《Plants》：Decoding Bacillus spp.: Antimicrobial Diversity, Biocontrol Mechanisms, and Safe Deployment in Plant Disease Management
化学药剂长期被用于植物病害防控，但其对环境的影响及与可持续发展目标的不兼容性正使其逐渐不再适宜。绿色农业的一个发展趋势是利用芽孢杆菌属（Bacillus spp.）进行植物病害的生物防治（biocontrol）。得益于其庞大的代谢与遗传多样性，芽孢杆菌属能够对土壤生态系统作出重要贡献，同时增强植物对生物及非生物胁迫的抵御能力。芽孢杆菌属因其多功能性而在农业生物技术产业中得到广泛应用，并以保护植物免受多种植物病害侵袭而闻名。在本综述中，研究人员讨论了芽孢杆菌属所产生抗微生物化合物（AMCs）的多样性与功能，及其在植物生长促进（PGP）与免疫调控中的作用。此外，研究人员重点阐述了芽孢杆菌属作为宿主植物生物农药的潜力、增强其生物防治效果的途径，以及其对宿主植物致病的可能性。综合考虑芽孢杆菌属对PGP和病原生物防治的有益影响及其致病能力，研究人员探讨了芽孢杆菌生物防治剂（BCA）安全开发的可能解决方案。总体而言，这些见解可为选择具有广谱或靶标特异性抗病原活性的芽孢杆菌菌株提供指导，确保对宿主产生最小的不良影响。
**1 引言**
植物病害对全球粮食安全构成重大威胁，降低作物产量与品质，从而造成巨大的经济损失。据估计，全球每年约有15%的未保护作物因多种植物病原菌引起的病害而遭受损失。这些病原体包括病毒、细菌、真菌、线虫和寄生植物，在全球范围内导致严重的作物损失。尽管农用化学品如除草剂、杀虫剂、杀菌剂和杀鼠剂的使用在历史上提高了作物生产力和品质，但这些化合物被有意引入环境以靶向活体生物，可能对环境和人类健康构成风险。近年来，对农药残留及其影响的日益关注推动了向更可持续和环境友好型作物管理实践的转变。
通过有益微生物进行的生物管理为植物病害防控提供了有前景的方法，能够增强植物免疫并促进环境可持续性。微生物生物防治剂（BCAs）常从叶际、内生或根际细菌中分离，通过阻止感染和限制病原体在宿主植物中的定殖，在抑制植物病原微生物方面发挥关键作用。近年来，细菌因其与宿主组织的密切关联以及对生物和非生物胁迫的增强韧性而受到越来越多的关注。根相关内生菌已知能够合成生长素（auxins）和赤霉素（gibberellins）等植物激素，对生长发育有重要贡献。在微生物中，芽孢杆菌属因其通过多种机制抑制植物病原体的能力而成为有前景的BCAs，包括营养和空间竞争、植物表面特性修饰、AMCs产生、病害进程中断以及激活植物系统抗性（SR）。然而，一些芽孢杆菌属也被报道根据物种、宿主和不同环境条件对植物、动物和人类产生有害影响。因此，在将这些细菌用作农业系统中的生物肥料或BCA之前，理解导致芽孢杆菌诱导致病性的因素至关重要。本综述重点介绍芽孢杆菌属在植物生长和免疫中的作用、其所合成的生物活性代谢物、作为BCAs的潜力、其致病属性以及未来研究展望。
**2 芽孢杆菌属在植物中的作用**
多种细菌具有促进植物发育的特性，从而增强农业生产力并提高对各种病害和环境胁迫的抵抗力。芽孢杆菌属是研究最为深入的植物促生根际细菌（PGPR）之一。在一项关于孢子形成细菌对大豆胞囊线虫（Heterodera glycines）生物防治的研究中，约92.6%导致H. glycines死亡的PGPR属于芽孢杆菌属。基于多种生化特性，如脂肽和 polyketides（PKs）的产生、钾溶解、蛋白水解和淀粉水解活性、铁载体产生以及生物膜形成，众多芽孢杆菌属已被鉴定为有前景的植物生长促进剂。
芽孢杆菌属能够合成铁载体，通常形成2.5至5.33 mm的晕圈。近期研究发现，B. licheniformis BaDB06在南非醉茄（Lessertia frutescens）中贡献24%的铁载体形成，而B. subtilis ZIM3是最大产生产者，贡献达26%。此外，芽孢杆菌属特别是B. subtilis通过促进共生细菌定殖来促进结瘤。芽孢杆菌属还通过无机营养溶解和挥发性有机化合物（VOCs）的产生为植物营养作出贡献。VOCs如B. subtilis产生的乙偶姻（aceto in，3-羟基-2-丁酮）和2,3-丁二醇调节细胞分裂素和乙烯（ET）稳态，从而促进植物生长。施用B. subtilis产生的VOC 2,3-丁二醇显著增加拟南芥（Arabidopsis thaliana）的叶片大小。从阿加韦龙舌兰（Agave desmettiana Jacob）中分离的B. cereus（ADJ1）表现出强PGP特性，包括高产量吲哚-3-乙酸（IAA）（9.46 μg mL
?1）、氨（64.67 μmol mL
?1）、锌溶解、ACC脱氨酶产生和生物膜形成。此外，它还增强固氮作用、氰化氢生成，并促进盐胁迫下小麦萌发和幼苗发育。类似地，经B. methylotrophicus处理的小麦品种Pakistan-13种子在盐胁迫下表现出生物量增加、根长延长和营养生长改善。尽管菌株间存在变异性，这些发现共同表明芽孢杆菌属的铁载体产生通常处于中等功能范围内，提示PGP可能由多种特性组合驱动而非单一主导机制。
全球气候变化威胁植物生长和农业生产力，干旱、盐分、温室气体排放和极端高温等环境条件加剧了这一问题。芽孢杆菌属帮助植物抵御非生物胁迫。在不同品种、盐度和季节条件下，使用B. firmus J22N和Bacillus sp. REN51N等内生菌使花生荚果和秸秆产量增加14%–19%。在花生中，以木炭基载体包衣种子接种内生菌（10
9–10
10 CFU/g载体），在盐水（1.5–2.0 dS/m）中提高了钾吸收、降低了酚和H
