《Postharvest Biology and Technology》：Integrated multi-omics analysis reveals the synergistic mechanism of
Bacillus velezensis D44 in controlling peach brown rot
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褐腐病抑制机制研究：芽孢杆菌B. velezensis D44通过多组学分析揭示其直接拮抗、重构果面微生物组及调控代谢通路（如脂质过氧化、糖代谢和谷胱甘肽代谢）协同抑制病原菌生长并维持 peach 质量特性，为开发环保保鲜策略提供理论依据。
周慧娟|叶正文|周勋|张桥才|张世英|袁子怡|苏明申|李雄伟|LV贝贝|张先安|杜继红|张明浩|郑晓琳|陈欢
上海市农业科学院林业与果树研究所，中国上海201403
摘要
由Monilinia fructicola（M. fructicola）引起的褐腐病是限制桃果实保质期的主要采后病害。由于杀菌剂抗性的出现、对化学残留物的担忧以及对食品安全要求的提高，迫切需要有效的生物替代品。本研究采用综合多组学方法评估了Bacillus velezensis（B. velezensis）D44对褐腐病的生物控制潜力及其作用机制。结果表明，D44能够抑制M. fructicola的生长并延缓其在桃果实上的病斑扩展。微生物多样性分析显示，D44通过抑制优势本土菌群并富集有益菌属（尤其是Kwoniella、Sterigmatomyces和Aureobasidium），在果实表面建立了保护性微生物屏障。转录组分析表明，D44通过调节多种代谢途径来增强果实的抗性：它下调了与α-亚麻酸和棕榈酸代谢相关的基因以减轻膜脂质过氧化，调控淀粉和蔗糖代谢以确保防御所需的能量供应，并激活谷胱甘肽代谢以缓解氧化应激。此外，D44处理还能有效维持果实品质，减少重量损失，延缓硬度下降，稳定糖分和有机酸含量，并调节苦味及挥发性化合物的变化。综上所述，这些发现表明B. velezensis D44通过直接拮抗、微生物组重构和代谢调节的协同机制抑制褐腐病。这项工作阐明了基于B. velezensis的生物控制作用机制，并为桃果实的环保采后保鲜策略的发展提供了支持。
引言
桃（Prunus persica）是一种具有全球重要经济价值的果树，因其独特的风味而深受消费者喜爱。然而，桃果实在其采后保质期内极易受到病原真菌的感染。其中，由Monilinia fructicola（M. fructicola）引起的褐腐病是导致桃果实采后腐烂的主要因素（Cheng等人，2022年）。这种病原菌通过果实表面的微小伤口感染果实，或在采后重新激活潜伏感染，严重缩短了果实的保质期并造成巨大的经济损失（Garcia-Benitez等人，2016年）。因此，开发环保且有效的褐腐病控制策略对桃产业的可持续发展至关重要。
目前，采后褐腐病的管理主要依赖于合成化学杀菌剂。尽管三唑类和嘧菌酯类杀菌剂可以在一定程度上抑制病害的发展，但其长期和广泛的应用带来了诸多负面影响（Kartashov等人，2022年）。值得注意的是，随着杀菌剂抗性的不断出现，M. fructicola已对包括去甲基化抑制剂（DMIs）和甲基苯并咪唑氨基甲酸酯（MBCs）在内的多种主要杀菌剂类别表现出中度至完全的抗性，从而降低了控制效果（Liu等人，2024年）。此外，人们对化学残留物和食品安全的担忧加剧了对更安全产品的需求（Magkos等人，2006年）。因此，迫切需要探索和开发环保的替代病害管理策略。
近年来，多项研究证实了生物控制剂（BCAs）在控制M. fructicola方面的有效性。例如，杀真菌酵母Debaryomyces hansenii和Wickerhamomyces anomalus通过分泌杀真菌毒素和水解酶（如β-1,3-葡聚糖酶）有效减少了核果类的褐腐病发生（Grzegorczyk等人，2017年）。同样，细菌Pseudomonas synxantha通过产生挥发性有机化合物（VOCs）并竞争养分来抑制M. fructicola的感染，在冷藏条件下表现出特别强的效果（Aiello等人，2019年）。此外，Aureobasidium pullulans产生的VOCs（如2-苯乙醇）已被证明可以抑制M. fructicola的分生孢子萌发和菌丝生长（Di Francesco等人，2020年），而Bacillus licheniformis通过产生胞外抗真菌蛋白显著减少了褐腐病的发展（Ji等人，2015年）。