细菌生物膜通过铁载体介导的铁富集机制增强植物铁营养的新发现

《Cell Reports》：Siderophore-mediated iron enrichment in the biofilm matrix enhances plant iron nutrition

本研究针对碱性土壤中植物铁营养缺乏这一农业难题，揭示了贝莱斯芽孢杆菌SQR9通过生物膜形成在根际富集铁元素的新型机制。研究发现细菌铁载体bacillibactin不仅促进生物膜中铁的积累，还激活植物铁吸收相关基因表达。田间试验证实SQR9接种可显著提高碱性土壤作物产量，为微生物强化策略提供了理论依据。

　　

在当今人口快速增长与耕地资源有限的矛盾日益突出的背景下，如何实现农业可持续发展已成为全球性挑战。令人担忧的是，全球约30%的耕地属于石灰性土壤，这些土壤的高pH值和碳酸氢盐含量导致铁元素生物有效性极低，作物普遍出现缺铁性黄化现象，严重影响产量和品质。更深远的是，作物铁缺乏还会导致人类膳食铁摄入不足，引发贫血、疲劳、不良妊娠结局和儿童认知发育受损等健康问题，全球有超过20亿人受到铁缺乏的影响。

传统上，人们通过食物强化、农艺措施、常规育种和转基因技术来应对铁缺乏问题，但这些方法各自存在成本高、环境污染、耗时久和公众接受度低等局限性。越来越多的证据表明，微生物强化作为一种成本效益高、环境可持续的策略，能有效提高植物对铁元素的利用效率。

植物在长期进化过程中形成了两种不同的铁吸收策略。非禾本科单子叶植物和双子叶植物（如拟南芥和黄瓜）采用基于还原的策略（策略I），包括通过FERRIC REDUCTION OXIDASE 2（FRO2）将Fe³⁺还原为Fe²⁺，再通过IRON-REGULATED TRANSPORTER 1（IRT1）吸收Fe²⁺。而禾本科植物（如水稻和玉米）则采用基于螯合的策略（策略II），通过分泌植物铁载体（PS）并吸收Fe³⁺-PS复合物。

贝莱斯芽孢杆菌SQR9作为一种有益的根际细菌，能通过生物膜形成在植物根部定殖，并通过控制病害、促进生长和增强耐盐性来支持植物健康。有趣的是，前期研究表明枯草芽孢杆菌生物膜能通过分泌铁载体从环境中富集铁，其基质结合铁的浓度是细胞内铁的10倍。然而，芽孢杆菌生物膜是否在植物根部原位积累铁以及这种积累是否增强植物铁吸收仍不清楚。

本研究的关键技术方法包括：通过构建SQR9的多种突变体（如生物膜形成缺陷型△epsD△tasA、铁载体合成缺陷型△dhbA等）分析其功能；利用稳定同位素⁵⁷Fe示踪技术验证铁的吸收途径；采用微X射线荧光光谱（μ-XRF）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行元素分析；通过RNA测序和RT-qPCR分析基因表达；结合田间试验评估实际应用效果。研究样本包括拟南芥、黄瓜、水稻、玉米等多种作物，田间试验覆盖中国北方五省的十个试验点。

B. velezensis SQR9促进不同作物在石灰性土壤中的铁吸收并提高中国碱性土壤中的作物产量

在石灰性土壤中，SQR9接种显著缓解了黄瓜、水稻和玉米的缺铁黄化现象。与对照相比，SQR9处理植株的SPAD值（29.0%-82.9%）、幼叶活性铁含量（19.5%-58.0%）和干重（41.7%-157.9%）均显著提高。在控制条件下，SQR9接种使拟南芥叶绿素含量提高约20.9%，叶片活性铁含量提高51.3%-54.0%，植株鲜重增加38.4%-59.6%。田间试验进一步证实，SQR9在碱性土壤中能使番茄、棉花、向日葵、娃娃菜、辣椒、小麦和玉米等作物产量提高9.6%-52.7%。

