生物强化非典型根瘤菌与内生菌协同调控水稻休耕系统微生物组促进小豆可持续集约化生产

本研究针对水稻休耕系统土壤肥力低下、作物生产力受限的问题，通过多地点田间试验评估了由非典型根瘤菌（Pararhizobium giardinii、Ochrobactrum sp.）和非根瘤菌内生菌（Serratia plymuthica、Serratia sp.）组成的多菌种复合菌剂对小豆栽培的改良效果。结果表明，该菌剂显著提高了根瘤nifH基因表达（200%）、根际微生物多样性及土壤酶活性，使小豆产量达到1168 kg/ha，优于化学肥料二铵（DAP）处理，为可持续农业提供了有效的生物肥料替代方案。

　　

在全球粮食安全面临挑战的背景下，如何高效利用现有耕地资源成为农业可持续发展的重要课题。水稻休耕系统作为亚洲地区广泛存在的土地利用形式（全球约1.62亿公顷，其中1.4亿公顷集中在亚洲），却因土壤肥力下降、微生物群落功能退化等问题，难以实现高效作物生产。特别是小豆等豆科作物，虽然具备生物固氮能力，但在贫瘠的休耕土壤中往往表现不佳。传统化学肥料如磷酸二铵（DAP）虽能短期提升产量，但长期使用会导致土壤酸化、微生物多样性下降等环境问题，反而制约了作物的可持续生产。

为此，研究人员将目光投向了微生物解决方案——利用植物根际促生菌（PGPR）改善土壤微生态环境。与以往单一菌株接种策略不同，本研究创新性地采用多菌种复合菌剂，结合非典型根瘤菌和非根瘤菌内生菌（NREs）的协同效应，探索其在水稻休耕系统中对小豆生长的促进机制及其对根际和根瘤微生物组的调控作用。

这项发表在《BMC Plant Biology》的研究，通过温室盆栽和多地点田间试验相结合的方法，系统评估了复合菌剂对小豆生长、土壤养分、微生物多样性及nifH基因表达的影响，为开发适用于水稻休耕系统的生物肥料提供了重要理论依据和实践指导。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：从阿萨姆大学微生物系土壤与环境微生物学实验室保存的菌种中筛选出两株根瘤菌（Pararhizobium giardinii P1和Ochrobactrum sp. 42S）和两株非根瘤菌内生菌（Serratia plymuthica 33GS和Serratia sp. R6），通过相容性测试和共培养实验验证菌株间的协同性；通过铬天青（CAS）法测定铁载体产量，Salkowski比色法测定吲哚-3-乙酸（IAA）产量，钼蓝法测定磷酸盐溶解能力，以及α-酮丁酸定量法测定ACC脱氨酶活性，评估菌株的植物促生长特性（PGP）；利用扫描电子显微镜（SEM）观察根毛发育情况，气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析根系代谢物组成；采用16S rRNA扩增子测序分析根际和根瘤微生物组结构，并通过PICRUSt2预测功能基因丰度；通过定量逆转录PCR（qRT-PCR）检测根瘤中nifH基因表达水平；在阿萨姆邦五个水稻休耕区（Lakhipur、Goalpara、Jakhlabandha、Goroimari和Nagaon）进行随机完全区组设计（RCBD）田间试验，评估菌剂对作物产量和土壤健康的影响。

温室盆栽试验显示菌剂显著促进小豆生长

在无菌和非无菌土壤条件下，接种复合菌剂的处理组小豆生长量分别比未接种对照组提高了166%和116%。扫描电镜观察发现，菌剂处理组的根毛发育显著增强，根毛密度和网络面积等形态参数均显著优于对照组和DAP处理组。菌剂处理还改变了根系分泌物的组成，产生了萘并[1,2-b]呋喃-2,8(3H,4H)-二酮、豆甾醇衍生物等特异性代谢物，这些变化为有益微生物的招募创造了有利的根际环境。

菌剂调控根际和根瘤微生物组结构

16S rRNA测序分析表明，菌剂处理显著改变了根际和根瘤中的微生物群落结构。在门水平上，Pseudomonadota（变形菌门）在根际和根瘤中均为最优势菌门，但菌剂处理增加了Bacillota（厚壁菌门）、Actinomycetota（放线菌门）和Bacteroidota（拟杆菌门）的相对丰度。在属水平上，根瘤中Rhizobium（根瘤菌属）、Bradyrhizobium（慢生根瘤菌属）和Mesorhizobium（中慢生根瘤菌属）等固氮菌的丰度显著增加，根际土壤中Bacillus（芽孢杆菌属）、Pseudomonas（假单胞菌属）和Streptomyces（链霉菌属）等有益菌也明显富集。相关性网络分析显示，菌剂处理增强了微生物间的正相互作用，形成了更稳定的互作网络。

菌剂显著提升固氮效率和土壤酶活性

qRT-PCR分析显示，菌剂处理使根瘤中nifH基因的表达量提高了约1.94×10⁶倍，显著高于DAP处理组（1.87倍）。同时，根瘤血红蛋白含量增加了275%，表明固氮效率大幅提升。土壤酶活性测定发现，菌剂处理组的脱氢酶、脲酶、酸性/碱性磷酸酶和荧光素二乙酸酯（FDA）水解活性均显著高于对照组和DAP处理组，其中FDA活性提高了650%，表明土壤微生物代谢活性显著增强。

多地点田间试验验证菌剂的田间应用效果

在五个试验点中，菌剂处理均显著提高了小豆产量，最高达1400 kg/ha，优于DAP处理。土壤养分分析表明，菌剂处理提高了土壤有机碳（16%）、氮（6.5%）和磷（8%）含量，同时适度提升了土壤pH值，改善了酸性土壤环境。结构方程模型（SEM）分析进一步证实，菌剂通过改善土壤健康（有机碳、氮含量、酶活性等）间接提高了作物产量。

本研究通过多维度证据表明，由非典型根瘤菌和非根瘤菌内生菌组成的复合菌剂能够通过调控根际和根瘤微生物组结构、增强固氮基因表达、改善土壤酶活性等多重机制，显著提升小豆在水稻休耕系统中的生产性能。这种微生物策略不仅克服了化学肥料的环境负面影响，还为可持续农业提供了一条可行的生物强化路径。研究结果对开发适用于特定农业生态系统的微生物肥料具有重要指导意义，特别是在土壤贫瘠、资源有限的地区具有广阔的应用前景。未来研究可进一步探索菌剂在不同土壤类型和气候条件下的适用性，以及其长期施用对土壤微生物组稳定性的影响。