近日，海角网 黄勇平教授、李泽晖副教授与农业与生物学院侯英楠副教授合作开展研究，在有机废弃物循环利用与农业绿色生物防控交叉领域取得重要进展，研究发现黑水虻幼虫肠道细菌是虫沙抑病功能的重要来源之一。团队根据菌株间的互作关系，构建了由8株细菌组成的合成微生物群落（Synthetic community，SynCom），并通过马铃薯盆栽试验评估其对黑痣病的防控效果及对晚疫病病原丰度的影响。研究为开发微生物生防资源、探索减少化学杀菌剂使用、发展循环农业提供了研究依据，也为有机废弃物资源化利用与植物病害防控相结合提供了新思路。相关成果以“Black Soldier Fly Gut Microbiota as a Green Alternative to Chemical Fungicides: Broad‑Spectrum Biocontrol and Implications for Reducing Fungicide Environmental Loading”为题，在线发表于《Environmental Science & Technology》。
研究背景
植物病害是影响农作物产量的重要因素，可造成全球20-
黑水虻可将有机废弃物转化为可利用的资源，其转化副产物虫沙已被报道具有植物病害抑制潜力。然而，虫沙抑病功能的微生物来源及作用机制尚不明确，制约了相关生防资源的定向开发与规模化应用。此外，传统单一生防菌株在实际应用中可能面临定殖能力不足、防效不稳定等问题。针对这些问题，研究团队从黑水虻虫沙中挖掘有益微生物资源，分析菌株间的互作关系，构建合成菌群，并进一步研究其抑病效果与作用机制。
核心观点
从功能菌株筛选到合成菌群构建
组分分离实验证实，黑水虻虫沙对马铃薯黑痣病和晚疫病具有抑制效果，其抑病活性主要与其中的细菌及其代谢产物有关，而非虫沙基质。
图1 黑水虻虫沙的病害抑制效果及细菌代谢产物的抑制活性
无菌幼虫对照实验进一步证明，黑水虻幼虫肠道细菌是虫沙抑病功能的重要来源，并非饲喂底物，为从虫沙中筛选功能微生物提供了依据。
图2 黑水虻虫沙中抑制病原体的功能细菌来源分析
团队发展了双相筛选策略，分别考察菌株通过挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）和液相次级代谢产物（liquid-phase secondary metabolites，LMs）产生的抑菌活性，从虫沙中筛选得到17株具有植物病原体拮抗能力的候选菌株。随后，团队通过代谢物交叉饲养判断菌株间的生长促进与抑制关系，排除存在广泛竞争拮抗作用的菌株，选择8株相互兼容、存在协同增益效应的菌株构建SynCom。生长曲线结果表明，在所测培养条件下，该合成菌群的整体生长表现优于随机组合菌群与单一菌株，菌群内部形成协同互利关系。
图3 菌株间互作分析与SynCom的构建
盆栽验证试验区分病害防效与病原体丰度变化
马铃薯盆栽试验显示，SynCom对黑痣病的防效为68%±17%，与直接施用虫沙的防控效果相当。针对晚疫病试验，SynCom处理使根际致病疫霉丰度降低64%±13%，显著优于虫沙处理的降幅48%±15%。研究还发现，SynCom处理可提升马铃薯鲜重，对株高、干重无负面影响。与成分复杂、可能存在批次差异的原始虫沙相比，SynCom的菌株组成明确，便于进一步开展功能溯源、机制研究与定向性能优化。
图4 SynCom及功能菌株对马铃薯病害和相关病原体指标的影响
挥发性与液相代谢物发挥互补作用机制
平板功能实验表明，SynCom可通过挥发性与液相代谢物两种互补的作用方式抑制病原体。VOCs通过气相扩散发挥非接触抑制作用，伴随菌丝表面粗糙、膨压丧失等变化；LMs作用于菌丝后，可引起菌丝明显扭曲和断裂。代谢组分析鉴定出苯乙烯等关键VOCs抑菌物质，以及表面活性素、放线菌素D、尿囊素等LMs，为理解菌群抑制病原真菌、卵菌作用提供了线索。
图5 挥发性与液相代谢产物中抑制病原体的活性物质分析及验证
研究意义
本研究揭示了黑水虻幼虫肠道细菌对虫沙抑病功能的重要贡献，基于菌株间互作关系构建合成微生物生防菌群，并从挥发性与液相代谢物两个方面解释其抑制病原体的作用方式。体外试验和马铃薯盆栽试验结果显示了相关微生物资源的生防潜力，为探索化学杀菌剂减量或绿色补充方案提供了潜在研究依据，也为有机废弃物资源化利用与农业病害管理相结合提供了参考。
图6 人工合成微生物群落生物防治作用机制示意图
研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市科学技术委员会项目的大力支持。
文章链接：//doi.org/10.1021/acs.est.6c03586
作者简介
海角网 2023级博士生任雨冬、农业与生物学院2023级博士生刘文诚为论文共同第一作者，海角网 海角网 黄勇平教授、李泽晖副教授及农业与生物学院侯英楠副教授为共同通讯作者。第一完成单位为海角网 。合作单位包括上海中侨职业技术大学。