2O
2水平，并增加了脯氨酸积累。一些芽孢杆菌菌株表现出强生长促进效应，特别是在胁迫条件下。例如，B. cereus PK6-15、B. subtilis PK5-26和B. circulans PK3-109显著增强了盐胁迫下A. thaliana的生长。与盐胁迫下未接种植物相比，B. circulans PK3-15和PK3-109使植物鲜重增加超过50%；然而，它们在正常条件下并不刺激植物生长。这些发现表明一些芽孢杆菌属可能仅在胁迫条件下是有前景的BCAs，因此其特定胁迫耐受特性在特定胁迫区域具有应用价值。此外，不同芽孢杆菌属也被报道与胁迫响应和抗氧化基因上调相关。据另一项研究，B. megaterium CACC109和CACC119菌株表现出多种促进植物生长的活性，如固氮、磷溶解、铁载体分泌、IAA产生、1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶活性和胞外多糖产生。接种后，CACC109和CACC119在胁迫和非胁迫条件下均促进根系发育，并显著增强渗透胁迫下水稻（Oryza sativa L.）种子萌发（LB液体培养基分别补充0、10和20%聚乙二醇6000，以及0、150和200 m(surface area)蔗糖）。其应用上调了与抗氧化活性相关的基因（如OsCAT、OsPOD、OsAPX和OsSOD）和干旱响应基因（如OsWRKY47、OsZIP23、OsDREB2、OsNAC066、OsAREB1和OsAREB2）在处理的植物中增加。
多种芽孢杆菌属在与植物互作过程中产生植物生长调节剂，包括赤霉素、ET、脱落酸、细胞分裂素和IAA，对植物生长发育过程有实质性影响。在A. thaliana中，B. subtilis OKB105合成的VOCs可以控制生长素稳态，导致根中生长素水平升高而叶片中生长素水平降低。这种再分配可能能够提供最佳植物生长，因为生长素限制叶片扩展而促进根系发育。已知B. subtilis能够自身产生植物激素。例如，用能产生细胞分裂素的B. subtilis接种生菜植物，显著提高了植物中细胞分裂素浓度并改善了植物生长发育。在八天内，产生细胞分裂素的B. subtilis菌株使生菜生长增强，地上部和根部生物量增加了约30%。在处理和未处理的番茄植株中，B. velezensis、B. megaterium和Herpaspirillum huttiense单独或联合处理均降低了过氧化氢（H
2O
2）和丙二醛（MDA）水平，并增强了抗氧化酶活性。另一项研究中，超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽还原酶（GR）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、脂质过氧化物酶（POD）和H
2O
2含量等酶的产生，以及花生中钾的吸收均受到显著调控。盐分提高了清除活性氧（ROS）的酶活性，而B. firmus J22N、B. tequilensis SEN15N和Bacillus sp. REN51N等内生菌进一步增强了其活性。
**3 芽孢杆菌属作为植物中的BCAs**
众多研究考察了芽孢杆菌属在PGP和作物病害管理中的作用。几种芽孢杆菌属已被鉴定为控制主要作物多种病害的有效BCAs。芽孢杆菌属的应用促进植物生长并抑制细菌、真菌、线虫和病毒病害，同时不造成环境风险。在根际，植物–微生物互作使芽孢杆菌属能够形成生物膜并产生芬净素（fengycin）、伊枯草菌素（iturin）、杆菌霉素（bacillomycin）和表面活性素（surfactin）等次级代谢物，共同抑制植物病原体。芽孢杆菌介导的生物防治涉及直接拮抗、竞争和诱导植物免疫响应的组合，强调了病原体抑制的多面性。此外，芽孢杆菌属在农业研究中被广泛用作有前景的BCAs。
**3.1 细菌病原体的生物防治**
芽孢杆菌属通过直接拮抗和宿主介导的抗性在细菌植物病原体生物防治方面表现出强效。例如，B. velezensis D显著抑制了烟草青枯病病原菌Ralstonia solanacearum，同时在温室条件下增强宿主抗性。类似地，B. velezensis SS-38.4有效定殖甜菜叶际并降低由Pseudomonas syringae引起的病害严重程度，突显了生态适应性在成功生物防治中的重要性。在另一项研究中，产生抗微生物脂肽的B. velezensis MJ23对水稻白叶枯病菌Xanthomonas oryzae pv. oryzae表现出强抗菌活性，破坏病原体细胞膜并抑制生物膜形成。近期基因组和功能研究进一步表明，芽孢杆菌菌株部署多种机制，包括抗生素产生、营养竞争和SR诱导，实现对细菌病原体的广谱抑制。这些发现共同强调，芽孢杆菌属的有效生物防治不仅依赖于AMCs，还依赖于其定殖植物生态位和调控宿主免疫的能力。芽孢杆菌属还通过调控根际微生物组成来抑制病原体。例如，接种B. atrophaeus DX-9增加了Nitrobacter、Agrobacterium和Bradyrhizobium的相对丰度。B. velezensis JZ还通过增加细胞内ROS和降低Ca
2+-ATPase活性来抑制草莓叶斑病病原菌B. altitudinis m-1，而不显著改变细胞膜通透性。在樱桃植株中，芽孢杆菌菌株WY66和WY519诱导与茉莉酸（JA）、ET和水杨酸（SA）通路相关的基因，从而抑制导致冠瘿病的病原菌Agrobacterium tumefaciens。这些发现表明芽孢杆菌菌株采用不同但趋同的机制包括氧化应激诱导、离子转运干扰和植物激素信号来抑制病原体，突显了协调的多靶点作用模式而非单一主导通路。尽管芽孢杆菌接种可以显著影响根际和内生微生物群落组成，当前证据表明许多这些影响是短暂的且高度依赖于环境背景。仍需要跨多个种植周期和作物轮作的长期研究来确定接种诱导的微生物组变化是否持续、可逆或导致土著微生物群落结构和功能的稳定改变。
