科研 | EM：从青藏高原分离的冷适应芽孢杆菌能够在极端环境中促进植物生长
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本文研究人员从青藏高原的不同地点采集了近1400株在植物根际生长的芽孢杆菌菌株。根据其生物防治活性筛选得到的45株分离株在基因组测序后，其分类学鉴定显示它们包括枯草芽孢杆菌物种复合物（20）和蜡状芽孢杆菌组（9）。剩下的大多数菌株与短小芽孢杆菌密切相关，但它们的ANIb和dDDH值排除了进一步的分类学鉴定。通过挖掘45种菌株的基因组，检测到总共45种不同的基因簇参与次级代谢物的合成。除了8个嗜温菌株外，其余37个菌株具有冷适应或嗜冷特性，能够在10℃及以下繁殖（Bacillus wiedmannii NMSL88和Bacillus sp. RJGP41）。在10℃条件下对冬小麦幼苗进行盆栽试验，结果表明在低温条件下，短小芽孢杆菌、 B. safensis 和B.atrophaeus等具有冷适应的菌株均能促进幼苗生长，意味着这些从寒冷环境中分离出来的杆菌有助于开发可用于可持续农业的生物制剂。
论文ID
原名：Cold-adapted Bacilli isolated from the Qinghai-Tibetan Plateau are able to promote plant growth in extreme environments
译名：从青藏高原分离的冷适应芽孢杆菌能够在极端环境中促进植物生长
期刊：Environmental Microbiology
IF：5.147
发表时间：2019
通信作者：Rainer Borriss; Xuewen Gao
通信作者单位：Institute of Marine Biotechnology e.V.(IMaB); 南京农业大学
实验设计
1.芽孢杆菌菌株的取样
从青藏高原不同地点采集植物根际土壤样本。每个样品(10g)悬浮在90 ml无菌蒸馏水中，37℃振荡30 min之后，80℃加热10 min以富集芽孢杆菌。经过热击处理后，将样品连续稀释5倍然后在固体LB培养基上培养。37℃孵育15h，再划板培养直到获得纯克隆，随后经革兰氏染色和芽孢染色后将纯菌株保存于-80℃的甘油培养液中。
2.基因组测序和序列分析
选择生长在LB琼脂平板上的新鲜培养菌落进行基因组分析。基因组DNA采用QIAamp DNA minikit提取，测序在LGC Genomics Illumina MiSeq version 3测序平台上进行。
3.比较基因组分析
比较基因组分析使用EDGAR 1.3软件进行。构建该项目的系统发育树。EDGAR软件也被用来计算平均核苷酸标识(ANI)矩阵。利用JSpecies WS (http://jspecies.ribohost.com/jspeciesws/)通过成对基因组的比较，确定BLAST (ANIb)和ANIm(基于MUMmer的平均核苷酸标识)值的平均核苷酸标识值。使用DSMZ (http://ggdc.dsmz.de)提供的基因组到基因组距离计算器(GGDC)2.1版进行基于基因组的物种描述。
4.不同温度下芽孢杆菌株的生长
为了评价芽孢杆菌的冷适应性，我们将芽孢杆菌菌株接种在常规的37℃ Luria-Bertani (LB, pH 7.0)固体培养基上。在摇床上以200 rpm的速度震荡12小时后获得单克隆。然后取5μl包含1.0×106 CFU/L的细菌菌液接种到固体培养基中（蛋白胨 7g/L, NaCl 5g/L,豆粕 3g/L , 0.1%葡萄糖, 10% 土壤滤液, 1.5% 琼脂）。分别在4℃、10℃、14℃、37℃、45℃、50℃培养。培养1-5天后，观察菌株的生长状况。每一处理重复三次。
