菊花，作為兼具觀賞與藥用價值的重要經濟作物，在全球范圍內廣受歡迎。然而，在其栽培過程中，一種名為枯萎病的病害常如“隱形殺手”般肆虐，其元兇尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)能導致植株萎蔫、黃化甚至死亡，造成嚴重的產量與品質損失，帶來巨大的經濟損失。目前，對于菊花枯萎病的防治，主要依賴于化學殺菌劑。但長期大量使用化學農藥，不僅導致病原菌產生抗藥性，還會造成農藥殘留、土壤生態惡化和食品安全等問題，亟待尋找更安全、可持續的解決方案。生物防治劑以其對人類安全和環境友好的特性，成為近年來研究的熱點。其中，芽孢桿菌(Bacillus)屬因其能分泌多種抑制植物病害并促進植物生長的化合物，被視為農業領域最具潛力的生防菌屬之一。盡管芽孢桿菌在多種作物病害的生物防治中已被廣泛研究，但針對其防治菊花枯萎病的深入探索仍顯不足。因此，發掘高效、兼具促生功能的生防菌株，并闡明其作用機理，對于推動菊花的綠色、無公害生產具有重要的理論與應用價值。近期，一篇發表在《Biological Control》上的研究論文，為我們帶來了一株具有強大潛力的“植物守護者”——貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus velezensis) HSX-1，并系統揭示了其對抗菊花枯萎病的“多重武器”。

為了探究HSX-1菌株的生防潛力與作用機制，研究人員采用了多種關鍵技術方法。首先，從健康菊花植株根部分離內生細菌，并通過與病原菌的共培養進行初篩，確定了抑菌效果最強的HSX-1菌株。其次，通過測定無細胞上清液對病原菌菌絲生長和孢子萌發的影響，評估其抗菌活性。接著，利用全基因組測序對HSX-1進行物種鑒定，并分析其編碼次級代謝物和水解酶的相關基因簇。同時，通過表型實驗檢測了該菌株產吲哚-3-乙酸和鐵載體的能力。在活體水平，通過離體葉片接種試驗和盆栽試驗，驗證了HSX-1對菊花枯萎病的防治效果及促生長作用。為深入解析其抑菌分子機制，研究人員對經HSX-1無細胞上清液處理的病原菌進行了轉錄組測序分析，并結合碘化丙錠和DCFH-DA染色，從細胞膜完整性和活性氧積累兩個層面探究了其作用靶點。研究樣本中的HSX-1菌株和病原菌尖孢鐮刀菌均于2024年秋季采集自中國黃山市的菊花植株。

研究人員首先從患病的菊花中分離并分子鑒定了病原菌尖孢鐮刀菌。通過對菊花健康根部內生芽孢桿菌的初篩，發現菌株HSX-1對該病原菌表現出最強的拮抗活性。離體拮抗試驗表明，HSX-1能有效抑制病原菌生長。具體而言，對峙培養試驗顯示，HSX-1可抑制病原菌菌絲生長高達65.52%。HSX-1的無細胞上清液同樣表現出強抗真菌活性，15%濃度的上清液處理可抑制病原菌菌絲生長63.47%，并顯著抑制尖孢鐮刀菌孢子萌發達63.13%。這些結果初步表明菌株HSX-1具有抑制尖孢鐮刀菌的優異潛力。相關實驗數據直觀展示在中。

為了從遺傳基礎上理解HSX-1的生防能力，研究人員對其進行了全基因組測序。HSX-1的完整基因組大小為3,975,832 bp，GC含量為46.25%，包含3,875個蛋白質編碼基因。通過系統發育分析，確定HSX-1與貝萊斯芽孢桿菌親緣關系最近，從而將其鑒定為貝萊斯芽孢桿菌。利用antiSMASH工具分析發現，HSX-1基因組中包含16個與次級代謝物合成相關的基因簇，包括負責生產表面活性素、豐原素、桿菌溶素、桿菌桿菌素等已知抗菌物質的基因簇，以及四個與已知簇相似性不高的基因簇，表明其可能具有合成新型抗菌化合物的遺傳潛力。此外，基因組分析還發現HSX-1編碼了127個碳水化合物活性酶基因，包括幾丁質酶、內切-β-1,4-葡聚糖酶、內切-β-1,3–1,4-葡聚糖酶和肽聚糖裂解酶等水解酶基因，提示其具備通過降解真菌細胞壁來抑制病原菌生長的能力。基因組環形圖譜與系統發育樹見。

許多芽孢桿菌能夠產生植物生長激素吲哚-3-乙酸(IAA)以促進植物生長。本研究發現，HSX-1菌株具備產生IAA的能力。結晶紫染色顯示HSX-1具有優異的生物膜形成能力。此外，在鉻天青S瓊脂平板上，菌落周圍出現橙黃色暈圈，表明HSX-1能夠合成鐵載體。鐵載體能夠螯合根際鐵元素，減少病原菌對鐵的利用，同時促進植物對鐵的吸收和利用，從而保護植物免受病原菌侵襲。值得注意的是，基因組分析揭示HSX-1含有一個桿菌桿菌素合成基因簇，這是一種由某些芽孢桿菌產生的鐵螯合化合物。這些發現共同證明菌株HSX-1具有優秀的植物促生長潛力。相關表型實驗結果展示于。