**3.2 真菌病原体的生物防治**
芽孢杆菌属作为BCAs控制植物中不同真菌病原体。一些芽孢杆菌菌株还能富集有益微生物群落同时减少病原体群体，从而增强植物生长。例如，B. velezensis NT35显著降低了引起人参根腐病和锈腐病的病原体Ilyonectria、Fusarium、Neonectria和Dactylonectria的相对丰度，并促进了包括Luteimonas、Nocardioides、Sphingomonas和Gemmatimonas在内的有益根际细菌。该菌株富集了Sphingomonadales、Sphingomonadaceae和放线菌成员，并在10
7 CFU/mL浓度下抑制I. robusta的菌丝生长达94.12%。在10
4和10
8 CFU/mL浓度下，孢子形成抑制和孢子萌发抑制分别达到100%和90.31%。B. velezensis NT35所观察到的高生物防治效率表明，有效生物防治与病原体抑制和根际微生物重组的同时调控密切相关。这提示群落水平的转变而非单独的直接拮抗在病害抑制中起关键作用。芽孢杆菌属还被发现能有效减少采后病害并调控其基因表达。由Botrytis cinerea引起的灰霉病是番茄的主要病害，芽孢杆菌属在抑制土壤传播真菌病原体方面显示出巨大潜力。芽孢杆菌菌株对引起鹰嘴豆（C. arietinum L.）根腐病、颈腐病和萎蔫病的Rhizoctonia solani、Sclerotium rolfsii和Fusarium oxysporum f. sp. ciceri表现出拮抗活性。B. amyloliquefaciens复合群（B. amyloliquefaciens、B. velezensis、B. nakamurai和B. siamensis）的成员被公认为真菌病害控制的有前景BCAs。例如，B. amyloliquefaciens YN201732产生脂肽，特别是杆菌霉素D和芬净素，有效抑制烟草白粉病病原菌Erysiphe cichoracearum。B. amyloliquefaciens SQ-2在所有测试葡萄品种中抑制超过40%的菌丝生长，在巨峰葡萄中抑制率达53%。扫描电镜分析证实对Aspergillus tubingensis造成严重形态损伤。此外，B. amyloliquefaciens SFB-1通过诱导菌丝肿胀抑制C. fimbriata，在10
8 CFU/mL浓度下完全抑制孢子萌发，并减少菌丝生长81.01%。转录组分析揭示了1164个与细胞壁完整性、膜稳定性、萌发、解毒和氧化应激相关的差异表达基因。对于由Colletotrichum gloeosporioides引起的芒果采后炭疽病，B. siamensis显著降低病害严重程度并改善果实品质，转录组证据表明植物–病原体互作、激素信号和抗性化合物生物合成相关基因的上调。
**3.3 线虫的生物防治**
多种芽孢杆菌属还表现出强杀线虫活性。B. velezensis VB7在96小时后导致96.66%的Meloidogyne incognita幼虫死亡率和87.95%的卵孵化抑制。该菌株通过上调WRKY、LOX、PAL、MYB和PR基因激活MAMP触发免疫。B. velezensis YS-AT-DS1（Bv-DS1）对Meloidogyne incognita表现出杀线虫活性，对二龄幼虫（J2s）的死亡率高达71.62%。Bv-DS1保护植物免受根结线虫（RKN）危害并促进其生长的综合效应可能与通过TIP（液泡膜内在蛋白）控制水分和溶质运输有关。因此，在可持续农业中，Bv-DS1菌株可作为RKN控制的BCAs使用。菌株B. aryabhattai Ba1-7、B. megatherium Ba2-4和B. halotolerans Ba2-6有效控制Heterodera glycines并促进大豆生长，其中Ba2-6通过与SA和JA通路相关的R1、PR3a、PR5和NPR1-2上调诱导SR。B. cereus G5的VOCs对M. graminicola表现出强熏蒸活性，减少瘿形成和线虫群体。VOCs刺激SA（OsNPR1、OsWRKY45和OsPAL1）、JA（OsJaMYB、OsAOS2）和ET（OsACS1）通路中的防御相关基因。诸如苦参碱、莫仑太尔、1-辛烯-3-醇和3-甲基-2-丁醇等化合物表现出强杀线虫活性，其中1-辛烯-3-醇对M. graminicola J2s的LC
50为758.95 mg/L。
**3.4 病毒病害的生物防治**
尽管芽孢杆菌属主要以其抗细菌和抗真菌活性而闻名，但越来越多的证据表明它们也能通过多种直接和间接机制抑制植物病毒病害。其中研究最充分的机制之一是诱导系统抗性（ISR），芽孢杆菌衍生代谢物激活SA、JA和ET信号通路，导致病程相关（PR）基因表达增强和病毒积累减少。据报道，B. subtilis菌株处理显著降低由烟草花叶病毒（TMV）、黄瓜花叶病毒（CMV）和番茄斑萎病毒（TSWV）引起的病害严重程度，通过激活宿主防御响应实现。表面活性素、芬净素和伊枯草菌素等脂肽也通过膜相关信号事件增强植物免疫响应和刺激防御相关代谢物积累而被牵涉到抗病毒防御中。此外，B. amyloliquefaciens和B. velezensis菌株还被证明能增加抗氧化酶活性，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶，从而减轻病毒诱导的氧化应激并限制症状发展。