基于代谢基因组学方法揭示链霉菌属（Streptomyces sp.）AM25的植物生长促进与抗真菌特征

《ACS Agricultural Science & Technology》：Plant Growth-Promotion and Antifungal Features of Streptomyces sp. AM25 Unveiled by a Metabologenomics Approach

　　

放线菌（Actinobacteria）已成为具有多重农业应用价值的生物活性化合物的重要来源，其功能涵盖植物激素（phytohormones）的产生以及专属性代谢物（specialized metabolites）的合成，而这些产物可用于植物病原体的生物防治。随着对更可持续农业实践需求的不断增长，以及减少农用化学品使用的现实需要，此类细菌及其代谢物为开发基于微生物的生物制剂提供了有前景的替代方案。本研究评估了分离自巴西亚马孙地区的放线菌链霉菌属（Streptomyces sp.）AM25在农业上的有益特性，重点考察其针对植物病原体的生物活性及其促进玉米生长的能力。研究人员采用整合的基因组学（genomics）与代谢组学（metabolomics）方法，对其生物活性潜在机制进行表征。基因组分析显示，该菌株含有与专属性代谢物产生及植物生长所需关键营养元素获取相关的基因簇（gene clusters）与酶编码基因。互补性的代谢组学分析鉴定出具有抗真菌和抗细菌潜力的生物活性化合物。体外试验表明，AM25对多种植物病原真菌具有抑制作用，其中包括玉米、大豆和番茄的重要病原菌，提示其作为生物防治因子的应用前景。最后，该分离株及其单独代谢产物均能够提高玉米地上部干重和地上部/根部比值。上述结果清楚表明，链霉菌属（Streptomyces sp.）AM25是开发可持续植物保护解决方案的可行候选菌株。

该论文发表于《ACS Agricultural Science》，围绕一株分离自巴西亚马孙雨林瓜拿纳（Paullinia cupana Mart.）土壤的链霉菌属（Streptomyces sp.）AM25展开，系统评估其在农业生物投入品开发中的应用潜力。研究背景在于，传统农药和化学肥料的长期过量使用已对生态系统、土壤肥力及微生物群落造成持续压力，而现代农业又必须在保障产量的同时兼顾环境可持续性。在这一背景下，兼具促生与拮抗病原能力的植物生长促进根际细菌（PGPR，plant growth-promoting rhizobacteria）成为重要研究方向。相较于芽孢杆菌属和假单胞菌属，放线菌尤其是链霉菌在PGPR领域仍开发不足，尽管其具有突出的次级代谢潜力和丰富的生物活性产物库。因此，筛选来源新颖、兼具促生和生防双重功能的链霉菌资源，对于绿色农业发展具有现实意义。

本研究拟解决的核心问题包括：其一，AM25是否具有广谱植物病原真菌拮抗活性；其二，该菌株是否能够促进玉米生长；其三，这些农业有益性状背后的化学与遗传基础是什么。为回答这些问题，研究人员采用代谢基因组学（metabologenomics）策略，将基因组测序、次级代谢基因簇预测与基于质谱（MS，mass spectrometry）的代谢组学相结合，同时辅以体外拮抗试验和温室玉米促生实验，从而在表型、代谢物和遗传潜力三个层面建立关联。研究结果表明，AM25具备显著的广谱抗真菌活性，能够抑制来自玉米、大豆和番茄的重要植病真菌；同时，其菌体与发酵上清在玉米生长促进方面表现出积极效应，尤其在根系干重、根系结构及地上部/根部资源分配方面体现出一定优势。综合证据显示，该菌株是可持续农业生物防治与生物刺激剂开发的有前景候选对象。

