在土壤这一复杂生态系统中，细菌与真菌的相互作用是维持系统功能和植物健康的关键。尽管实验室中常见微生物间的直接拮抗，但在自然环境下，多种微生物常表现出协同共存的现象，其背后的分子机制尚不明确。近期，一项发表于 The ISME Journal 的研究通过整合宏基因组学、转录组学与代谢组学技术，揭示了芽孢杆菌（Bacillus velezensis）与木霉菌（Trichoderma guizhouense） 在面对共同病原体黄瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum, FOC） 时，如何通过代谢物介导的相互作用实现从“竞争”到“协作”的生态转变。
研究背景与科学问题
镰刀菌枯萎病是一种严重的土传病害，传统化学防治面临抗性增加与环境压力。以芽孢杆菌和木霉菌为代表的植物益生微生物在生物防治中展示出潜力，但两者在实验室条件下常表现为相互抑制，与田间协同增效的观察相悖。这一矛盾提示，在复杂土壤环境中，微生物可能通过某种生态或分子机制实现稳定共存。
主要研究方法
研究团队首先分析了全球1680个土壤宏基因组样本，发现芽孢杆菌与木霉菌在多种土壤类型中呈显著正相关，尤其在农田与草地生态中。随后，通过构建“B. velezensis – T. guizhouense – FOC”三物种互作系统，结合转录组测序、基因敲除与过表达菌株构建、代谢物定量（LC-MS/HPLC）以及荧光标记共培养等技术，系统解析了三者间的互作机制。
图1 芽孢杆菌属与木霉菌属在全球土壤宏基因组中的正相关性。(A) 按土壤类型着色的1680个土壤宏基因组样本的地理分布。(B) 不同土壤环境中样本的比例（n=1680）。(C) 在整个数据集以及按土壤环境分层中，芽孢杆菌与木霉菌相对丰度的皮尔逊相关性分析。每个点代表一个土壤样本。红线显示线性回归线，并带有95%置信区间（灰色阴影）。标明了样本量（n）、相关系数（r）和P值。
图2 T. guizhouense 与 B. velezensis 共接种增强病害抑制及黄瓜生长。（A）T. guizhouense（Tg）、B. velezensis（Bv）与黄瓜尖镰孢菌（FOC）之间的相互作用。培养皿直径为9 cm。（B）不同处理下的黄瓜植株。CTL：对照，未接种。（C）基于叶片症状（叶片生长与萎蔫）的病害指数，数值越低表示病害严重度越轻。（D–F）黄瓜植株的生长参数：株高（D）、鲜重（E）与干重（F）。（G–I）通过实时荧光定量PCR测定的土壤中微生物细胞数量：FOC（G）、Bv（H）。
图3 B. velezensis、T. guizhouense 与 FOC 在微生物互作过程中的转录组分析。（A）从互作区进行转录组分析的取样位置示意图。矩形框标示取样区域。培养皿直径为9 cm。（B–D）不同互作条件下（Twi= Bv vs Tg vs FOC）B. velezensis（B）、T. guizhouense（C）与 FOC（D）差异表达基因（DEGs）重叠情况的韦恩图。差异表达基因使用DESeq2进行鉴定，阈值设定为LFC >2且FDR < 0.05。各区域数字代表该互作条件下特有或共有的基因数量。（E）显示各处理间差异调控通路的KEGG通路富集分析。圆圈大小表示映射到各通路的差异表达基因数量（count）。颜色代表差异丰度得分：红色表示通路上调，蓝色表示下调，颜色强度与富集程度成正比。星号表示统计显著性：* P < 0.05。
核心发现
1. σB 介导的细菌应激响应与代谢重编程
当芽孢杆菌接触木霉菌或病原菌时，其全局应激调控因子 σB 显著上调，进而激活包括表面活性素（surfactin）、芬荠素（fengycin）等多种抗菌次级代谢物的生物合成基因。σB 缺失突变体抗真菌能力显著下降，而过表达菌株则增强。
图4 SigB 通过调控次级代谢产物合成介导 B. velezensis 对真菌的快速响应。 (A) 全局调控因子 SigB 的信号通路，其通过调控网络介导快速与慢速响应。热图显示了 B. velezensis 在与不同处理互作时基因表达的变化（对数2倍变化，LFC）。(B) ΔsigB、野生型（WT）和 OEsigB 菌株对 FOC 与 Tg 的抑制能力。OEsigB：sigB 基因过表达菌株。误差棒表示 ± 标准差（n=4）。显著性检验采用单因素方差分析（ANOVA）后进行 Tukey 事后检验。不同字母表示差异具有统计学意义（P < 0.05）。(C) 在与真菌互作期间，通过实时荧光定量 PCR 检测的 B. velezensis 次级代谢产物生物合成基因的相对表达量。误差棒表示 ± 标准差（n=3）。统计分析采用 t 检验（*P < 0.05, **P < 0.01, ****P < 0.0001，ns 表示无显著差异）。B. velezensis 的次级代谢产物：bacA：杆菌溶素；baeC：杆菌烯；bmyA：杆菌霉素；dfnX：地非西丁；dhbF：杆菌铁载体；fenA：芬荠素；mlnH：大环内酯；srfAC：表面活性素。