5.植物生长促进试验
采用透明种子萌发袋(180 mm x 125 mm, Plant totc TM)，在正常温度和低温条件下，在两种不同的体系中对芽孢杆菌菌株的促生长活性进行了测定。南京46号水稻种子表面消毒之后，浸没到2mL的菌液中12h，然后分别转移到种子萌发袋中。每个袋子内含10mL无菌水与10粒种子，然后放入培养箱在28℃下培养14天，设置三次重复。冬小麦种子Jimai22的前处理同南京46号，放入培养箱在10℃下培养14天，设置三次重复。14天后测定小麦株高，根长和鲜重。
6.芽孢杆菌对植物病原菌的拮抗活性评估
选用（细菌）水稻性条斑病菌，（细菌）棉花黄萎病菌，（真菌）小麦赤霉病菌和（卵菌）辣椒疫霉菌作为植物病原菌进行芽孢杆菌拮抗试验。将芽孢杆菌菌株在37℃、180 rpm恒定振荡下培养16 h，用108 CFU/ml浓度的悬液用琼脂扩散法进行拮抗活性测定。通过体外双重培养分析测试抗真菌和抗卵菌活性。
7.芽孢杆菌对水稻性条斑病菌抗性的影响
为研究不同菌株对植物病原菌的影响，以水稻幼苗为材料进行盆栽试验。将200 mL芽孢杆菌悬液(107 CFU/ml)倒入40日龄的水稻(南京46号)盆栽中。200 mL蒸馏水进行对照。24 h后，每株植株3片叶片接种条斑病菌PXO99A。接种后14天对叶枯病的严重程度进行评估，并根据病变的长度评估诱导抗性。
结果
1 菌株的分离及其表型特征
来自植物根际的样本取自青藏高原的16个不同地点，海拔在2788至4780米之间，年平均气温在1.7°至9.8°C之间。使用需氧培养去除在低温环境中广泛存在的梭菌。我们筛选了1388株对（细菌）水稻性条斑病菌和（真菌）小麦赤霉病菌有拮抗活性的菌株（图S1）。之后采用rep-PCR（BOX-PCR和ERIC-PCR，图S2和图S3）研究311种菌株的基因型多样性。随后，选择显示不同BOX-PCR和ERIC-PCR谱的150株进行表型特征的分析。大多数菌株（113）在VogesProskauer反应中表现阳性。这些菌株大多数属于枯草芽孢杆菌的复合物（例如枯草芽孢杆菌和短小芽孢杆菌）和蜡状芽孢杆菌。16S rRNA测序（图S4）显示，分离的菌株可以分为五类，即枯草芽孢杆菌，B. axarqiensis（现在更名为B. halotolerans）和解淀粉芽孢杆菌（A类），地衣芽孢杆菌（B类），萎缩芽孢杆菌（C类），短小芽孢杆菌组（D类）和蜡状芽孢杆菌组（E类）。从这150个菌株中选择有强烈拮抗活性的45个菌株用于全基因组测序和进一步分析。
2 核心基因组对45株菌株进行分类学分类
采用邻接（NJ）树状图（图1A）和近似最大似然系统发育树中区分了几个单系群（图1B）。大多数菌株属于枯草芽孢杆菌的复合物，主要由由枯草芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌和短小芽孢杆菌组成。除此之外，还鉴定出来了一些萎缩芽孢杆菌, 耐盐芽孢杆菌,天鹅绒芽孢杆菌,一种解淀粉芽孢杆菌以及一种副地衣虫芽孢杆菌。另外，共有22种菌株属于短小芽孢杆菌类别。大部分属于蜡状芽孢杆菌组，而菌株RJGP41属于B. simplex，且能在低温环境如4℃条件下正常生长。