主要技术方法概括如下：研究人员对AM25进行全基因组测序、组装与功能注释，利用antiSMASH与PGPT-Pred挖掘次级代谢生物合成基因簇（BGCs，biosynthetic gene clusters）及促生相关基因；以乙酸乙酯提取发酵产物并经C₁₈分级后，采用超高效液相色谱-电喷雾四极杆飞行时间串联质谱（UPLC-ESI-QTOF-MS/MS）开展代谢组学分析，并结合GNPS分子网络、NAP和SNAP-MS进行化合物注释；通过平板对峙法评价对多种作物病原真菌的拮抗活性；在温室条件下以玉米品种BM3066PRO2开展盆栽试验，比较菌体、菌体+上清及无菌上清处理对植株生物量和根系性状的影响。样本来源为巴西亚马孙地区瓜拿纳植株周围土壤分离获得的AM25菌株。

在“3.1. Genome Properties and Taxonomy”部分，研究人员完成了AM25全基因组装配，获得总长度9,320,259 bp、GC含量71.21%的基因组，编码序列（CDSs）共8345个，完整度较高。系统发育分析显示，该菌株与S. morookaense关系最近，但平均核苷酸一致性（ANI）和数字DNA-DNA杂交（dDDH）值均低于物种划界阈值，因此更符合潜在新种的特征。这一结果说明AM25不仅具应用潜力，也具有分类学意义，为其作为独特生物资源的开发提供了依据。

在“3.2. Fungal Antagonistic Activity”部分，研究人员通过双培养拮抗试验证明AM25可抑制全部受试植物病原真菌的菌丝生长。其抑菌效果对玉米病原菌禾生炭疽菌（Colletotrichum graminicola）、大豆病原菌核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）和大豆病原菌大豆炭腐病菌（Macrophomina phaseolina）尤为显著；对于番茄来源的核盘菌也表现出较强抑制作用。以抑菌带宽度和抑制率两项指标综合评价，AM25具有较明显的广谱生防潜力。这一结果与其代谢和基因组特征相互支撑，提示其抗真菌效应可能来自多因子协同作用。

在“3.3. Maize Growth Promotion by Streptomyces sp. AM25”部分，研究人员采用温室盆栽体系评估AM25对玉米的促生作用。结果显示，菌体与发酵液共同处理可显著提高根干重，并呈现根直径增加趋势；无细胞上清则显著提高地上部/根部比值，提示分泌代谢物能够影响植株资源分配和根系构型。虽然地上部干重处理间差异未达到显著水平，但若结合主成分分析（PCA）及根系体积、比根长、比根表面积等趋势可见，AM25代谢产物对根系功能性状具有积极影响。该结果表明，AM25不仅可通过活菌定殖发挥作用，其胞外代谢产物也具有开发为非活体生物刺激制剂的潜力。

在“3.4. AM25 Chemical Profile Assessed by MS-Based Metabolomics”部分，研究人员借助基于质谱的代谢组学和分子网络技术刻画了AM25的化学空间。分析结果显示，该菌株可产生多个分子家族及若干单体特征峰，且部分代谢特征仅在分级组分中出现，说明提取物分级有助于提高低丰度或弱电离代谢物的检测能力。通过GNPS谱库匹配和计算注释，研究人员对若干天然产物进行了MSI 2级或3级注释，包括表面活性素C（surfactin C）、表面活性素C14（surfactin C14）、二肽Leu–Gly，以及聚烯大环内酯（polyene macrolides）、泰乐菌素类大环内酯（tylosin macrolides）、红霉素样大环内酯（erythromycin-like macrolides）、生物碱和嘧啶核苷类化合物。上述化学类别中，多种成员已知具有抗真菌、抗菌或植物互作相关活性，为AM25的生防与促生功能提供了化学层面的证据。