近期转录组研究进一步表明，芽孢杆菌介导的抗病毒活性涉及激素调控防御网络和RNA沉默相关途径的广泛重编程，导致病毒滴度降低和植物韧性增强。除ISR外，几种芽孢杆菌物种产生能够降解病毒RNA分子的胞外核糖核酸酶（RNases），从而干扰病毒复制和系统性运动。在温室试验中，B. subtilis 26D和Tt12通过释放RNases和植物激素增强番茄对马铃薯X病毒（PVX）和马铃薯Y病毒（PVY）的抗性，减少病毒积累，恢复果实产量，并通过激活SA和JA相关基因诱导ISR。它们还调节激素水平，在PVY感染中减少脱落酸积累，在PVX感染植物中增加脱落酸积累，从而改善抗性。这些发现共同证明，芽孢杆菌属通过RNase介导的病毒RNA降解、脂肽触发免疫启动、抗氧化调控和ISR激活的组合来抑制病毒病害，突显了它们作为管理经济上重要植物病毒的可持续生物工具的潜力。然而，随着研究继续，多种基于芽孢杆菌的BCAs已商业化用于控制土壤传播病原体和保护作物，而许多其他产品正在评估中。
**4 芽孢杆菌属合成用于农业应用的次级代谢物**
芽孢杆菌属合成结构多样的次级代谢物，具有广谱抗微生物活性。基于生物合成来源，芽孢杆菌肽类抗生素分为非核糖体肽合成酶（NRPSs）和核糖体合成肽（RSPs）两类。此外，芽孢杆菌属还产生一些抗细菌和抗真菌VOCs。
**4.1 非核糖体肽**
NRPSs如短杆菌肽、短杆菌酪肽、杆菌肽、表面活性素、伊枯草菌素和芬净素，通过多酶硫模板系统产生，选择和缩合氨基酸残基。合成后，这些肽可能进一步经历杂环形成、酰化、糖基化或N-甲基化等修饰。芽孢杆菌脂肽是NRPSs的主要类群，尤其是表面活性素、伊枯草菌素和芬净素家族。表面活性素是一种在3和6位含有D型残基的七肽，在生物防治、食品保藏、医药和环境修复中有应用，尽管商业使用仍受低产量和高生产成本限制。这类抗微生物肽（AMPs）由各种芽孢杆菌属产生，包括地衣菌素、普米拉菌素和WH1fungin。此外，B. subtilis物种产生称为伊枯草菌素类的抗真菌脂肽物质家族，包括伊枯草菌素、杆菌霉素D、杆菌霉素F、杆菌霉素L、抗霉枯草菌素和莫哈文菌素。芬净素是另一类抗真菌脂肽，包括芬净素、果胶菌素和Agrastatin 1，其特征为特定肽序列与C14–C18 β-羟基脂肪酸相连。芬净素通过破坏细胞壁和膜、干扰代谢活动、诱导程序性细胞死亡和自噬以及激活植物防御响应来发挥抗真菌效应。尽管这些脂肽具有两亲性质，它们的膜靶点和作用机制存在实质性差异。表面活性素主要与磷脂双分子层相互作用，通过去污剂效应导致膜不稳定和通透性增加，但通常表现出较弱的直接抗真菌活性。相比之下，伊枯草菌素对含麦角固醇的真菌膜具有强亲和力，在那里它们诱导孔形成、离子泄漏和细胞死亡。芬净素优先与真菌膜磷脂和脂质微域相互作用，导致膜变形和丝状真菌生长中断，同时对大多数细菌膜的影响相对有限。这些膜特异性差异促成了芽孢杆菌脂肽互补的抗微生物谱。
近期研究继续发现新的非核糖体合成脂肽（如Baelezcin A），这是由B. velezensis SJ100083产生的新的环状脂肽（C
52H
91N
7O
13）。使用超高效液相色谱四极杆 orbitrap高分辨质谱（UHPLC-Q-Orbitrap-HRMS）和核磁共振（NMR）的结构确证证实了其组成。Baelezcin A在25 mg/L应用浓度下显著降低由Botrytis cinerea引起的樱桃灰霉病的发病率和严重程度。它导致孢子内ROS积累和菌丝胞质内容物外渗，从而降低孢子萌发率。除脂肽外，还有其他NRPSs。已证明一些B. subtilis和B. licheniformis菌株释放非核糖体肽杆菌肽，抑制革兰氏阳性细菌的细胞壁。B. subtilis、B. amyloliquefaciens和B. pumilus释放的小肽杆菌溶素，其N末端丙氨酸残基和L-反荚膜酸对不同植物病原细菌具有抗菌作用。在铁限制条件下，多种芽孢杆菌属产生杆菌杆菌素和石油杆菌素。Paenibacillus larvae合成的三肽抗生素sevadicin由D-苯丙氨酸、D-丙氨酸和色氨酸通过NRPS编码基因簇合成，表现出抗细菌活性。芽孢杆菌非核糖体合成的膦酸天然化合物成为另一类有前景的商业化农药来源。近期报道了两种新的膦酸，由用于农业的B. velezensis产生。分离和结构解析发现了一种由L-丙氨酸和C末端L-膦酰丙氨酸组成的新型二肽和三肽，被命名为phosphonoalamides E和F。
**4.2 聚酮化合物（PKs）和杂合代谢物**
芽孢杆菌属还产生PKs，一类与RSP相关的抗微生物和抗癌化合物。芽孢杆菌属产生的主要PK化合物包括bacillaene、difficidin和macrolactin。它们具有广泛的结构多样性，通常呈阳离子性。
包括编码聚酮合酶（PKSs）的基因簇在内的基础代谢途径正被日益深入理解。例如，bacillaene由pksX基因簇编码。抗真菌PK basiliskamide由B. laterosporus产生。B. amyloliquefaciens FZB42合成PKs的研究已相当透彻，已鉴定出三个PKS基因簇（pks1、pks2和pks3）。这些簇参与difficidin/oxydifficidin（pks3）、macrolactins（pks2）和bacillaene（pks1，也称为pksX）的生物合成。近期研究报道了芽孢杆菌属产生的新PKs。对B. velezensis MBTDLP1有机提取物的化学研究被表征为模拟大环PK的新型抗微生物剂，对甲氧西林耐药S. aureus表现出潜在抗菌活性（MIC 0.38 μg/mL），优于阳性对照氯霉素（6.25 μg/mL）。