为了更准确地分析它们与适当类型菌株基因组的分类学关系，使用了不同的系统发育学方法。ANIb和dDDH是基于基因组的物种描绘最重要的参数。推荐的物种截止值，ANI约为96％，dDDH值> 70％被定义为物种描绘的阈值。通过应用这些参数，我们可以将29个菌株分配给以下物种：枯草芽孢杆菌（2），萎缩芽孢杆菌（5），耐盐芽孢杆菌（3），天鹅绒芽孢杆菌（2），B. paliclichenis（1）， 短小芽孢杆菌（5），B. safensis（1），B. zhangzhouensis（1），苏云金芽孢杆菌（2），香椿芽孢杆菌（1）和B. wiedmannii（6）（表2）。大多数菌株（15株）与短小芽孢杆菌有关，但其ANIb和ANIm值介于94.95-95.73％之间，略低于菌株短小芽孢杆菌 ATCC7061T的物种阈值。
3 具有拮抗活性的基因簇
在MIIBiG数据库中识别出20个已知基因簇（BGCs）。抗糖化酶预测的次生代谢产物基因簇由三个反式AT聚酮合成酶簇（反式AT-PKS）、一个T3-PKS基因簇、三个杂交T1-PKS/NRPS-BGC、十三个非核糖体肽合成酶簇（NRPS）、四个铁蛋白载体、两个未知萜烯和四个未知萜烯组成。参与合成已知（图4a）和未知（图4b）次级代谢产物的基因簇的代表性选择如图4所示。某些BGC的出现明显与分类群有关（图3）。脂肽和聚酮类的非核糖体合成在大多数杆菌中很常见。聚酮类杆菌是由一个混合的PKS-NRPS基因簇编码的，该基因簇首先在B.amyloiquefaciens FZB 42中检测到。枯草芽孢杆菌、萎缩芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌和天鹅绒芽孢杆菌的代表都含有这个巨大的基因簇，其覆盖面积超过70kb。相比之下，其他聚酮类杀菌剂和大内酰胺的存在仅限于天鹅绒杆菌，这表明这两个基因簇的出现是物种特有的。大内酰胺和杀螨素可能是天鹅绒杆菌的系统发育标记。
与I型PKSs相比，III型PKSs反复催化引发、延伸和环化反应，形成聚酮产品。在枯草芽孢杆菌中，bspA-bspB操纵子的基因产物参与了三酮类化合物的合成。在淀粉样变支原体DSM7T和天鹅绒芽孢杆菌FZB42的基因组中也检测到III型PKS。我们在大量菌株中检测到编码基因簇的III型PKS（查尔酮合酶），但在蜡样芽孢杆菌组中没有检测到（图3）。
由非核糖体肽合成酶（NRPS）合成的环脂肽可分为伊图林、风琴素和表面活性素家族。在萎缩性枯草芽孢杆菌和天鹅绒芽孢杆菌芽孢杆菌中检测到专门用于伊枯草素合成的基因簇（枯草杆菌素、杆菌霉素），但在耐盐性枯草芽孢杆菌和耐盐性枯草芽孢杆菌中未检测到。
凤霉素和与之密切相关的大侧柏酸是具有很强抗真菌活性的十肽。除短小芽孢杆菌外，在枯草芽孢杆菌物种复合体中常见，在枯草芽孢杆菌、萎缩芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌、天鹅绒杆菌和副地衣芽孢杆菌中检出。
表面活性素家族的成员包括由与枯草芽孢杆菌密切相关的菌株产生的表面蛋白，以及由地衣芽孢杆菌产生的地衣菌素。如预期的那样，我们在枯草芽孢杆菌、萎缩芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌和天鹅绒芽孢杆菌中检测到与表面蛋白非核糖体合成有关的基因簇。在副地衣虫芽孢杆菌 NMSW12中发现了地衣蛋白基因簇。
用于合成导管铁载体杆菌素的DHB基因簇最初在枯草芽孢杆菌中检测到。除芽孢杆菌RJgp41和漳州芽孢杆菌外，本研究所调查的几乎所有芽孢杆菌菌株均检测到与操纵子杆菌相似的基因簇。
