印度梨形孢通过调控生理特性、土壤性质及根际微生物群落增强大豆盐碱胁迫耐受性

本研究针对盐碱胁迫严重制约大豆生长与产量的农业难题，探讨了印度梨形孢（Piriformospora indica）接种对大豆耐盐碱性的调控机制。研究发现，接种P. indica可显著提高大豆抗氧化酶（SOD、POD）活性，降低MDA、H2O2和O2-水平，维持Na+/K+稳态，并上调离子转运基因（NHX6、SOS2、PM H+-ATPase）表达。同时，土壤酶活性及养分有效性得到改善，根际微生物群落发生特异性变化。结构方程模型表明，P. indica主要通过增强植物抗氧化防御和离子平衡直接促进生长，土壤与微生物变化则提供间接支持。该研究为利用共生真菌提升作物耐逆性及土壤健康提供了理论依据和技术途径。

　　

随着全球盐碱地面积的不断扩大，作物生产面临严峻挑战。大豆（Glycine max）作为重要的粮食作物，对盐碱胁迫高度敏感，尤其在碱性土壤中，高pH值会破坏养分吸收、加剧离子毒害和氧化应激，导致产量显著下降。传统的育种和化学改良方法效果有限，且可能带来环境负担。近年来，利用根际共生微生物提升作物耐逆性成为一种绿色、可持续的策略。其中，印度梨形孢（Piriformospora indica，简称P. indica）作为一种可人工培养的内生真菌，具有广谱宿主适应性，能促进植物生长并增强其对非生物胁迫的耐受性。然而，P. indica如何通过调控植物生理、土壤性质及微生物群落来帮助大豆抵抗盐碱胁迫，其具体机制尚不明确。

为了回答这些问题，研究人员开展了一项系统研究，论文发表在《Plant Stress》上。他们通过接种P. indica并设置盐胁迫（150 mmol·L^-1 NaCl）、碱胁迫（200 mmol·L^-1 NaHCO₃，pH 8.5）和混合盐碱胁迫（144 mmol·L^-1 Na⁺，pH 9.0）处理，综合分析了植物生长、生理指标、基因表达、土壤特性及微生物群落的变化。

研究采用了多项关键技术方法：通过体外培养P. indica并接种至大豆根际，利用台盼蓝染色和RT-PCR检测其定殖效率；测定叶绿素含量、相对电导率及抗氧化酶（SOD、CAT、POD、GR）活性；采用比色法测定MDA、H₂O₂和O₂^-含量；通过火焰光度法分析根中Na⁺和K⁺离子浓度；运用qPCR技术检测离子转运相关基因（如PM H⁺-ATPase、SOS1、SOS2、NHX2、NHX6）的表达；测定土壤酶（脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶）活性和养分含量；并对根际土壤进行16S和18S rRNA测序，分析微生物群落结构及多样性。数据分析包括主成分分析（PCA）、结构方程模型（SEM）、线性判别分析效应大小（LEfSe）和Mantel检验等。

2.1. P. indica接种对盐碱胁迫下大豆生长的影响

接种P. indica后，大豆根系成功定殖，感染效率超过90%。在盐、碱及混合胁迫下，接种植株生长状况明显改善，叶片黄化和萎蔫程度减轻，叶绿素含量显著提高，相对电导率降低。产量方面，接种使豆荚数在非胁迫条件下增加33.3%，在盐、碱和混合胁迫下分别增加77%、61%和60%。

2.2. P. indica减轻盐碱胁迫下大豆的氧化损伤

接种显著降低了H₂O₂、O₂^-和MDA水平，提高了SOD和POD活性，但CAT和GR活性变化因胁迫类型而异。主成分分析显示，接种后的应激组与对照组更接近，表明P. indica有助于维持抗氧化稳态。

2.3. P. indica对Na⁺和K⁺离子浓度及离子转运基因表达的影响

接种植株在胁迫下保持较低的Na⁺和较高的K⁺水平，Na⁺/K⁺比降低。基因表达分析显示，PM H⁺-ATPase、SOS1、SOS2和NHX6等基因表达上调，参与Na⁺外排、K⁺保留和液泡离子区隔化。

2.4. P. indica接种对土壤特性及养分有效性的影响

接种改变了土壤酶活性和养分含量。在碱胁迫下，土壤酸性磷酸酶（S-ACP）和脲酶（S-UE）活性提高；有效钾（AK）和有效磷（AP）含量增加，而有效氮（AN）降低。相关性分析显示，土壤指标与植物生理状态密切相关。

2.5. P. indica对土壤微生物群落组成和多样性的影响

共鉴定出43个细菌门和16个真菌门。接种富集了变形菌门（Proteobacteria）和担子菌门（Basidiomycota）。胁迫处理降低了真菌Chao1指数，但接种对总体多样性影响较小。β多样性分析表明，接种和胁迫改变了微生物群落结构。

2.6. LEfSe鉴定的细菌和真菌生物标志物

LEfSe分析识别出63个细菌和44个真菌生物标志物。接种富集了Sphingomonadales、Novosphingobium、Rozellomycota和Sebacinales等类群，这些微生物与养分循环和应激耐受相关。

2.7. 微生物生物标志物与大豆生理的网络关联

真菌Sordariomycetes和Rozellomycota与接种正相关，而Flavobacterium与ROS水平和离子调节基因负相关。细菌生物标志物更多与离子平衡基因（如NHX6、SOS2）相关联。

2.8. P. indica接种、盐碱胁迫、微生物群落、土壤特性及大豆生理的相关性

Mantel分析表明，接种与抗氧化酶活性、离子转运基因及土壤氮含量显著相关。真菌多样性与抗氧化能力和土壤特性关联更强。结构方程模型解释了98%的生长变异，显示P. indica主要通过直接调节植物生理过程（如抗氧化和离子平衡）促进生长，土壤和微生物变化起间接支持作用。

研究结论表明，P. indica通过多种机制增强大豆的盐碱耐受性：一是激活抗氧化系统，减轻氧化损伤；二是调节离子稳态，降低Na⁺/K⁺比；三是改善土壤酶活性和养分有效性；四是选择性调控根际微生物群落。与从枝菌根真菌（AMF）等不同，P. indica的作用更侧重于直接调控植物生理，而非通过大幅改变微生物群落实现。这些发现突出了P. indica作为生物接种剂在可持续农业中的应用潜力，为利用微生物策略提高作物在盐碱地上的生产力提供了新思路。