在“3.5. Genome Annotations for Specialized Metabolites and Growth-Promotion-Related Traits”部分，基因组注释进一步证明AM25具备强大的生物合成能力。研究人员鉴定到多个与抗菌活性相关的生物合成基因簇，涉及大环内酯、聚酮、生物碱、多肽等类别，包括carrimycins、pentamycins、eurocidins、mycinamycins、accramycins、tetracenomycins、legonmycins、cycloheximides和gramicidin等。尽管并非所有通路都检测到完整基因集合，但多个BGC表现出较高共线性。与此同时，基因组中还注释到几丁质酶（chitinase）A1、A2、C，内切几丁质酶4以及壳聚糖酶（chitosanase）等与真菌细胞壁降解相关的酶基因，进一步强化了其生物防治能力。在促生相关性状方面，研究人员识别到与细胞分裂素（cytokinins）合成、γ-氨基丁酸（GABA，gamma-aminobutyric acid）、多胺（polyamines）、四氢嘧啶类渗透保护物质ectoine，以及磷、铁、氮等营养元素溶解、获取和代谢相关的功能基因，说明AM25兼具直接促生与间接促生潜力。

论文讨论部分首先指出，AM25可能代表一个与S. morookaense近缘但独立的潜在新种，不过正式新种描述仍需系统的多相分类证据。围绕其生防机制，研究人员认为，AM25的广谱抗真菌活性很可能来源于抗菌专属性代谢物和几丁质降解酶的联合作用。代谢组和基因组证据共同支持其能够产生表面活性素样化合物、大环内酯和多类生物碱。其中，表面活性素类化合物与植物-微生物互作、系统抗性诱导及多种植病真菌拮抗作用有关；聚烯大环内酯等可通过与麦角固醇结合、诱导活性氧（ROS，reactive oxygen species）产生或干扰膜功能而发挥抗真菌作用；谷酰亚胺类生物碱如streptimidone则与蛋白质合成抑制相关。再结合几丁质酶和壳聚糖酶对真菌细胞壁组分的降解作用，可以较好解释AM25在平板对峙试验中的广谱抑菌表现。

针对促生机制，讨论部分强调，AM25基因组中存在多类与植物激素合成、胁迫调节和养分获取有关的遗传基础。根干重增加和根直径改善提示其可能调节根系结构，从而增强水分和养分吸收能力；无细胞上清提升地上部/根部比值，则说明胞外代谢物本身足以介导植株形态反应。研究人员还指出，AM25具有与色氨酸代谢、细胞分裂素生物合成、GABA、多胺和ectoine生成有关的基因，这些代谢过程与植物生长调控和非生物胁迫耐受性密切相关。此外，AM25还携带有机磷矿化、碱性磷酸酶、羟肟酸型铁载体（siderophores）合成、铁摄取以及部分氮代谢相关基因，包括与固氮装置装配相关的nifS、nifU、sufT，以及脲酶、氰酸酶和硝酸还原酶等功能基因，显示其在营养供给和根际适应方面具有综合潜力。论文还特别指出，无细胞上清在农业制剂产业中具有吸引力，因为它有望规避放线菌工业发酵浓度低、液体培养中易形成菌丝团聚等应用难题。

研究结论部分可译为：通过联合代谢基因组学分析、针对植物病原真菌的体外拮抗试验以及评估植物生长促进能力的玉米体内实验，研究人员证实链霉菌属（Streptomyces sp.）AM25具有作为农业生物接种剂（bioinoculant）的较高应用潜力。该放线菌表现出广谱抗真菌活性，并能够在实验室条件下产生具有生物活性的专属性代谢物。研究人员注释到多种与直接和间接植物生长促进相关的基因；该菌株对玉米根系具有积极影响，而无细胞上清表现出的良好效果对于生物投入品产业尤具意义。该菌株分离自一个尚未充分开发但生物多样性极高的地区，同时也构成了天然产物发现的重要资源谱系。

总体而言，这项研究的学术价值在于，以代谢基因组学为核心框架，将菌株资源挖掘、功能验证和机制解析进行了较高水平的整合。论文没有停留在传统体外筛选层面，而是将基因组潜力、代谢产物谱和农业表型关联起来，较为完整地展示了AM25作为双功能农业有益微生物的证据链。其重要意义在于，为亚马孙生态系统来源放线菌在绿色农业中的应用提供了实证支持，也为链霉菌类微生物生防剂和代谢物型生物刺激剂的开发提供了新的候选资源与研究路径。