除了杆菌素基因簇外，蜡样芽孢杆菌群的致病性和非致病性菌株还含有另一种含氯的铁载体，即炭疽病菌产生的特殊铁载体。虽然杆菌素的表达高度依赖于低铁浓度，但特殊铁载体的表达则不那么敏感。我们在苏云金杆菌、香椿和魏氏杆菌中检测到两个基因簇。
在地衣芽孢杆菌ATCC10716中检测到环支肽抗生素杆菌肽的生物合成操纵子。据报告，副地衣菌和蜡样芽孢杆菌菌株也含有杆菌肽基因簇。我们只在两个分离株中检测到杆菌肽基因簇：副地衣芽孢杆菌NMSW12和香椿芽孢杆菌NMTD92。
值得注意的是，未分类的芽孢杆菌RJGP41含有一个磷酸泛红细胞转化酶、四个NRPS和一个Ⅱ型硫酯酶编码基因组成的可兰胺基因簇。Koranimine是一种新的化合物，由从路易斯安那州收集的土壤中分离出的未经排序的芽孢杆菌产生，目前尚未对其进行鉴定。
与其他核糖体合成细菌赖氨酸不同，具有较强抗菌作用的二肽不依赖于磷酸泛海因转化酶SFP。枯草芽孢杆菌属复合物中除萎缩芽孢杆菌外，还存在杆状体基因簇。具有抗菌作用的核糖体合成肽（细菌素）是另一类重要的抗菌药物。它们可以分为三类：（1）小的RiPPs（核糖体合成的和翻译后修饰的肽），（2）未修饰的细菌素，和（3）大的抗菌蛋白。
本研究中检测到的RIPPs的已知代表包括不同的组，如含线性偶唑（啉）的肽、LAPS（车前草素，BGC0001173）、套索肽（帕尼诺丁，BGC0001356）、头-尾环化（类枯草素）簇（枯草素A、BCG0000602、孢子死亡因子，SkFA，BGC000601，和淀粉环霉素，BGC000616）。头-尾环化肽与镧硫苷有明显区别，因为这些肽不含镧硫苷、β-甲基镧硫苷和脱水残基。它们的独特特征是N-和C-末端氨基酸的直接连接。天鹅绒芽孢杆菌 FZB42产生了淀粉环霉素。在天鹅绒杆菌DJFZ40和GBSW11中检测到了用于淀粉霉素合成的基因簇。在5株短小芽孢杆菌和3株与短小芽孢杆菌相关的未分类菌株中也检测到了类淀粉环霉素基因。
枯草杆菌毒素（SboX）基因簇出现在枯草杆菌NMSX4和SYST2中。萎缩性葡萄球菌（5/6）和耐盐性葡萄球菌（3/3）含有枯草杆菌素A基因簇。已知食人孢子杀灭因子（SKF）存在于萎缩性芽孢杆菌、短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌中。我们在萎缩杆菌（5株中有4株）和短小杆菌NMSW10和LLTC96中检测到了SKF，但在两个枯草杆菌分离株中没有检测到。
线性含唑肽（LAPs）构成含有恶唑和噻唑区别杂环的RIPS的一个重要亚组。虽然在杆菌中检测到许多假定的LAPs基因簇，但更详细地描述的是来自B.velezensis FZB42的车前草素（PZN）。在枯草芽孢杆菌物种复合物中均未检测到PZN簇，但在两个与短小芽孢杆菌相关的未分类芽孢杆菌菌株（LNXM65和NMCC4）中发现PZN簇。
第二大类细菌素未经修饰，但热稳定，线性肽的大小小于10 kDa。编码47残基阳离子抗菌肽LCI的lci基因发现于天鹅绒芽孢杆菌DJFZ40和GBSW11中，但不存在于枯草杆菌物种复合物的其他亚组中。有25个基因簇可能参与了迄今为止未知的次级代谢产物的合成。
Pumilacidin基因簇与其他表面活性剂的区别在于，存在两个额外的编码组织NRPS的阅读框ORFX和ORFY。已在Pumilus和Safensis中检测到,但到目前为止，在MiBiG数据库中还没有被列为BCG。我们不仅检测到了白腹滨藜和西非滨藜中的白腹滨藜酸基因簇，而且也检测到了与白腹滨藜密切相关的一组菌株中的白腹滨藜酸基因簇，但由于它们在ANIb和DDH值上的差异，不能将其归入该物种。
4 寒冷胁迫和盐胁迫条件下生长状况分析