芽孢杆菌属产生的RSP抗生素的其他例子包括枯草菌素、ericins、mersacidin和sublancin 168。近期研究表明B. safensis APC 4099是有潜力的BCA。B. safensis APC 4099的基因组研究发现了编码众多AMPs和次级代谢物的生物合成基因簇。特别是，RSP safencin E，一种新型的、阴离子的环状细菌素，分子量为6 kDa，被证明与butyrivibriocin AR10有52.5%的同一性。此外，在B. safensis APC 4099中还鉴定到编码RSPs包括pumilarin和plantazolicin、pumilacidin A、杆菌溶素和杆菌杆菌素的基因簇。作为食品生态系统中针对腐败和病原细菌的BCAs，B. safensis及其生物活性物质 antibiotic物质为解决全球每年13亿吨农产品浪费问题提供了解决方案。
**4.3 挥发性有机化合物（VOCs）**
除非核糖体肽和聚酮化合物外，芽孢杆菌属产生多种VOCs，有助于病原体抑制、植物生长促进和宿主防御响应诱导。与可扩散代谢物不同，VOCs可以通过气相远距离作用，无需直接接触即可与病原体和植物相互作用。芽孢杆菌衍生VOCs主要包括醇类、酮类、醛类、含硫化合物、吡嗪类和芳香族化合物，其中许多来源于氨基酸分解代谢、丙酮酸代谢和脂肪酸降解途径。在最佳特征的VOCs中，乙偶姻（3-羟基-2-丁酮）和2,3-丁二醇通过丙酮酸发酵途径产生。这些化合物通过调控植物激素信号和诱导系统抗性来增强植物生长。B. subtilis产生的VOCs已被证明能增加A. thaliana的生物量积累并改变生长素稳态，从而促进根系发育和胁迫适应。除生长促进效应外，几种酮类、醛类和含硫挥发性物质通过破坏膜完整性、抑制孢子萌发和干扰病原体代谢表现出直接抗微生物活性。近期研究还证明芽孢杆菌VOCs具有杀线虫活性。例如，B. cereus G5产生的VOCs包括1-辛烯-3-醇和3-甲基-2-丁醇，显著降低M. graminicola群体并激活水稻中SA、JA和ET相关防御通路。近期研究报道了B. subtilis中一种新的甲醛脱氢酶，能够解毒对所有生物形式有毒的甲醛，为根际和植物内的其他有益微生物创造有利环境。VOCs共同代表了在芽孢杆菌介导的生物防治中补充脂肽和聚酮化合物的机制上不同的抗微生物代谢物类别。鉴定此类新化合物并了解其有益效应可能开启农业进化的新时代。
**5 提高芽孢杆菌属生物防治效果的策略**
BCAs的实际应用和扩展通常受限于其在田间环境中不一致的防治表现。接种芽孢杆菌属的定殖和功能效率可能受多种复杂动态变量影响，包括土壤性质、植物基因型和土著微生物组。因此，已尝试多种策略来提高其效果。这些包括将细菌分离物与化学药剂（如杀菌剂）联合使用，用拮抗代谢物替代或与BCAs联合使用，以及将芽孢杆菌菌株与有机成分结合制成生物有机肥料。两种新方法是合成让步合成微生物群落（SynCom）和根际衍生益生元，已被汇编用于多层面提高芽孢杆菌属的生物防治效果。
"SynCom"一词描述由少数具有不同功能的菌株组成的群落。设计良好的SynCom与单独BCAs相比可展示更多代谢变异、环境适应能力和更广泛/更强的活性。与单一菌株相比，BCAs B. velezensis BN8.2、Pseudomonas chlororaphis subsp. piscium PS5和Trichoderma virens T2C1.4的共接种显著降低了香蕉枯萎病。近期研究表明，B. velezensis AP197和B. velezensis AP298的特定组合可以提高几种植物病害的生物防治效率。目前，理性SynCom构建通常遵循设计–构建–测试–学习（DBTL）循环，可采用"自上而下"或"自下而上"方法实现。通过物理和功能分析从环境样品中逐步选择关键微生物的过程称为"自上而下策略"。近期研究通过渐进稀释和根沉积物吸引调查，鉴定了减少玉米种子传播Fusarium的主要根际细菌物种。为创建简化的SynCom，使用这些关键菌株构建了包含Bacillus、Burkholderia、Enterobacter、Lysobacter、Stenotrophomonas、Pseudoxanthomonas、Pseudomonas和Acinetobacter属八株菌的细菌联合体，并根据相关研究根据更高的环境稳定性和病害抑制能力进行调整。SynCom在抑制种子传播Fusarium方面比单一菌株和随机生成的微生物群更有效。
五种细菌分离物联盟用于控制Nicotiana attenuata中的真菌病原体，包括P. azotoformans A70、P. Frederiksbergensis A176和Arthrobacter nitroguajacolicus E46与B. megaterium B55和B. mojavensis K1，可能随时间发展改善的生物膜。K1菌株合成抗真菌化合物表面活性素，抑制真菌生长。这些突显了SynCom用于创建具有卓越生态稳定性和生物防治效果的合成微生物组的概念基础。提高芽孢杆菌属生物防治效果的"自下而上"策略旨在微生物水平上优化条件。这包括增强细菌的固有益生系统及其与病原体和植物的相互作用。重要战术包括促进酶和抗生素等有利代谢物的合成、改善养分吸收以及鼓励有益的植物–微生物互作。为创建针对两种Fusarium病原体的"自下而上"SynCom，先前研究从150株细菌分离物中选择了包含B. amyloliquefaciens、Serratia marcescens、P. fluorescens和Rahnella aquatilis的四种菌株联合体。因此，微生物联合体显著抑制了两种Fusarium病原体，其效果持续优于单独分离物。
