SinI and SinR function differently in biofilm formation, rhizosphere colonization, and biocontrol efficacy between Bacillus velezensis and B. subtilis
SinI和SinR在贝勒泽氏芽孢杆菌与枯草芽孢杆菌的生物膜形成、根际定殖及生物防治效能方面功能存在差异
来源：December 2025 Volume 13 Issue 12 10.1128/spectrum.02186-24
1.摘要
枯草芽孢杆菌和贝勒泽氏芽孢杆菌常作为植物病害生防菌，其生防能力依赖生物膜形成实现根际定殖。在枯草芽孢杆菌中，SinI正向调控生物膜形成、根际定殖和生防效能，SinR则起负向作用。为提升贝勒泽氏芽孢杆菌R9对烟草青枯病的生防效果，研究分别敲除了该菌株的sinI和sinR基因。结果与预期相反，敲除sinR会损害菌株的生物膜形成、根际定殖、植物抗性诱导及青枯病防控能力；而R9ΔsinI菌株相较于野生型R9和R9ΔsinR，生物膜形成、定殖能力和生防效能均显著增强。通过互补实验证实，无论SinI和SinR来源于贝勒泽氏芽孢杆菌还是枯草芽孢杆菌，在R9中均表现为SinI负向、SinR正向调控生物膜形成。与之对比，枯草芽孢杆菌M6中敲除sinI会导致生物膜形成显著下降，且可通过两种来源的sinI互补部分恢复；敲除sinR同样会使M6生物膜形成急剧降低。综上，SinI和SinR在两种芽孢杆菌中对生物膜形成的调控作用完全相反，在贝勒泽氏芽孢杆菌中敲除sinI而非sinR可增强生物膜形成，进而促进根际定殖、植物抗性诱导和病害防控。
2.关键词（中文）
贝勒泽氏芽孢杆菌、sinI、sinR、生物膜、定殖、青枯病
3.研究目的
遗传改良贝勒泽氏芽孢杆菌R9菌株，提升其生物膜形成能力、根际定殖能力及对烟草青枯病的生防效能。
对比SinI和SinR在贝勒泽氏芽孢杆菌R9与枯草芽孢杆菌M6中调控生物膜形成的功能差异，明确两种芽孢杆菌中这两个基因的调控机制。
4.研究思路
首先构建贝勒泽氏芽孢杆菌R9的sinI和sinR基因敲除菌株R9ΔsinI、R9ΔsinR，同时构建枯草芽孢杆菌M6的对应敲除菌株M6ΔsinI、M6ΔsinR；随后构建两种来源（R9和M6）的sinI、sinR基因的互补菌株及异源过表达菌株；通过表型观察、定量分析检测各菌株的生物膜形成能力及生物膜组分含量；利用自动生长曲线分析仪测定菌株生长曲线，结合结晶紫染色检测孢子形成；通过盆栽和田间实验测定菌株的根际定殖能力、诱导植物活性氧积累、防御相关基因表达及防御酶活性的能力；最后评估各菌株对烟草青枯病的田间生防效果，综合分析SinI和SinR在两种芽孢杆菌中的功能差异。
5.研究亮点
首次明确了SinI和SinR在贝勒泽氏芽孢杆菌与枯草芽孢杆菌中对生物膜形成的调控作用完全相反，颠覆了基于枯草芽孢杆菌建立的传统认知。
证实了异源的SinI和SinR在两种芽孢杆菌中仍能发挥与宿主内源蛋白一致的调控功能，表明调控功能的差异源于宿主物种的调控网络而非蛋白本身的结构差异。
成功获得了生防效能显著提升的贝勒泽氏芽孢杆菌工程菌株R9ΔsinI，其对烟草青枯病的生防效率高达81.0%±1.4%，为农业生防菌的遗传改良提供了新靶点和新思路。
系统揭示了生物膜形成能力与根际定殖、植物诱导抗性及生防效能之间的正相关关系，为理解芽孢杆菌生防机制提供了新证据。
6.可延伸的方向
深入探究贝勒泽氏芽孢杆菌中SinI和SinR调控生物膜形成的分子机制，明确其下游靶基因及与其他调控通路（如Spo0A通路）的互作关系。
研究SinI和SinR在其他芽孢杆菌物种（如苏云金芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌）中的功能，验证物种特异性调控机制的普遍性。
对R9ΔsinI工程菌株进行田间应用优化，评估其在不同作物、不同土壤环境下的生防稳定性和生态安全性。
结合多组学技术分析R9ΔsinI菌株的代谢组和转录组变化，挖掘更多与生物膜形成和生防效能相关的关键基因。
探索将sinI敲除与其他生防相关基因改良相结合的策略，进一步提升芽孢杆菌的生防能力。
7.测量的数据及其研究意义