在液体和琼脂培养基上对菌株进行低温生长特性筛选。采用5x1C低温培养基进行生长评估。所有菌株，包括嗜中温模式菌株枯草芽孢杆菌168和FZB42在14℃的液体和琼脂培养基中生长。除枯草芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌、天鹅绒芽孢杆菌和副地衣虫芽孢杆菌外，大多数青藏高原分离菌株均能在10℃下生长。模型菌株FZB42和168没有繁殖。有17个菌株在这个温度下生长得很好同样的还有萎缩杆菌、短小杆菌和蜡样芽胞杆菌群的代表。在最低温度（4°C）下，我们检测到只有芽孢杆菌RJGP41能够在固体和液体介质中繁殖（图S7）。此外，芽孢杆菌LNXM10在4℃培养到5x1C琼脂上两天后形成可见菌苔。RJGP41和萎缩芽孢杆菌的最高温度估计为45℃，而短小芽孢杆菌的最高温度估计为50℃。最初的嗜中温细菌可能已经适应了寒冷的环境。相比之下，蜡样芽孢杆菌在45°C下无法繁殖，这表明它们是中度嗜冷菌株。
除了寒冷胁迫，根杆菌还受到盐胁迫的挑战，它们必须应对干燥和高盐等不利条件。结果表明，所有选定的芽孢杆菌菌株在含有不同浓度NaCl的琼脂平板上生长时，都能耐受至少9%NaCl的高盐浓度，这表明这些菌株能够承受环境条件的突然变化。在含有LB琼脂的NaCl上预培养后，我们在盐胁迫条件下，在不同浓度氯化钠（3%至16%氯化钠）供应的液态LB培养基中测试了芽孢杆菌菌株的形态特征。芽孢杆菌GBSC6、LNXM65、NMCN1、GBSW19、枯草芽孢杆菌SYST2、副地衣虫芽孢杆菌NMSW12、B.Safensis GBSW22和B.Wiedmanni GBSC45在含有13%和16%NaCl的情况下，与对照组（7%NaCl）相比，其生长率仍高于60%（图S8）。
图5 在5×1C琼脂培养基上14°C（a）、10°C（b）和4°C（c）条件下芽孢杆菌菌株的生长。
5 促进植物生长
采用两种不同体系证明了芽孢杆菌菌株的促生长活性。首先，在中温条件下证明了冷适应菌株对水稻幼苗生长的影响。45个菌株中，15个芽孢杆菌菌株刺激植物生长，其中5株冷适应菌株B.wiedmanni NMSL88[b]和GBAC46[a]、B.safensis GBSW22[d]、短小芽孢杆菌 LNXM70[b]和Bacillus sp.NMCN6[c]表现优于植物生长促进和生物控制模型菌株FZB42[f]。
以冬小麦幼苗为材料，研究了10℃的低温条件下冷适应菌株对植物生长的影响，在低温条件下，B.velezensis FZB42和B.subtilis 168冬小麦幼苗的生长没有促进作用。相比之下，从藏青海台分离到的11株冷适应或嗜冷芽孢杆菌在10°C条件下提高了冬小麦的茎和根鲜重，特别是矮壮短小芽孢杆菌LDZX38[a，a]，此外B.safensis GBSW22[b，i]，B.wiedmanni GBSC29[c，b]，萎缩芽孢杆菌GBSC56 [c、e和萎缩芽孢杆菌[d、d]在低温下有效促进植物生长（图6，表S7）。
图6 冷适应芽孢杆菌对小麦幼苗生长的促进作用。
6 芽孢杆菌对植物病原菌的拮抗作用