当直接用于田间时，BCAs作为独特的入侵物种通常无法适应当地土壤基质或与当地微生物群相互作用，导致生物防治效果差和根际定殖无效。某些化学物质可以作为益生元来促进根系定殖和生物防治效率，因为从根系分泌物或根系沉积物发出的特定信号吸引芽孢杆菌属并触发其活性。外部补充L-谷氨酸改变了根际微生物群，增强了草莓花球中的主要类群，同时增加了番茄根际中Bacillaceae、Streptomyces和Burkholderiaceae的比例，显著降低了两种生境中由Botrytis和Fusarium引起的病害。核黄素被确认为多功能益生元，通过刺激Tpb55接种烟草幼苗根系中CAT、POD、SOD和β-1,3-葡聚糖酶的活性，增强B. subtilis Tpb55对由P. nicotianae引起的烟草黑胫病的生物防治效果。资源多样性的增加改变了营养网络结构，增加了微生物均匀性，从而提高了有效病原体管理的可靠性。另一方面，资源多样性低对入侵抗性的影响更加多样且效果较差。因此，高资源多样性带来的优势物种均匀性和连通性的增加大大有助于植物病害抑制。此外，高碳水化合物多样性提升了与植物免疫系统控制相关的微生物过程。
为应对现实挑战，选择或工程化在非生物胁迫下保持功能活性的菌株至关重要。近期研究强调，能够产生稳定脂肽（如表面活性素）和形成 robust生物膜的胁迫耐受芽孢杆菌（如B. subtilis、B. amyloliquefaciens）在干旱、盐度和温度波动下表现出增强的持久性。气候适应性B. velezensis菌株（如TL7、S1）表现出稳定、广谱抗真菌活性、增强的植物生长和环境胁迫韧性，使其高度适合可持续、气候智能型农业，在多变田间条件下保持性能。同时，现代配方策略显著改善了芽孢杆菌BCAs的存活率、货架期和田间持久性。使用海藻酸盐、壳聚糖、卡拉胶和树胶基基质等聚合物进行微胶囊包封保护孢子免受紫外线辐射、脱水和氧化应激，同时实现控释。例如，含B. velezensis的海藻酸盐或天然树胶微胶囊达到高达90%的病原体抑制率并改善了长期货架期使土壤的稳定性。类似地，喷雾干燥包封配方使B. thuringiensis subsp. kurstaki IMBL-B9的孢子存活率提升至95%（相比非包封细胞），并在54 ± 2 °C下保持6周的提高存活率和储存稳定性。使用壳聚糖–卡拉胶的缓释大球系统进一步通过改善细菌持久性和递送效率增强了如大白菜等作物的病害控制。它通过确保逐渐微生物释放和持续代谢物产生进一步改善了持久性，使其特别适合长期田间应用。因此，种子包衣最适合早期季节保护，而微胶囊和缓释系统更适合于改善储存稳定性和在多变环境条件下保持一致的田间性能。这些进展证明配方优化是将实验室效果转化为田间可靠性的核心。此外，将芽孢杆菌BCAs与作物轮作、减少化学投入和有机改良相结合已被证明可提高一致性和长期效果。大规模农业项目，特别是在巴西，证明将多功能芽孢杆菌菌株与农艺管理实践相结合，可增强田间条件下的病害抑制和作物生产力。
**6 芽孢杆菌属作为机会性病原体**
尽管许多芽孢杆菌物种被公认为PGPR和BCAs，但越来越多的证据突显了它们作为植物、动物和人类机会性病原体的潜力。这种双重生活方式反映了芽孢杆菌属内显著的生态和进化可塑性，由遗传多样性、水平基因转移、环境触发因素和宿主–微生物互作驱动。因此，对农业系统中芽孢杆菌的有效评估需要同时理解其有益特性和致病潜力。
**6.1 植物中的生理破坏**
在植物系统中，机会性致病性可能通过芽孢杆菌诱导的生理破坏表现出来，特别是在高接种量、胁迫宿主或免疫响应较弱等有利条件下。据报道，B. pumilus在中国引起甜瓜（Cucumis melo）果实腐烂。2008年韩国仓库中发现洋葱鳞茎细菌性腐烂时，B. amyloliquefaciens被确定为洋葱鳞茎病原菌。从接种洋葱鳞茎中重新分离的细菌产生了与储存中自然感染洋葱观察到的相同腐烂症状。B. altitudinis最近在中国被发现是石榴籽腐病的致病因子。细胞壁降解酶、蛋白酶和磷脂酶等致病决定因子可通过降解结构成分、破坏膜和诱导氧化失衡来损害植物细胞完整性。这种破坏可导致叶绿体超微结构损伤、光合作用受损、脂质过氧化和ROS积累，最终表现为感染组织的坏死病斑或黄化。ROS与宿主抗氧化防御的相互作用塑造病害进展。SOD、CAT和POD等酶的ROS产生超出缓冲能力可加剧组织损伤。相比之下，有益芽孢杆菌菌株通常增强抗氧化能力并启动防御通路，突显不同菌株基因型如何产生不同生理结果。近期进展表明，ROS和活性氮物种（RNS）不仅作为氧化应激指标，还是协调植物免疫响应的中心信号分子。ROS–RNS串扰通过跨越叶绿体、线粒体、过氧化物酶体和质外体的复杂信号网络调控氧化还原稳态、抗氧化酶活性、防御相关基因表达、超敏响应和程序性细胞死亡。在此框架内，芽孢杆菌介导的ROS积累和抗氧化防御调控可被视为整合激素通路、胁迫感知和病原体防御的更广泛氧化还原信号级联的一部分。有益芽孢杆菌菌株通常促进平衡的ROS产生和增强的抗氧化能力，而机会性致病菌株可能触发过度氧化应激和细胞损伤。因此，不同芽孢杆菌物种对宿主氧化还原状态的影响可能反映了它们对最终决定植物抗性或易感性的ROS–RNS信号网络的不同影响。良性菌株和机会性菌株之间应激信号的比较研究加深了研究人员对特定毒力决定因子如何超越宿主防御的机制理解。