2. 表面活性素诱导真菌保护性代谢物产生
表面活性素不仅是抗菌物质，更作为跨界信号分子，诱导木霉菌合成T22氮杂菲酮（T22azaphilone）——一种能够缓解氧化应激、增强真菌生存能力的黄色色素。该代谢物在共接种体系中显著提升木霉菌的种群持久性。
图5 表面活性素诱导 T. guizhouense 的保护机制。 (A) T. guizhouense 与 B. velezensis 野生型（WT）或表面活性素缺陷突变株（Δsrf）的互作。培养皿直径为 9 cm。(B) T. guizhouense 中 T22氮杂菲酮（T22azaphilone）的产量，并通过高效液相色谱（HPLC）进行定量（出峰时间=22.5 分钟）。(C-E) 不同突变菌株组合在灭菌土壤中培养 20 天内的微生物种群动态，通过实时荧光定量 PCR 检测 FOC (C)、B. velezensis (D) 和 T. guizhouense (E) 的细胞数量。处理组为：Bv+Tg+FOC（均为野生型）、Δsrf+Tg+FOC（B. velezensis 表面活性素突变株）、Bv+Δtga5+FOC（T. guizhouense T22氮杂菲酮突变株）以及 Δsrf+Δtga5+FOC（突变株组合）。时间点为接种后天数（D4 = 第4天，D8 = 第8天，D12 = 第12天，D16 = 第16天，D20 = 第20天）。
3. 镰孢酸（Fusaric acid）的时空调控作用
病原菌 FOC 分泌的镰孢酸可暂时抑制芽孢杆菌的生长，但木霉菌具备高效降解该毒素的能力。这一过程创造了时间上的生态位分化：镰孢酸延缓细菌生长，为真菌萌发与定殖提供窗口期；随后真菌降解毒素，减轻对细菌的抑制，最终实现两者在土壤中的稳定共存。
图6 镰孢酸在三物种微生物系统中维持稳定性。 (A) 不同浓度镰孢酸条件下 T. guizhouense 的生长情况。镰孢酸浓度：0、50、100、150 微克/毫升。培养皿直径为 9 厘米。(B) B. velezensis 在添加了镰孢酸（0、10、20、30、40、50 微克/毫升）的 LB 培养基中的生长曲线。误差棒表示 ± 标准差（n=3）。(C) T. guizhouense 在基本培养基中 72 小时内对镰孢酸的降解情况，通过液相色谱-质谱联用技术（LC-MS，出峰时间=3.1 分钟）进行定量。(D) 基于高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）峰面积积分，对各时间点残留镰孢酸的定量。百分比表示 T. guizhouense 在每个时间点降解的镰孢酸比例。误差棒表示 ± 标准差（n=4）。显著性检验采用单因素方差分析（ANOVA）后进行 Tukey 事后检验。不同字母表示差异具有统计学意义（P < 0.05）。(E-F) 在有无镰孢酸（30 微克/毫升）条件下，B. velezensis (E，通过 GFP 荧光监测) 和 T. guizhouense (F，通过 mCherry 荧光监测) 在纯培养和共培养条件下的生长动态。处理组：Mono_noFA，无镰孢酸的纯培养；Mono_FA：添加 30 微克/毫升镰孢酸的纯培养；Co_noFA：B. velezensis 和 T. guizhouense 共培养，无镰孢酸；Co_FA：B. velezensis 和 T. guizhouense 共培养，添加 30 微克/毫升镰孢酸。误差棒表示 ± 标准差（n=6）。
4. 协同增效的生物防治与促生效果
在黄瓜盆栽实验中，芽孢杆菌与木霉菌共接种处理显著降低病害指数（仅6.7%），并明显提升植株生物量。该组合同时压制病原菌种群，并维持较高水平的有益微生物丰度。
图7 总结示意图：次级代谢产物介导的分子互作与微生物动态。 (A) B. velezensis 的次级代谢产物抑制 T. guizhouense 和 FOC 的生长。表面活性素诱导 T. guizhouense 产生 T22氮杂菲酮（黄色化合物），从而保护其免受氧化胁迫。(B) T. guizhouense 通过真菌寄生作用降解菌丝以抑制 FOC。(C) 镰孢酸暂时抑制 B. velezensis 的生长，使得 T. guizhouense 得以优先定殖；随后，T. guizhouense 降解镰孢酸。植物从减弱的病原菌胁迫以及增强的有益微生物促生活动中获益，最终促进植物生长并改善其健康状况。
科学意义与应用启示
本研究揭示了微生物群落组装中一种由代谢物介导的生态协作机制，包括：
这些机制共同促成芽孢杆菌与木霉菌在面临共同敌人时，由实验室中的直接拮抗转向农田生态中的功能联盟。
该成果不仅深化了对土壤微生物互作网络的理解，也为设计高效、稳定的微生物联合接种剂提供了理论依据。未来研究可进一步拓展至多菌株、自然土壤微生物群落及不同环境条件下化学信号的动态解析，推动基于微生物群落的绿色农业实践。
文章来源：农业微生物前沿微信公众号
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