利用真菌、卵菌、细菌等6种植物病原菌，对芽孢杆菌的直接拮抗活性进行了分析。所有的冷适应菌株都能在体外抑制植物病原菌。萎缩杆菌LSSC3、NMTD54、芽孢杆菌NMCC46、NMTD92对六种病原菌均有抑制生长的作用。与FZB42一样，嗜中温枯草芽孢杆菌SYST2、耐盐芽孢杆菌DGL6、LNXM78和B.velezensis GBSW11和DJFZ40也对这六种病原体产生了强烈的拮抗作用（表3）。值得注意的是，萎缩芽孢杆菌在体外对水稻病原菌X.oryzae-pv-oryzae表现出很强的活性，超过了FZB42。冷适应的NMTD92、芽孢杆菌NMCC46和NMSL88对Verticillium dahliae和Fusarium graminearum的抗真菌活性最高，与模型菌株FZB42的抗真菌活性相当。冷适应型萎缩芽孢杆菌NMTD54和中温型天鹅绒杆菌DJFZ40对该病菌的生长抑制作用最强。
以水稻苗木（南靖46号）为材料，在存在杆菌的情况下，对植物病原菌的抑制作用进行了研究。苏云金杆菌NMTD81、B.wiedmanni NMSL88、萎缩杆菌GBSC56等嗜冷、耐寒菌株为代表的水稻幼苗对植物病原菌X.oryzae pv的抗性增强。
讨论
从青藏高原不同地点采集的样本中分离出的芽孢杆菌菌株在10℃或更低温度下能够正常生长。其中一些在低温下促进了植物生长，抑制了植物病原菌。在这组冷适应和嗜冷杆菌中，一种非分类芽孢杆菌属RJGP41和B.Wiedmanni GBSC29尤为显著，因为它们能够在4°C下繁殖，但RJGP41不促进植物生长。相比之下，革兰氏阳性PGPR和枯草杆菌168的模型菌株FZB42在14℃以下没有生长，在低温条件下不能支持植物生长。利用基因组序列，我们可以将大多数菌株分配给已知的芽孢杆菌物种。然而，17个分离株由于其ANIb和dDDH值的偏差，无法按物种级别进行分类，超过了定义的物种划分。大多数未分类的菌株与短小芽孢杆菌属有关，而冷适应的RJGP41与单纯形芽孢杆菌属有关，其基因组序列与土壤芽孢杆菌745的关系密切。
对青藏高原所有45个菌株进行基因组挖掘，发现存在大量由非核糖体或核糖体合成（翻译后修饰和未修饰的细菌素）产生的抗菌次级代谢产物。检测到的45个基因簇中的一些似乎对不同的分类群有特异性。Difficidin和大内酰胺仅出现在天鹅绒芽孢菌株中发现。枯草芽孢杆菌和表面活性蛋白存在于与枯草芽孢杆菌有关的几种物种中。与表面活性素也有密切关系的彪苹果酸，出现在白介子、西非白介子以及与白介子有关的未分类杆菌群中。
其他一些参与环脂肽非核糖体合成的基因簇仅在单个菌株中偶尔出现。例如可兰胺（RJGP41）和两性霉素（NMTD81）。此外，在青藏高原分离株中检测到了15个迄今为止未经鉴定的用于非核糖体合成的BGC。与参与次级代谢产物非核糖体合成的基因簇相比，负责核糖体合成和细菌素翻译后修饰的基因簇似乎分布更为偶发，可能是由于噬菌体DNA在细胞内的插入变化。e基因组的组成部分，可能被认为是分类价值较低的泛基因组的假定成分。
大多数环境分离株虽然能够在10°C及以下温度下繁殖，但不应被视为嗜冷菌，属于冷适应体。我们的研究结果表明，这些分离株的生长特性与物种有关,并可分为四组：（1）能够在4°C至45°C之间生长的冷适应细菌（与单纯形芽孢杆菌有关的未分类芽孢杆菌RJGP41）；（2）在10°C至45°C之间生长的冷适应细菌（大多数萎缩芽孢杆菌）；（3）在1°C至45°C之间生长的冷适应细菌0°C–50°C，（4）在10°C及以下生长但在45°C不能繁殖的嗜冷菌（蜡样芽孢杆菌群）。共有13个冷适应菌株和嗜冷菌株显著促进了28°C条件下水稻幼苗的生长，这表明它们也有可能促进低温条件下植物生长。用冬小麦幼苗在10℃下进行的植物生长促进试验证实了这一假设。试验证明在特定的寒冷环境中，适应寒冷的杆菌，如白杨LDZX38，能够支持冬小麦的生长。采用冷适应的萎缩芽孢杆菌GBSC56和芽孢杆菌NMCN1和NMCN6对马铃薯植株进行了成功的田间试验，也证实了这些分离株的促进植物生长的活性。