**6.2 人类和动物中的机会性病原体**
也有报道几种B. subtilis菌株引起其他生物体疾病。例如，从深海热液喷口分离的B. subtilis G7富含毒力基因，能够杀死鱼类和小鼠。在被认为无害约80年后，B. cereus被认识到是引起肠道和肠外疾病的 human病原体。多种毒素与疾病相关，如孔形成毒素溶血素BL（HBL）和非溶血性肠毒素（NHE）。HBL结合哺乳动物表面受体LITAF和CDIP1，HBL和NHE均导致钾外流并触发NLRP3炎症小体，导致焦亡。B. cereus引起的常见肠道疾病包括腹泻、呕吐和恶心。尽管如此，它还与 immunocompromised宿主的严重感染相关，可导致眼内炎（可能导致失明）和败血症。B. anthracis产生的高抵抗力孢子可传播给 grazing动物并在环境中持续数十年。未凝结血液从天然开口流出以及急性或超急性败血症导致炭疽在没有外在临床症状的情况下引起突然死亡。感染动物、尸体或动物产品通常是人类的感染源。美国疾病控制与预防中心（CDCs）指出，动物突然死亡是常见症状，近期研究报告6354例中有998例死亡。取决于炭疽类型，人类 fatality率有所不同；吸入性炭疽最致命，死亡率高达50%。其他芽孢杆菌属如B. cereus、B. subtilis和B. licheniformis还可引起多种疾病，包括菌血症、败血症、伤口感染和心内膜炎，特别是在免疫受损人群中。一些芽孢杆菌属产生的蛋白质负责分子模拟和逃避宿主免疫系统。鞘磷脂酶（SMases）是细菌和哺乳动物细胞中发现的水解鞘磷脂（SM）的磷酸二酯酶。B. cereus和B. anthracis等病原细菌产生的SMase C是细菌鞘磷脂酶之一，它切断神经酰胺和磷酸胆碱之间的酯键。其催化功能与人类中性鞘磷脂酶2（nSMase2）相同。SMase C促进多种物理和临床活性，包括膜动力学、细胞信号、迁移、定殖、感染初期免疫系统逃避和感染进展。B. thuringiensis以杀虫Cry毒素闻名，但也曾在免疫受损动物和人类中引起机会性感染，表明在某些条件下 host范围可扩展至 target害虫之外。最近被归类为B. cereus生物型 anthracis的菌株通过获得类似于B. anthracis的质粒，作为类炭疽病原体出现。这证实了芽孢杆菌中的毒力可以通过质粒获得和重组来赋予，说明了驱动致病表型的动态基因组可塑性。
**6.3 致病性转变的环境触发因素**
芽孢杆菌中的致病性并非严格由分类学决定，而可能由环境和宿主因素触发。温度胁迫、营养限制和宿主免疫抑制有利于毒力性状的表达。例如，B. cereus中的替代σ因子SigB在热休克和营养胁迫条件下重新编程基因表达以增强存活和潜在的毒力相关特性。群体感应系统响应细胞密度调节毒素和降解酶的表达。铁获取系统和氧化应激响应调控因子（如PerR、SigB）在波动的非生物胁迫下对实现存活和毒力至关重要。环境应激源还可能改变有益和致病结果之间的平衡。例如，在植物干旱或热胁迫下，生理屏障受损，可能促进机会性感染，否则这些芽孢杆菌菌株可能作为有益根际细菌发挥作用。
**7 芽孢杆菌属作为BCAs在植物中的战略选择和安全部署**
芽孢杆菌属作为BCAs在作物保护中的扩展使用需要一个整合基因组安全性、生理性能和环境稳定性的严格选择框架。
**7.1 菌株水平安全评估和选择**
全基因组测序（WGS）已成为安全菌株选择的基石。比较基因组学能够鉴定毒素基因簇如hbl、nhe和cytK、肠毒素操纵子（hblACD、nheABC和cytK）以及与B. anthracis和B. thuringiensis相关谱系的质粒携带毒力决定因子。此外，近缘分类单元内的菌株水平变异要求基于基因组内容而非物种身份进行排除。近期实验工作证明，B. velezensis分离物的菌株特异性表征揭示了功能基因簇的显著差异，支持田间使用前基因组指导选择的需要。有益菌株通常促进抗氧化酶活性（SOD、CAT和POD）并通过JA和ET信号通路诱导ISR。B. subtilis和B. velezensis常见产生的脂肽是抗真菌活性和ISR启动的核心，而不产生宿主毒性。可变温度、渗透压和营养条件下的胁迫响应分析至关重要，因为环境胁迫可能激活某些菌株中潜伏的毒力通路。因此，有益特性在环境梯度上的稳定表达是关键选择标准。应优先选择具有已确立安全和农业性能记录的物种，包括B. subtilis、B. amyloliquefaciens和B. velezensis。这些分类单元以产生抗真菌病原体如Fusarium、Rhizoctonia和Botrytis spp.的AMCs、铁载体和VOCs而闻名。然而，这些物种内的一些菌株也被报道对植物致病。多位点序列分型（MLST）和平均核苷酸同一性（ANI）分析确保准确的分类学定位并防止芽孢杆菌属内的误分类。
**7.2 田间部署和生态监测**
配方技术显著影响效果和生物安全性。芽孢杆菌属通常配制成芽孢因其环境韧性。然而，接种量必须优化以避免生态失衡或意外增殖。包封、载体颗粒和种子包衣配方实现控释和靶向根际定殖。针对土壤传播病原体，局部土壤或种子处理优于广谱叶面施用，可最小化非 target环境的暴露并降低生态风险。田间规模实验证明，确定接种浓度的B. velezensis有效控制 target生物，同时在复杂基质如粪肥系统中保持受控的群体动态。田间部署后的长期环境监测至关重要。土壤微生物群落内的水平基因转移（HGT）可能随时间改变菌株特性。定期重新分离和基因组重新评估可确认遗传稳定性和无获得毒力因子。菌株特异性qPCR等定量分子工具能够精确追踪根际芽孢杆菌群体。例如，近期研究开发了B. velezensis的TaqMan检测系统，可准确定量定殖动态并证明群体稳定性与受控生物防治性能之间的直接关系。这种监测框架对于检测意外增殖或生态失衡并确保长期生物安全至关重要。
**7.3 监管和生物安全合规**
监管微生物生物农药的框架需要毒理学、环境和非 target生物评估。透明的基因组文件、安全检测和可重复的效果数据增强监管批准和公众接受度。在必要时，基因组编辑方法可用于去除不良基因，但必须确保转基因微生物的生物安全法规合规性。
