近日，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士团队LorMe实验室在高效消减土壤生物障碍的有益工程菌群构建方面取得重要进展，成果以《Engineering multifunctional rhizosphere probiotics using consortia of Bacillus amyloliquefaciens transposon insertion mutants》发表于《eLife》。该研究利用有益菌转座子突变株构建工程菌群，明确菌群多样性和多功能性对菌群功能发挥的影响，为合成菌群的构建提供新思路。
概览：
尽管大量研究发现提高有益菌多样性有利于根际微生物群落功能的发挥，但多物种菌剂在实际应用过程中往往很难达到预期的效果。造成这一现象的潜在原因之一是不同物种之间复杂的相互作用会限制菌株的生存能力和功能发挥。为了解决这一问题，本研究以能够拮抗病原青枯菌的解淀粉芽孢杆菌T-5为研究对象，利用转座子插入诱变来增加其物种内部的表型多样性，探究是否能通过使用亲缘关系相近但表型不同的突变株构建工程菌群来提升生防效果。
主要结果：1.转座子插入影响有益菌解淀粉芽孢杆菌T-5特性及功能发挥
首先选择了具有代表性的479株突变株对其生长、群游、生物膜、拮抗物质4个特性进行测定，发现特性之间存在权衡关系（图1A-B）。通过K-means聚类分成的3组突变株在特性上具有显著差异（图1C-D）。根据这一结果进一步选择了47株代表性的突变株，通过温室试验发现这3组突变株在功能发挥上也有所不同：组1的突变株的根际定殖和抵御病原菌入侵能力显著优于其他两组（图1E-F），但与野生型相比，大多数突变株功能发挥受到了负面的影响（图1E-F）。
图1 转座子插入对有益菌解淀粉芽孢杆菌T-5特性及功能发挥的影响
2.有益菌突变株的特性决定其生防效果
为了探究突变株生防功能发挥是否与其特性相关，对上述47个代表性的突变株在5、15和30 dpi时根际的定殖数量和番茄的发病率进行了检测。结果表明，不同的特性在番茄生长的不同阶段发挥着作用。此外，还发现突变株的多功能性（四个特性的平均表现）在30 dpi时与根际定殖和抑病能力呈显著正相关，并且与单一特性相比能更好地解释突变株的功能发挥情况。
3. 工程菌群的丰富度与多功能性决定其生防效果由于特性之间的权衡关系，本研究尝试通过构建工程菌群来改善有益菌的生防能力。首先选择了8株仅在单一特性上优于野生型的突变株，构建了37个丰富度为1、2、4或8的工程菌群，发现除了产拮抗物质这一特性外，无法通过单菌的数据来预测工程菌群的特性。进一步分析发现工程菌群丰富度和菌群多功能性（四个特性的平均表现）与根际定殖数量和番茄发病率显著相关。
为了检验多样性效应是否是由工程菌群的多功能性驱动的，本研究随机构建了8个丰富度为8的的工程菌群，将它们与上述试验中优化的丰富度为8的工程菌群进行了比较。结果发现，优化的工程菌群能更加有效地在根系定殖并抵御病原青枯菌入侵。并且，在丰富度相同且为8的情况下，工程菌群的根系定殖和抵御病原青枯菌入侵能力随着工程菌群多功能性（基于四个特性计算得到的菌群相对野生型的距离）的增加而提高。
总结：
本研究结果表明，由转座子突变导致的细菌某一特性的提高往往使得其他特性降低。而使用构建工程菌群这一手段可以克服这种在单个基因型水平上表现出的特性权衡。并且，工程菌群的丰富度和多功能性与其根系定殖和抵御病原菌入侵能力呈正相关。此外，在丰富度相同的情况下，多功能性高的工程菌群抑病力更强。这些研究结果表明，增加有益菌的种内表型多样性可以作为改善有益菌群功能的有效途径。