Bacillus velezensis BVFA21及其关键代谢物4-甲氧基苯甲酸对Fusarium proliferatum的作用机制

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Mode of action of Bacillus velezensis BVFA21 and its key metabolite 4-methoxybenzoic acid against Fusarium proliferatum

　　

袁军|郭坤|尹贤辉|王伟珍|龙友华|周后银

贵州大学猕猴桃工程技术研究中心，贵阳市550025，中国

摘要

真菌病害是限制农产品产量和质量提升的主要生物因素之一。其中，Fusarium proliferatum是最为重要的植物病原真菌之一。鉴于其在生态安全性和可持续性方面的优势，生物防治在综合植物病害管理中发挥着越来越重要的作用。本研究中发现了一种名为BVFA21的细菌菌株，该菌株被鉴定为Bacillus velezensis，能够有效抑制F. proliferatum。通过逐步优化培养条件，所得发酵液在体内和体外均表现出对F. proliferatum的优异抑制作用。进一步研究表明，BVFA21的无菌发酵液（SFB）在体内对F. proliferatum具有治疗和保护作用。体外实验中，SFB导致真菌菌丝形态改变，抑制孢子萌发，通过浓度依赖性方式干扰细胞膜通透性，导致细胞内K⁺、核酸和蛋白质泄漏，并通过抑制β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性破坏细胞壁完整性，从而有效抑制病原体感染和繁殖。此外，对BVFA21发酵液进行了非靶向LC-MS/MS代谢组学分析，发现4-甲氧基苯甲酸（4-MBA）是对F. proliferatum最有效的关键代谢物。它通过多种机制发挥抗真菌作用。总之，本研究表明高效菌株B. velezensis BVFA21通过多组分协同机制抑制F. proliferatum，这种机制共同攻击细胞膜和细胞壁完整性，为控制由F. proliferatum引起的植物病害提供了绿色生物防治方案。

引言

植物病害和害虫的爆发经常导致作物产量和质量大幅下降，其致病因子通常归因于真菌、细菌、病毒、卵菌和线虫等微生物。真菌病原体尤其具有破坏性，被认为是稳定和高质量农业生产的主要威胁（Iacomino等人，2022；Grabka等人，2022；Ayaz等人，2023；Parrado和Quintanilla，2024）。Fusarium属是一类全球分布的丝状真菌，属于子囊菌门和壳孢菌门。大多数Fusarium种类具有广泛的宿主范围、强致病性和出色的环境适应性，被列为世界十大植物病原真菌之一（Summerell等人，2019；Petrovi?等人，2024）。F. proliferatum是一种兼性寄生真菌，可感染120多种作物，包括单子叶和双子叶植物，引发多种病害，如腐烂和萎蔫（Namsi等人，2021；Jangir等人，2023；Lalak-Kańczugowska等人，2023；Tang等人，2024；Saha和Tayung，2025）。目前，Fusarium病害的控制主要依赖于化学杀菌剂的使用。然而，合成农药的过度和不当使用可能导致农药残留、土壤微生态失衡和毒素积累，从而加剧食品安全风险和环境危害（Atanasova-Penichon等人，2016；López-Arellanes等人，2025）。此外，Fusarium属已对多种主流杀菌剂产生抗性，导致田间控制效果显著下降，进一步加剧了Fusarium病害的流行和霉菌毒素污染的风险（Jayawardana和Fernando，2024）。因此，迫切需要开发替代的控制措施。