芽孢杆菌生物膜形成有助于增强植物铁吸收

研究发现SQR9和3610的生物膜结合铁浓度分别是其细胞内铁浓度的4.7倍和9.6倍。μ-XRF图谱显示SQR9定殖的根部铁强度增加。通过分析16个具有不同定殖能力的SQR9突变体，发现细菌根部定殖与铁吸收呈正相关。特别值得注意的是，生物膜基质产生缺陷的△epsD△tasA突变体虽然仍能促进植物生长，但无法增强植物叶和根的铁含量，且生物膜结合铁浓度低于SQR9。

生物膜结合铁对SQR9促进植物铁吸收至关重要

通过构建△sinR△dhbA双突变体（生物膜形成正常但铁积累缺陷），发现该突变体无法在根部原位积累铁，也不能增强植物铁吸收，但仍能促进植物生长。这表明生物膜结合铁，而非生物膜基质或细菌定殖密度，是增强植物铁吸收的关键因素。

植物从SQR9的根相关生物膜中吸收铁

通过三种⁵⁷Fe实验证实，植物能够从生物膜中吸收铁。将富含⁵⁷Fe的生物膜转移到拟南芥根部2天后，植株⁵⁷Fe含量增加27.4%；从生物膜基质中提取的⁵⁷Fe处理2天后，植株⁵⁷Fe含量增加17.0%；预 colonized 的植株转移到无铁培养基2天后，SQR9处理的植株地上部⁵⁷Fe增加率是对照的4.7倍。

SQR9定殖通过铁载体生产激活拟南芥根中铁吸收相关基因

RNA-seq分析显示，SQR9定殖引起拟南芥根中2737个基因上调和2857个基因下调。GO富集分析表明，差异表达基因与血红素结合、离子结合、催化活性、氧化还原酶活性和铁离子结合相关。关键铁稳态基因IRT1和FRO2的表达分别上调45.3倍和16.2倍。RT-qPCR证实了这一表达模式，IRT1和FRO2表达分别上调64.4倍和10.2倍。此外，香豆素生物合成基因（F6'H1、COSY、S8H和CYP82C4）表达也上调2倍以上。

研究发现，铁载体bacillibactin（BB）在激活植物铁缺乏响应中起关键作用。△dhbA和△sinR△dhbA突变体定殖时，IRT1和FRO2表达激活受损，而△epsD△tasA和SQR9定殖时这些基因表达仍上调。使用儿茶酚酸铁载体enterobactin（ENT）和BB生物合成前体2,3-二羟基苯甲酸（DHBA）处理植物，能特异性诱导铁吸收相关基因表达，证实了儿茶酚酸铁载体在激活植物铁吸收机制中的作用。

SQR9促进植物铁吸收依赖于植物的铁摄取系统

通过研究拟南芥铁吸收缺陷突变体irt1和fro2，发现SQR9定殖无法提高fro2植株的叶绿素含量，在irt1植株中的效果也减弱，但对植物生长的促进作用在野生型和突变体间无差异。这表明SQR9缓解植物铁缺乏完全依赖于FRO2，部分依赖于IRT1，且独立于生长促进作用。

本研究揭示了SQR9通过生物膜形成在根部积累铁，并通过铁载体生产激活植物铁吸收机制的双重作用。铁在SQR9生物膜中可被植物吸收，为理解生物膜形成PGPR促进铁吸收的分子机制提供了新见解。研究结果强调了具有强生物膜形成和铁载体生产能力的PGPR在可持续农业铁强化中的应用潜力。

研究的局限性在于，BB同时刺激植物铁吸收机制的过程仅部分依赖于IRT1，需要进一步阐明其他铁转运机制，如香豆素介导的铁吸收。此外，使用ENT替代BB研究其对植物铁吸收的影响，未来需要探讨BB如何刺激植物铁吸收机制以及BB-Fe³⁺复合物是否能被植物直接吸收利用。

该研究为开发基于微生物的农业铁强化策略提供了重要理论依据，特别是在应对全球碱性土壤作物铁缺乏问题上具有广阔应用前景。通过利用具有强生物膜形成和铁载体生产能力的PGPR，有望为实现农业可持续发展提供新的解决方案。