研究人員通過離體葉片試驗評估了HSX-1菌株對尖孢鐮刀菌的生防功效。結果顯示，與僅接種病原菌的對照組相比，同時接種HSX-1菌懸液和病原菌菌絲塊的葉片，其病斑直徑顯著減小。盆栽試驗進一步證明，HSX-1處理使病害嚴重度降低了94.74%，顯著減輕了尖孢鐮刀菌在菊花上引起的癥狀。僅接種病原菌的植株出現嚴重的萎蔫癥狀，而同時用HSX-1和病原菌處理的植株病害癥狀明顯減輕。此外，HSX-1還能顯著促進菊花生長。接種HSX-1的植株在所有處理組中生長最佳，其地上部分長度比對照增加了112.5%。即使在病原菌挑戰下，經HSX-1處理的植株也比僅感染病原菌的對照植株生長得更好。這些結果凸顯了HSX-1在防治尖孢鐮刀菌以及促進菊花生長方面的強大潛力。生防效果與促生長作用見。

為闡明HSX-1拮抗尖孢鐮刀菌的作用機制，研究人員研究了其無細胞上清液對活性氧積累和細胞膜完整性的影響。活性氧穩態在真菌發育和侵染寄主植物過程中起著關鍵作用。通過DCFH-DA染色檢測發現，與對照組相比，經HSX-1無細胞上清液處理的真菌樣品顯示出更強的綠色熒光信號，表明HSX-1誘導了尖孢鐮刀菌細胞內活性氧的積累，可能導致氧化應激和細胞死亡。同時，碘化丙錠染色評估了HSX-1對尖孢鐮刀菌細胞膜完整性的影響。結果顯示，經上清液處理的真菌樣品表現出強烈的紅色熒光，而對照組未檢測到熒光，表明HSX-1的無細胞上清液破壞了尖孢鐮刀菌的細胞膜完整性。這些細胞層面的表型證據見。

為了從分子層面解析HSX-1的拮抗機制，研究人員通過轉錄組測序比較了經HSX-1無細胞上清液處理和未處理真菌樣品的基因表達譜。差異表達基因分析顯示，處理組共有4899個基因表達發生顯著變化，其中2317個基因上調，2582個基因下調。qRT-PCR驗證了隨機選擇的10個差異表達基因，結果與RNA-seq數據一致。基因本體富集分析表明，上調基因顯著富集在有機氮化合物生物合成過程、翻譯、肽生物合成過程等；而下調基因則顯著富集在跨膜運輸、膜、氧化還原酶活性、過氧化物酶體膜運輸等方面。京都基因與基因組百科全書通路分析進一步顯示，上調基因顯著富集在核糖體、氨酰-tRNA生物合成、氧化磷酸化等通路；而下調基因則顯著富集在氮代謝、乙醛酸和二羧酸代謝以及過氧化物酶體通路。這些轉錄組學分析結果揭示，菌株HSX-1通過破壞細胞膜完整性、氧化還原酶活性和過氧化物酶體功能等多重細胞功能來抑制尖孢鐮刀菌。詳細的轉錄組分析結果匯總于。

本項研究成功分離并鑒定了一株新的貝萊斯芽孢桿菌菌株HSX-1，證實其是防治菊花尖孢鐮刀菌枯萎病的一種高效生防制劑。該菌株通過多種協同機制發揮強大的抑菌作用：其產生的次級代謝物（如表面活性素、豐原素、桿菌溶素）和水解酶（如幾丁質酶、β-葡聚糖酶）直接攻擊病原菌；通過破壞病原菌的細胞膜完整性，導致內容物泄漏；誘導病原菌細胞內活性氧過度積累，引發氧化損傷；并干擾其關鍵的代謝通路，如乙醛酸和二羧酸代謝以及過氧化物酶體功能，從而削弱病原菌的毒力。同時，HSX-1還展現出優秀的植物促生特性，能夠合成吲哚-3-乙酸和鐵載體，并形成生物膜，這有助于其在根際定殖并促進菊花植株生長。盆栽試驗證實，HSX-1不僅能有效降低病害嚴重度，還能顯著促進菊花生長。

這項研究的創新性和重要意義在于：首先，它為解決菊花枯萎病這一生產難題提供了一種高效、環保的生物防治新選擇，有助于減少對化學農藥的依賴。其次，研究從基因組、轉錄組、表型等多維度系統闡明了HSX-1菌株“抑菌”與“促生”的雙重作用機制，為深入理解貝萊斯芽孢桿菌的生防功能提供了新的見解。最后，該研究鑒定的潛在作用靶點（如細胞膜完整性、活性氧清除系統、過氧化物酶體通路等）為未來開發針對尖孢鐮刀菌的新型殺菌劑或生防工程菌提供了重要的分子靶標和理論依據。綜上所述，貝萊斯芽孢桿菌HSX-1展現出了作為兼具病害防治與植物促生功能的“多面手”微生物制劑的巨大應用潛力，為菊花乃至其他作物的可持續農業實踐奠定了堅實的基礎。