生物防治通过利用微生物之间的拮抗作用，提供了一种安全、环保且高效的疾病管理方法。这种策略可以延缓抗性的产生，减少对化学农药的依赖。在多种生物防治剂中，Bacillus属因其强大的拮抗活性而成为控制多种植物病原体的研究重点和核心资源（Yang等人，2023；Nimbeshaho等人，2024；Miljakovi?等人，2024）。例如，B. velezensis菌株B31、F68和30,833对番茄、西瓜和黄瓜的萎蔫病原体表现出显著的拮抗作用。盆栽实验中，它们的生物防治效果分别达到85.7%、97.1%和84.3%，超过了参考菌株FZB42（Guo等人，2023）。B. subtilis BDISO76MR抑制了F. proliferatum的菌丝生长和孢子形成，使玉米籽粒中的伏马菌素含量减少了97.27%，田间效果超过95.45%，证实了Bacillus属在霉菌毒素控制方面的潜力（Jannat等人，2024）。同样，B. velezensis YTQ3的SFB有效抑制了Botrytis cinerea的菌丝生长和孢子萌发（Yang等人，2025）。Bacillus属的病害预防和生长促进作用通过多种机制实现，包括分泌脂肽抗生素、竞争性根际定殖、矿物质营养素溶解以及诱导植物系统抗性（Ongena和Jacques，2008；Li等人，2023a）。例如，B. velezensis YW17及其SFB通过分泌抗真菌脂肽、蛋白质和挥发性化合物拮抗人参根腐病原体F. oxysporum（Wei等人，2023）。B. velezensis SF334具有产生纤维素酶、蛋白酶和淀粉酶的强潜力，这些酶可以降解真菌细胞壁并抑制病原体生长（Wang等人，2024）。B. velezensis P2–1产生多种抗真菌有机酸（如乙酸、2-甲基丁酸、丁酸、异丁酸和丙酸），这些酸抑制了Botryosphaeria dothidea的菌丝生长并造成膜损伤（Yuan等人，2022）。然而，B. velezensis产生的酚类化合物（如4-MBA）对F. proliferatum的作用机制尚未阐明。因此，本研究旨在探讨B. velezensis BVFA21及其关键代谢物4-MBA对F. proliferatum的作用机制。

虽然已知B. velezensis的脂肽会干扰真菌膜，但尚不清楚低分子量有机酸是否也能协同损害F. proliferatum的膜通透性和细胞壁生物合成。这一知识空白指出了同时针对多个途径的可能性，从而降低抗性产生的风险。因此，系统地鉴定新的Bacillus菌株并阐明其生物防治机制对于开发创新的植物病害管理策略至关重要。本研究旨在筛选对F. proliferatum具有强抑制活性的Bacillus菌株，并揭示其抗真菌机制。我们分离并鉴定出一种候选菌株Bacillus sp. BVFA21，其发酵液表现出明显的抗真菌活性。通过抗真菌测定和代谢组学分析，明确了该发酵液的代谢谱，并鉴定出一种具有高抑制活性的单一化合物。

章节片段

细菌菌株分离

2024年9月，从贵州省惠水县罗店乡、镇宁县柳马镇的抗病李树（Prunus salicina Lindl.）的根际土壤和健康果实中收集了21个样本。根际土壤样本取自地下10–20厘米深度。所有样本均保存在4°C条件下。针对实验室保存的李果斑病病原体F. proliferatum，从中分离出潜在的生物防治细菌

生物防治菌株对F. proliferatum的活性

采用平板对峙法，从健康李果实和根际土壤中分离出39株细菌菌株。其中，BVFA21菌株对F. proliferatum的抑制作用最强，抑制率为75.17%±0.62%（表1，图S1）。因此，选择BVFA21进行进一步研究。

生物防治菌株BVFA21的鉴定

根据菌落形态、革兰氏染色（阳性杆菌）、生理和生化特性（表2；图S2A）、16S rRNA基因序列分析（图S2J）进行鉴定

讨论

作为化学农药的环保替代方案，生物防治日益受到重视。Bacillus属已成为广泛用于病害抑制和抗真菌代谢物生产的菌株。本研究通过分离出对经济重要病原体F. proliferatum具有强拮抗活性的B. velezensis BVFA21，扩展了这一认识。BVFA21具有几个独特特征，使其区别于之前报道的生物防治菌株。

CRediT作者贡献声明

袁军：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、项目管理、方法学、研究、数据分析、概念化。郭坤：可视化、验证、软件使用、项目管理、方法学、研究。尹贤辉：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源提供、项目管理、方法学、资金获取、数据分析、概念化。王伟珍：撰写——审阅与编辑

Calvo等人，2020

Li等人，2020

Li等人，2023b

Loganathan等人，2021

Shi等人，2025

Summerell，2019

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系。

本工作得到了GZMARS-Characteristic Fruit专项基金[资助编号GZTSSGCYJSTX-202604、国家农业科学技术专项和新优势团队以及

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