2025年）。氮（N）和钾（K）的吸收在生长初期（出苗后30-40天）最高，而磷（P）对块茎的形成和成熟至关重要。磷是仅次于氮的第二大必需大量元素，在根和茎的发育、能量转移、淀粉合成和酶调节中起着关键作用（Khan等人，2023年）。然而，施用的大部分磷酸盐肥料由于固定为不溶性的钙、铁和铝磷酸盐而无法被植物吸收，其利用率很少超过30%（Bansal等人，2025年）。在旁遮普邦的土壤中，有效磷含量通常较低（<22.4 kg P ha^-1），因此磷缺乏成为影响产量的主要限制因素。

能够溶解磷酸盐的细菌（PSB）通过分泌有机酸和磷酸酶将不溶性磷酸盐转化为可溶性磷酸盐，提供了一种环保的方法来提高磷的有效性（Vyas和Gulati，2009年；Gulati等人，2010年）。许多PSB菌株还能产生生长素、铁载体和氨，并能溶解其他养分，从而改善养分吸收和土壤肥力（Gulati等人，2009年；Vyas等人，2010年）。马铃薯田中过度使用农药会破坏有益微生物（Kaur等人，2022年），因此需要选择耐农药的本地菌株。Bacillus属细菌由于能够形成孢子、具有适应性和根际定殖能力而具有优势。

多种Bacillus菌株被广泛报道为有效的植物生长促进根际细菌（PGPR），并因其能够形成耐逆性内孢子、抑制病原体和促进植物生长而被商业用作生物肥料（Kaur等人，2025年）。其中，Bacillus amyloliquefaciens、B. licheniformis和B. subtilis在农业生物技术中应用最为广泛（Adeniji等人，2019年）。近年来，由于B. licheniformis菌株具有强大的植物生长促进特性，在田间条件下显著提高了作物产量和产品质量（Bansal等人，2025年），因此受到了广泛关注。全基因组测序技术的进步进一步促进了人们对Bacillus属中与次级代谢产物生成相关的基因和生物合成基因簇的全面研究，从而有助于发现有前景的PGPR和生物控制剂（Balderas-Ruíz等人，2020年）。因此，基因组特征分析和比较基因组分析是阐明PGPR菌株功能特性和生态潜力的有力手段。

在本研究中，最初从马铃薯根际分离出的一种能够溶解磷酸盐的细菌Bacillus licheniformis PRPSB₁₀被进一步研究了其多种PGP特性、酶活性和农药耐受性，并评估了其对马铃薯植株生长、养分吸收和土壤肥力的影响。进行了全基因组测序，以确认与磷酸盐溶解、其他植物生长促进特性和农药耐受性相关的基因，以支持其作为可持续马铃薯栽培生物肥料的潜力。

部分摘录

能够溶解磷酸盐的细菌菌株

一种高效的磷酸盐溶解细菌菌株Bacillus licheniformis PRPSB₁₀（NCBI登录号PV567726）最初是从印度卢迪亚纳的旁遮普农业大学（PAU）微生物学系分离得到的。该菌株通过营养琼脂划线培养纯化后，保存在30%（v/v）甘油中，置于-20°C条件下以供进一步研究。最近的研究表明，该菌株能够溶解多种不溶性磷酸盐。

PRPSB₁₀菌株在农药存在下的生长

该菌株对四种常用的马铃薯作物农药具有耐受性，这些农药添加在含有不同浓度的Monceren 250 SL、Emesto Prime 22.43 FS、Rogor?和Indofil M-45的盐培养基中（表1；图1A-H）。对照组的细菌数量为1.02 × 10⁹ CFU mL^-1，随着农药浓度的增加而减少。在推荐剂量（X）下，Monceren 250 SL的细菌数量为7.59 × 10⁸ CFU mL^-1；而在双倍剂量（2X）下，细菌数量降至1.38 ×

讨论

本研究中发现，能够溶解磷酸盐的细菌菌株PRPSB₁₀表现出多种促进植物生长的特性，包括产生IAA、铁载体和氨，以及溶解磷酸盐、锌和钾的能力。此外，该菌株还具备蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和脱氢酶等酶活性，并显示出降解农药的潜力。在马铃薯块茎中的土壤接种实验证实了其促进植物生长的能力。

结论

本研究探讨了栖息在马铃薯根际中的多种微生物资源。一种名为PRPSB₁₀的细菌菌株表现出多种促进植物生长的特性，包括产生IAA、铁载体和氨以及形成生物膜，同时还能够溶解磷酸盐、锌和钾。盆栽实验表明，接种PRPSB₁₀显著提高了植株高度、生物量、叶绿素含量、茎和块茎中的养分积累，并改善了土壤养分状况。

出版者声明

本文中表达的所有观点仅代表作者本人，并不一定代表其所属机构、出版商、编辑或审稿人的观点。本文可能评价的任何产品或其制造商可能做出的任何声明均不代表出版商的立场或担保。

作者贡献声明

Pratibha Vyas：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。 Riya Bansal：撰写 – 初稿撰写、软件使用、实验设计、资金获取、数据分析、数据整理

未引用参考文献

Aleksandrov等人，1967年；Commichau等人，2018年；Olivares等人，2016年；Olsen，1954年。

数据可用性声明

手稿中提到的登录号可以在在线数据库中找到。原始数据可由作者无条件提供给任何合格的研究人员。

利益冲突

作者声明本研究是在没有任何可能被视为利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

资助

本研究得到了印度政府科学技术部科学与工程研究委员会的支持，该委员会由印度工商联合会（FICCI）协调，资助项目为总理研究奖学金（SERB/PM Fellowship/2022。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度政府科学技术部科学与工程研究委员会（由印度工商联合会（FICCI）协调）提供的总理研究奖学金（SERB/PM Fellowship/2022，以及印度旁遮普邦卢迪亚纳的旁遮普农业大学提供的必要支持。