通过遵守既定监管框架实现芽孢杆菌BCAs的 robust生物安全保障，这些框架在商业化和大规模田间部署前评估微生物产品。在美国，美国环境保护署（EPA）根据联邦杀虫剂、杀菌剂和灭鼠剂法案（FIFRA）监管微生物生物农药，将其归类为与生物化学和传统化学农药不同的微生物农药。EPA要求包括菌株鉴定、制造工艺、毒理学（急性口服、皮肤和吸入）、致病性/感染性和环境命运在内的综合数据集。重要的是，微生物制剂如芽孢杆菌属必须接受I级和II级生态风险评估，评估对非 target生物（如传粉者、水生物种）的影响和环境持久性，然后才能注册。类似地，在欧盟，欧洲食品安全局（EFSA）根据法规（EC）第1107/2009号对微生物活性物质进行科学风险评估。EFSA基于分类学特性和生物学特性对微生物BCAs进行分类，要求在菌株水平进行详细表征，包括基于基因组的鉴定、无毒力因子确认和抗微生物耐药性分析。风险评估聚焦于人类健康（毒性、感染性）、环境安全（土壤持久性、扩散）和非 target生物效应，并以实验数据支持。例如，EFSA对B. velezensis菌株的评估强调了排除肠毒素基因和确认现实暴露情景下非致病行为的需求。
这些监管系统采用多层级、证据权重方法，整合实验室检测、基因组数据和田间研究来确定安全性。这些框架确保只有符合严格生物安全和生态兼容性标准的菌株才能获得批准，从而降低与机会性致病性和意外环境影响相关的风险。当前监管框架的一个主要局限性是安全评估主要基于物种，而越来越多的证据表明芽孢杆菌中的致病性和有益性常为菌株特异性且受环境条件影响。因此，未来监管框架应整合基因组风险分析和条件依赖性表型评估，而非仅依赖分类学分类。
**8 结论和未来展望**
芽孢杆菌属代表了可持续植物病害管理的多功能平台，整合抗微生物代谢物产生、微生物组调控和宿主免疫响应激活。分离和应用具有已知生物防治能力的特定芽孢杆菌菌株应用于特定用途，如用于控制水稻R. solani的B. velezensis Y6。然而，田间表现的不一致性和对机会性致病性的新认识凸显了精准菌株选择和生物安全评估的必要性。芽孢杆菌属的安全选择和部署依赖于整合基因组毒力因子排除、生理验证、生态监测和监管合规的多层级策略。认识有益菌株和机会性病原体之间的遗传 proximity，凸显了菌株水平精准性的必要性。
芽孢杆菌BCA发展的一个重要挑战是区分有益菌株与机会性致病近缘菌株。比较基因组分析表明，有益芽孢杆菌菌株通常富集于AMC产生、根际竞争力、生物膜形成和植物生长促进相关的生物合成基因簇，而致病菌株经常携带编码肠毒素、溶血素或其他宿主损伤因子的毒力相关基因。然而，特定基因的有无 alone可能无法可靠预测生态行为，因为微生物表型还受基因调控、环境条件和宿主–微生物互作塑造。因此，基因组筛查应 supplemented by转录组、代谢组和表型表征以确保准确的生物安全评估和菌株选择。CRISPR-Cas9、ZFNs和TALENs等新兴技术可应用于构建工程化芽孢杆菌BCAs以提高效果并实现广谱应用，同时将不良影响降至最低。然而，尽管潜力巨大，基因工程微生物生物防治剂的实际部署仍受许多司法管辖区严格监管要求和公众接受度问题的制约，特别是在欧盟，转基因微生物需接受比常规微生物生物农药 separate且 substantially更严格的审批程序。此外，将基因组挖掘与功能代谢组学联系起来将加速新AMCs的发现。尽管已发现众多潜在抗微生物的 prospective基因簇，其组分尚未被研究且仍未被表征。
除实验室和控制温室实验外的真实世界实验将 greatly帮助理解其能力和真实世界效果，这可能为进一步发展步骤提供启示，以缓解这些挑战并确保安全的BCA发展。芽孢杆菌属中抗微生物生物合成基因簇的表达强烈受环境条件影响，包括土壤水分、温度、pH、营养状态和植物衍生信号。这些因素可通过胁迫响应调控通路和群体感应机制调节生物活性代谢物的产生。因此，环境波动可能影响田间条件下芽孢杆菌介导的病原体抑制的一致性。尽管非生物胁迫可改变细菌生理、定殖动态和次级代谢物产生，但目前有限证据表明有益芽孢杆菌菌株向致病表型转变。未来需要多组学研究来阐明环境应激源如何调控生物合成基因簇表达并影响芽孢杆菌接种剂的生态稳定性和生物防治效果。植物有益与胁迫诱导条件下 individual菌株的同时转录组和代谢组分析，可揭示控制AMC产生、宿主定殖、胁迫适应和毒力相关特性的关键调控开关。由于一些芽孢杆菌菌株也可能对植物和动物致病，使用这些菌株作为BCAs时应采取预防措施。机器学习方法分析特定菌株生理学和基因组学，结合其他多组学方法，将能够恰当利用芽孢杆菌BCAs的基本过程和应用潜力，用于生态友好和可持续的植物病害管理。
尽管目前关于芽孢杆菌–宿主互作的知识主要来自批量转录组、代谢组和生理学分析，但这些方法常掩盖微生物定殖过程中植物组织内存在的 substantial细胞异质性。单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学的最新进展揭示，individual细胞类型在微生物定殖过程中可表现出独特的转录程序、信号响应和免疫状态。这些技术已成功解析了针对细菌、真菌和病毒定殖的细胞类型特异性响应，并发现了使用传统批量分析无法检测的空间协调防御网络。近期综述强调整合单细胞和空间组学如何通过前所未有的 resolution将微生物定殖模式与宿主细胞响应联系起来，从而转变植物–微生物互作的理解。将这些方法应用于芽孢杆菌–植物系统代表了未来有希望的方向，以阐明生态位特异性定殖策略、免疫调控以及区分有益内生菌和机会性病原体的分子决定因素。