已知许多功能性状与嗜中温杆菌促进植物生长有关，例如植物激素的合成，色氨酸依赖的吲哚-3-乙酸的合成、促进矿物质溶解和促进植物根系吸收营养素。挥发物芽孢杆菌（挥发性有机化合物，VOC）通过调节植物激素的合成，对促进植物生长具有重要作用。中温枯草芽孢杆菌SYST2释放的特定VOC、沙丁胺醇和1,3-丙二醇促进植物生长并影响生长素、赤霉素、细胞分裂素、扩张素和乙烯的生物合成。冷适应杆菌是否使用相同的机制促进植物生长尚待阐明，但它们可能起源于嗜中性粒细胞。
目前用于促进植物生长的中温芽孢杆菌物种，如枯草芽孢杆菌和天鹅绒杆菌，能够在大约14°C到50°C的温度范围内保持生长。迄今为止，所有被检查的生物体都能对环境温度的突然变化作出反应。在某些情况下，已经在分子水平上识别和监测适应反应的IC级联。根据温度变化的类型，这种反应被称为热冲击反应（HSR）或冷冲击反应（CSR）。在HSR过程中，一个特殊的sigma因子在控制主要是处理热诱导的蛋白质构象变化所需的基因表达中起着中心调节作用。相比之下，冷休克后，核酸结构和蛋白质与DNA和RNA相互作用，似乎在细胞中起主要作用。与HSR不同的是，CSR似乎是一种复杂的刺激，而不是像一个调节器。涉及到重要的过程，如温度传感、膜适应、翻译装置的修饰、核仁重组和一些代谢方面。核酸结合冷休克蛋白不仅在冷休克适应过程中，而且在最佳生长条件下发挥着基础作用。
在10℃及以下的低温条件下生长是促进植物在寒冷环境条件下生长的必要前提，但并非所有冷适应芽孢杆菌菌株都具有促进植物生长的特性。例如，在我们的实验条件下，冷适应菌株RJGP 41在4℃下能够繁殖，在10℃下不能支持小麦幼苗的生长。植物病原菌的抑制是植物有益杆菌的一个显著特征，在可持续农业中的应用日益广泛。众所周知，VOC芽孢杆菌不仅能促进植物生长，而且还能激发ISR对抗植物中的植物病原体。枯草芽孢杆菌合成的挥发性有机化合物增强了烟草植株对枯萎病菌丝核菌的诱导系统抗性（ISR）。近年来，据报道，FZB42产生的挥发性有机化合物和2,3丁二醇可诱导植物叶片气孔关闭，从而防止叶片病原体入侵。抗真菌活性也可由脂肽发挥，这些脂肽可产生直接拮抗活性，但也可通过诱导表面活性素、fengycins和伊枯草菌素的ISR发挥作用。据报告，聚酮类化合物（例如，杀菌剂）和杆菌素具有抗菌活性。在萎缩芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、安全芽孢杆菌、漳州芽孢杆菌和与短小芽孢杆菌有关的未分类芽孢杆菌中检测到抗菌化合物非核糖体合成的基因簇，其中含有短小苹果酸蛋白A的基因簇。芽孢杆菌素的合成表明，冷适应芽孢杆菌可能能够控制植物病原菌。
在青藏高原的冷适应和嗜冷分离株中，我们发现对真菌和细菌的植物病原菌也有很强的拮抗作用。这些发现表明，对在冷应激条件下生长的作物和蔬菜进行早期处理可以促进它们的健康生长，并有助于避免损失。
结论
目前在农业和园艺中使用的生物肥料是以中温细菌为基础的，主要是以能在14℃以上开始生长的丝状芽孢杆菌为代表的。为了能够促进作物早期生长，并将生物肥料的使用扩展到更寒冷的环境和/或山区，开发研究能在14℃以下生长的细菌菌株（尤其是芽孢杆菌菌株）具有很高的营养价值。对于极端环境下的农业应用，我们建议使用从青藏高原分离出的冷适应或嗜冷芽孢杆菌菌株制成的生物合成物，该菌株能够在4℃-10℃之间显著生长，并具有明显的植物生长促进和生物控制作用。
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