不同氮肥水平下共生甲基杆菌对玉米产量和氮素吸收的促进作用及其生理机制研究

《European Journal of Agronomy》：Maize ( Zea mays L.) response to the biostimulant Methylobacterium symbioticum under various nitrogen fertilizer rates

本研究针对气候变化和土壤退化背景下减少化肥依赖的迫切需求，探讨了共生甲基杆菌（Methylobacterium symbioticum）作为生物刺激素对玉米（Zea mays L.）生长的影响。通过在西班牙中部进行的连续两年田间试验，研究人员发现，在不施氮肥条件下，接种M. symbioticum可显著提高玉米产量（平均提高52%）和氮素吸收量（约37 kg N/ha），并诱导叶片近红外反射率增强、叶绿素a/b比降低以及游离氨基酸（如色氨酸、脯氨酸和GABA）含量增加。该研究为开发可持续农业技术提供了重要理论依据，论文发表于《European Journal of Agronomy》。

　　

随着全球气候变化加剧、土壤质量下降以及农业对化学合成品过度依赖的日益严重，寻找能够支持作物生产力同时增强系统韧性的可持续农业策略变得尤为紧迫。在这一背景下，生物刺激素作为一种有望改善植物养分利用效率的工具逐渐受到关注。然而，这些产品能否在田间条件下有效刺激植物生长并增强养分可利用性，仍需通过严格的科学实验加以验证。玉米作为全球重要的粮食作物，对氮素需求较高，其生产过程中氮肥的合理施用不仅关系到产量，更直接影响环境可持续性。因此，探索利用微生物生物刺激素来优化玉米氮素管理、减少化肥投入，具有重要的理论与实践意义。

近期发表于《European Journal of Agronomy》的一项研究，以“不同氮肥水平下玉米对生物刺激素共生甲基杆菌的响应”为题，系统评价了细菌甲基杆菌 symbioticum 作为生物刺激素对玉米产量、氮素吸收以及一系列生理指标的影响。该研究由西班牙马德里理工大学农业生产系的研究团队完成，通过两年田间试验，结合光学传感技术和代谢组学分析，深入揭示了该微生物在玉米氮营养调控中的作用机制。

为开展本研究，研究人员在西班牙中部连续两年（2020和2021）布置了田间试验，采用裂区设计，设置接种与不接种M. symbioticum为主区，不同氮肥水平（0、50、100、200 kg N/ha）为副区。作物生长期间使用Dualex? Scientific叶夹式传感器和HR-512i?光谱辐射计进行非破坏性监测，测定叶绿素、类黄酮含量及光谱反射特征。在玉米八叶展开期和开花期采集叶片样本，通过超高效液相色谱（UHPLC）分析光合色素（如叶绿素a、b）和生育酚含量，利用毛细管电泳-激光诱导荧光检测技术测定游离氨基酸谱。土壤和灌溉水中的无机氮含量采用常规化学方法测定。收获时计产并测定植株各器官氮含量，统计方法采用线性混合模型和方差分析。

3.1. 环境条件

两年试验期间气候条件相似，但2021年生长季较长，更有利于玉米生长。灌溉水中硝酸盐浓度稳定，通过灌溉输入的氮量极少（约5 kg N/ha），播种前土壤无机氮库较低，为研究创造了强烈的氮限制背景。

3.2. 农学数据

施氮肥显著提高了玉米产量和植株氮吸收量。在未施氮肥处理中，接种M. symbioticum使产量显著高于未接种对照，两年平均增产52%，同时作物氮吸收量平均增加约37 kg N/ha。然而，当施用氮肥后，接种处理与未接种处理在产量和氮吸收上无显著差异。籽粒氮浓度在各处理间无显著变化。

3.3. 田间光学传感器监测

Dualex?传感器和光谱指数（如MCARI）均能敏感反映氮肥水平对叶绿素含量的影响，但未能检测出接种M. symbioticum引起的差异。值得注意的是，接种处理的叶片在近红外区域（>750 nm）的光谱反射率显著高于未接种处理，且R800/R670比值在接种处理中升高，表明叶片结构或内部状态可能更健康。类黄酮浓度在接种处理中有降低趋势，仅在八叶期100 kg N/ha水平下差异显著，提示微生物处理可能减轻了植株胁迫。

3.4. 植物性能代谢指标

叶片生化分析显示，接种处理并未改变总叶绿素含量，但显著降低了叶绿素a/b比值，表明光合机构可能发生了有利于光捕获的结构调整。此外，接种植株在八叶期总游离氨基酸含量显著上升，其中色氨酸、脯氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）含量增加尤为明显。色氨酸是植物生长素合成的前体，其积累暗示微生物可能通过调节激素平衡促进生长；脯氨酸和GABA的升高则与细胞稳态维持和胁迫适应相关。

该研究得出结论：在强氮限制条件下，接种M. symbioticum可通过促进玉米氮吸收和产量形成，显著提升作物表现。这一效应并非通过增加叶绿素含量实现，而是与叶片结构优化、光合色素比例调整以及氨基酸代谢重编程密切相关。近红外反射特征、叶绿素a/b比和特定氨基酸（如色氨酸、脯氨酸、GABA）可作为指示生物刺激素效应的敏感指标。研究还指出，M. symbioticum的促生机制可能与其调节植物激素、增强根系养分吸收效率有关，而非传统生物固氮作用。

本研究的重要意义在于为微生物生物刺激素的田间应用提供了实证依据，强调了其在低氮条件下改善作物表现的潜力。未来研究需进一步明确其作用机制，并探索在不同土壤-气候-作物系统中实现最佳效应的管理策略，从而为推动农业绿色转型提供科技支撑。