植物根际促生菌调控盐胁迫水稻幼苗生长的微生物组与根系分泌物机制研究

本综述系统阐述了植物根际促生菌（PGPR）通过调控根际微生物群落结构和根系分泌物代谢谱增强水稻耐盐性的多重机制。研究通过多组学技术（16S rRNA测序、非靶向代谢组学）证实PGPR接种能显著提升水稻抗氧化酶活性（SOD/POD/CAT）、促进渗透调节物质（脯氨酸Pro）积累、降低膜脂过氧化产物（MDA），并富集有益菌属（Subgroup_7、Lysobacter等），同时激活核苷酸代谢、嘌呤代谢及ABC转运蛋白等关键通路，为盐渍土壤生物修复提供理论依据和实践策略。

　　

引言

盐胁迫作为关键的非生物胁迫因子，严重制约植物生长和农业生产力。尽管植物根际促生菌（PGPR）在增强植物耐盐性方面展现出潜力，其具体机制尚未完全阐明。本研究通过整合宏基因组测序和植物非靶向代谢组学技术，系统解析耐盐PGPR接种如何通过调控根际微生物群落结构和根系分泌物促进盐渍土壤中水稻生长的机制。

材料与方法

水稻盆栽实验在扬州大学屋顶实验设施进行。设置七种处理：CK（未接种对照）、T1（Bacillus sp.）、T2（Providencia sp.）、T3（Planococcus sp.）、T4（Pseudoclavibacter sp.）、T5（Dietzia sp.）及T6（上述五菌株混合 consortium），每处理三重复。接种七天后统一施加盐胁迫，四周后测定生理生化指标。根系分泌物通过液相色谱-质谱（LC-MS）非靶向代谢组学分析，根际土壤微生物群落通过16S rRNA V1-V9区测序（引物27F/1492R）表征。数据统计分析包括α/β多样性、LEfSe差异物种筛选、KEGG通路富集及Spearman相关性网络构建。

结果

盐胁迫下PGPR接种对水稻生长的影响

所有接种处理（T1-T6）均显著促进水稻生长。与CK相比，根长在T1-T6中均显著增加（p<0.05），其中T6增幅最大（51.77%）；株高在T1-T4及T6中显著提升，T4增幅最高（23.43%）。地上部干重在T2-T6中显著增加，T3表现最优（133.33%）；地下部干重在T4中达CK的1.9倍。叶绿素含量在所有处理中均显著高于CK，T6增幅最显著（60.82%），表明混合接种在提升光合效率方面具优势。抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）在根和叶中均显著高于CK，其中叶SOD活性在T3最高（62.40%），根CAT活性在T3提升199.15%。MDA含量在T1-T6中显著降低，T3对根MDA抑制效果最显著（40.65%）。游离脯氨酸（Pro）含量在T2-T6中显著积累，叶Pro在T6增加344.31%，根Pro在T3增加456.03%，证实PGPR通过增强渗透调节能力缓解盐胁迫。

盐胁迫下PGPR接种对水稻根际细菌群落的影响

PCoA分析（Bray-Curtis距离）显示接种组（T1-T6）与CK明显分离（PC1 21.38% + PC2 12.86% = 34.24%总方差），表明PGPR诱导了根际微生物群落重构。α多样性分析显示Shannon指数在接种组显著降低（p<0.05），Chao1指数无显著差异，说明PGPR主要降低群落均匀度而非物种丰富度。优势菌门包括Proteobacteria、Acidobacteriota、Chloroflexi、Actinobacteriota、Bacteroidota和Gemmatimonadota；优势属包括Subgroup_7（6.07–9.23%）、Lysobacter（4.63–9.52%）、Ellin6067（3.49–5.70%）等。LEfSe分析（LDA > 3）鉴定出多个处理特异性标志菌属，如Subgroup_7、Lysobacter、Massilia、Hydrogenophaga等有益菌群普遍富集。KEGG功能注释显示接种组显著富集细菌代谢通路，包括安沙霉素生物合成（ko01051）、万古霉素抗生素生物合成（ko01055）、支链氨基酸代谢（ko00290）、脂肪酸生物合成（ko00061）、泛酸和CoA生物合成（ko00770）等。

盐胁迫下水稻根系分泌物组成的差异

共鉴定2029种代谢物（1379种阳离子+650种阴离子）。PLS-DA显示组间分泌物组成差异显著。火山图分析表明所有处理相较于CK均以下调代谢物为主导趋势，T1下调数量最多（n=574）。Venn图显示T1和T6（vs. CK）分别有37和177个独特上调代谢物，229和181个独特下调代谢物。功能注释显示下调代谢物以脂类、激素与传递体、甾体为主，上调代谢物以核酸和肽类为主。KEGG通路富集分析表明关键差异代谢物主要富集于核苷酸代谢、嘌呤代谢（属代谢超类）和ABC转运蛋白（环境信息处理类）。其中T1显著富集亚油酸代谢（p<0.001），T2和T3富集甘油磷脂代谢，T6 consortium则富集更多通路包括色氨酸代谢、苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成及植物激素信号转导。