菌株菌落形态和漂浮生物膜表型数据，来自图1A、图3A、图4A、图4C、图5A、图5C、图6A、图6C。意义：直观展示了不同基因敲除、互补及异源过表达对菌株菌落形态和生物膜宏观结构的影响，初步判断基因对生物膜形成的调控作用。
生物膜定量及生物膜组分（胞外多糖EPS、胞外蛋白、γ-聚谷氨酸γ-PGA）含量数据，来自图1B、图3B、图4B、图4D、图5B、图5D、图6B、图6D。意义：定量分析基因操作对生物膜总量及关键组成成分的影响，明确SinI和SinR调控生物膜形成的具体作用靶点。
菌株生长曲线数据，来自图S1A、图S1C。意义：评估基因敲除对菌株生长速率的影响，排除生长差异对生物膜形成和生防效能的干扰。
菌株孢子形成数据，来自图S1B。意义：分析基因敲除对菌株孢子形成能力的影响，孢子形成是芽孢杆菌在环境中存活和定殖的重要保障。
菌株根际土壤和根部定殖能力数据，来自图1C。意义：明确生物膜形成能力与菌株根际定殖能力的相关性，定殖能力是生防菌发挥作用的前提。
烟草青枯病发病率、病情指数及生防效率数据，来自图1D。意义：直接评估不同菌株对烟草青枯病的田间生防效果，验证基因改良的实际应用价值。
植物叶片H₂O₂积累定性（DAB染色）和定量数据，来自图2A、图2B。意义：检测菌株诱导植物产生活性氧的能力，活性氧是植物防御反应的早期信号分子。
植物防御相关基因（NPR1、PR-1、PR-5、Coi1、ETR1、PDF1.2）转录水平数据，来自图2C。意义：分析菌株诱导植物系统抗性的信号通路，明确其调控的关键防御基因。
植物防御相关酶（过氧化物酶POD、多酚氧化酶PPO、过氧化氢酶CAT）活性数据，来自图2D。意义：从酶学水平验证菌株对植物防御反应的诱导作用，防御酶活性直接反映植物的抗病能力。
8.结论
SinI和SinR在贝勒泽氏芽孢杆菌与枯草芽孢杆菌中对生物膜形成的调控功能完全相反：在贝勒泽氏芽孢杆菌R9中，SinI负向调控生物膜形成，SinR正向调控生物膜形成；而在枯草芽孢杆菌M6中，SinI正向调控生物膜形成，SinR负向调控生物膜形成。
异源的SinI和SinR在两种芽孢杆菌中仍能发挥与宿主内源蛋白一致的调控功能，表明调控功能的差异是由宿主物种的调控网络差异导致，而非蛋白本身的结构差异。
贝勒泽氏芽孢杆菌R9中敲除sinI基因可显著提升菌株的生物膜形成能力，增加EPS和胞外蛋白的含量，进而增强其根际定殖能力、诱导植物系统抗性的能力及对烟草青枯病的生防效能，R9ΔsinI菌株的生防效率可达81.0%±1.4%。
敲除sinR基因会显著降低贝勒泽氏芽孢杆菌R9的生物膜形成能力、根际定殖能力和生防效能，因此sinR是R9生物膜形成和生防作用的正调控因子。
芽孢杆菌的生物膜形成能力与其根际定殖能力、诱导植物抗性能力及生防效能呈正相关，生物膜是芽孢杆菌发挥生防作用的重要基础。
9.芬兰Bioscreen仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义
本研究使用芬兰Bioscreen C MBR自动生长曲线分析仪在37℃下连续48h测定了各菌株在LB液体培养基中的OD600值，绘制生长曲线，数据来自图S1A和图S1C。其研究意义主要体现在以下几个方面：
排除生长差异的干扰：通过生长曲线分析发现，R9ΔsinI和R9ΔsinR菌株的生长均比野生型R9更旺盛，而M6ΔsinI生长优于野生型M6，M6ΔsinR生长弱于M6。这表明R9ΔsinI生物膜形成的增强并非由于生长速率的提升，而是基因调控直接导致的生物膜相关通路激活；同时也说明sinR敲除对R9和M6生长的影响不同，进一步印证了两种芽孢杆菌中基因功能的差异。
为后续实验提供时间参考：生长曲线明确了各菌株的对数生长期、稳定期等关键生长阶段，为生物膜形成实验、定殖实验、诱导抗性实验等的取样时间点选择提供了科学依据，确保实验在菌株生理状态一致的条件下进行。
评估基因操作对菌株适应性的影响：生长曲线反映了菌株在实验室培养条件下的整体生理状态和适应性，结果显示sinI和sinR敲除并未导致菌株生长缺陷（除M6ΔsinR外），说明这两个基因的敲除不会显著影响菌株的基本代谢和生存能力，为工程菌株的田间应用提供了安全性基础。
辅助解释孢子形成差异：结合生长曲线和孢子形成数据（图S1B），可以发现R9ΔsinI虽然生长旺盛，但孢子形成过程中细胞仍保持连接状态，表明sinI基因可能参与调控芽孢杆菌的细胞分裂和孢子形成过程，为全面理解SinI的生物学功能提供了线索。