这些发现共同表明，BCAs在减少对化学农药依赖的同时，具有减轻采后损失和维持果实品质的潜力。在众多有前景的候选菌株中，Bacillus velezensis（B. velezensis）受到了广泛关注（Hammad等人，2023年）。该细菌以其合成多种抗菌化合物（如表面活性肽和iturin）和胞外酶（如几丁质酶和蛋白酶）的能力而闻名。此外，它产生的耐逆性内生孢子有助于其在植物表面的牢固定殖（Wang等人，2022年）。B. velezensis已被广泛报道为有效的植物病原真菌拮抗剂。例如，B. velezensis K01对番茄和辣椒果实中的灰霉病表现出超过78%的抑制效果（Xue等人，2023年），而另一种菌株B. velezensis Bvel1通过直接拮抗和诱导抗性抑制了葡萄采后的果串腐烂（Nifakos等人，2021年）。尽管B. velezensis的生物控制效果已得到充分证实，但其作用机制尚未完全阐明。目前的认识通常将其作用方式归类为直接拮抗（竞争和抗菌作用）和间接激活防御反应。然而，以往的研究主要集中在孤立的作用机制上，忽略了果实表面微生物组重构与果实内部应激反应网络调节之间的潜在协同作用。
在本研究中，选择了对M. fructicola具有强拮抗活性的B. velezensis D44作为研究对象。我们的初步发现表明，12–15°C是桃果的最佳储存温度，该温度可以有效减轻低温造成的冷害，并显著延长保质期（Wang等人，2024年；Zhou等人，2024年）。因此，本研究专门探讨了在这种非低温条件（12–15°C）下B. velezensis D44对褐腐病的生物控制效果及其作用机制。我们假设B. velezensis D44不仅通过直接抑制病原菌生长来抑制褐腐病，还通过重构果实表面的微生物组来限制病原菌的定殖，并通过诱导果实内的应激反应机制来发挥作用。为了验证这一假设，我们采用了高通量扩增子测序和转录组测序相结合的综合多组学方法，系统地阐明了D44抑制褐腐病的多层次机制。
部分内容摘录
病原菌
M. fructicola（GenBank登录号OP340986）是从表现出典型褐腐症状的桃果实中分离得到的。Bacillus velezensis D44是由我们的研究小组从Morchella中分离得到的内生菌。该菌株于2022年10月31日在中国武汉的中国典型培养物中心（CCTCC）注册，登录号为CCTCC NO: M 20221701。在Luria-Bertani（LB）琼脂培养基上培养时，D44形成圆形、白色、有光泽、光滑且不透明的菌落。
D44对M. fructicola菌丝生长的体外抑制作用
D44处理显著抑制了M. fructicola的菌丝生长。与对照组相比，D44处理组的菌落扩展明显受到抑制，中央菌丝区域较小，几乎没有外围生长，而对照组培养基在培养7天后显示出密集的菌丝覆盖，并带有明显的棕色中心（图1A）。对照组的病斑直径随时间逐渐增大，12天时达到约7厘米。
讨论
本研究的主要目的是评估B. velezensis D44对桃褐腐病的生物控制潜力，并系统阐明其作用机制。结果表明，D44在体外显著抑制了M. fructicola的菌丝生长，并在体内有效延缓了病斑扩展（图1和图2）。褐腐病是核果类果实最严重的采后病害之一，造成了严重的全球经济损失（Cantín等人，2025年）。
结论
本研究表明，B. velezensis D44是一种有效的桃褐腐病生物控制剂。它显著抑制了病害的发展，同时保持了果实品质。一方面，D44积极重塑了果实表面的微生物群落，富集了如Kwoniella等拮抗酵母，建立了竞争性的生物屏障，限制了病原菌的定殖；另一方面，D44调节了果实内的多个关键代谢途径。
CRediT作者贡献声明
袁子怡：正式分析、数据管理。张世英：正式分析、数据管理。张桥才：正式分析、数据管理。陈欢：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学研究、概念构思。周勋：方法学研究、正式分析、数据管理。郑晓琳：数据管理。叶正文：资源获取。张明浩：资源获取。周慧娟：初稿撰写、项目管理、方法学研究、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了上海市农业科技创新计划（项目编号T2024218）、国家自然科学基金（项目编号32372407）、上海市科技项目（项目编号23N31900600）、中国桃果农业研究系统（项目编号CARS-30，2020–2025）以及上海市农业科学院杰出团队计划（项目编号2022–004）的支持。