水稻根际土壤细菌群落与生理指标、根系分泌物的相关性分析

有益菌属（Subgroup_7、Subgroup_17、Hydrogenophaga、Haliangium、Leptolyngbyaceae等）与生长参数（根长、株高、生物量、叶绿素）及抗逆指标（SOD、CAT、POD、Pro）呈显著正相关（p<0.05），与MDA呈负相关；反之，SBR1031、A4b、Altererythrobacter等菌属呈现相反相关性。代谢物-微生物关联分析揭示三类功能群：保护性菌属（如Subgroup_7和Haliangium）与应激代谢物（辛胺、色氨酰-丙氨酰-精氨酸等）负相关，与有益化合物（litseakolide A、壬二酸等）正相关；应激关联菌属（Longimicrobiaceae、AKAU4049等）则呈现相反模式；双重作用菌属（Lysobacter、Massilia等）与特定代谢物（如magnoshinin）正相关，但与脯氨酰-异亮氨酸负相关。

讨论

不同处理对水稻生长的影响

PGPR通过增强抗氧化系统和渗透调节功能缓解盐胁迫损伤，与“PGPR可能通过促进根系发育增加养分吸收”理论一致。抗氧化酶活性提升和MDA含量降低表明PGPR激活了酶促防御网络以清除过量ROS。在轻度盐胁迫下，PGPR对叶绿素含量的提升效果更为显著，可能因低盐环境未超出其代谢调控阈值。脯氨酸积累通过激活OsP5CS1/2基因实现，与转基因水稻分子机制吻合。

盐胁迫下根际细菌的差异

PGPR接种导致根际细菌α多样性（Shannon指数）降低，与PCoA群落聚类结果一致，表明PGPR在盐胁迫下优先促进有益菌定殖，增强群落结构选择性。优势菌门（Proteobacteria、Acidobacteriota等）的功能分化显示其在不同养分循环中的协同作用：Proteobacteria和Actinobacteriota主导氮磷转化，Chloroflexi和Acidobacteriota参与碳循环，共同维持根区养分平衡。属水平上，Subgroup_7（Acidobacteriota核心组）参与难降解有机物分解和土壤团聚体稳定；Lysobacter、Massilia等（Proteobacteria）通过分解顽固碳源、抑制病原菌和促进养分循环构建根际微生物防御与营养网络。功能基因分析显示泛酸和CoA生物合成通路（ko00770）富集表明PGPR可能通过调节氧化还原辅因子代谢增强微生物氧化应激适应；抗生素生物合成通路（如安沙霉素ko01051）的上调提示PGPR通过诱导拮抗相互作用抑制植物病原菌并强化有益类群竞争优势。

盐胁迫下水稻根系分泌物组成的差异

OPLS-DA模型表明PGPR处理显著改变根系分泌物组成，差异代谢物以下调为主，提示PGPR通过抑制特定代谢途径重塑根际微环境。脂类和甾体主要下调，肽类、维生素和辅因子主要上调。肽类（如Trp-Ala-Arg）作为信号调节剂和促生长因子影响根际微生物；甾体成分（如油菜素内酯）作为信号分子调控植物-微生物互作。KEGG富集通路显示核苷酸代谢、嘌呤代谢和ABC转运蛋白是关键调控节点。核苷酸合成支持微生物快速增殖（如D-核糖运输依赖RbsA酶）；嘌呤代谢通过AMP→ADP→ATP级联生成cAMP，直接影响微生物能量代谢效率；ABC转运蛋白参与营养跨膜运输（如氨基酸）和微生物毒素外排（如MlaF基因突变增强抗生素抗性），并与植物激素信号（如IAA）关联，可能建立“微生物分泌生长素-植物提供碳源”的双向互惠循环。T6混合接种较单菌株富集更多通路（包括核苷酸代谢和甘油磷脂代谢），膜脂组成调整（如磷脂酰乙醇胺上调）增强环境适应性，为混合菌剂优于单菌株提供代谢证据。

结论

本研究证明PGPR接种显著增强水稻根系分泌物产生，这些分泌物招募有益微生物组（Subgroup_7、Lysobacter、Massilia等），进而促进植物生长发育。这些发现建立了PGPR-水稻代谢互惠模型：PGPR通过同步优化根际微生物组和根系分泌物代谢谱，增强养分获取和ROS清除能力。T6 consortium的卓越性能凸显合成微生物群落