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在草原生态系统中，过度放牧（OG）导致草地退化，植物与根际促生菌（PGPR）的协同作用对植物应对 OG 压力至关重要，但相关机制不明。研究人员以羊草（Leymus chinensis）为对象，经多组学分析等研究发现，羊草可招募 PGPR B68 促进生长，为草原修复等提供依据。
在广袤的草原上，牛羊等牲畜的身影随处可见，放牧本是草原利用的常见方式，可一旦过度，问题就接踵而至。过度放牧就像一场生态灾难，使得草原逐渐失去往日的生机，优质牧草的数量锐减，土壤微生物的 “小世界” 也被搅得混乱不堪。植物在这样恶劣的环境下，面临着巨大的生存挑战。以往的研究虽然发现植物能和根际微生物 “联手” 抵抗压力，可对于在过度放牧这种特殊情况下，它们之间究竟如何协同作战，人们了解得少之又少。为了揭开这个神秘的面纱，探寻草原生态的奥秘，内蒙古大学的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《BMC Plant Biology》杂志上。
为了深入探究其中的机制，研究人员开展了一系列实验。他们综合运用了多种关键技术方法，其中包括多组学分析（涵盖了宏基因组学、转录组学和代谢组学），通过这些技术，研究人员得以从不同层面解析植物与微生物的相互作用；还进行了体外趋化性和生物膜形成实验，以探究根际分泌物对微生物的影响；此外，利用扩增子测序技术来监测根际细菌群落的变化情况 。
研究结果表明：
- 过度放牧对根际细菌群落的影响：长期过度放牧显著改变了羊草根际微生物群落结构，降低了其 α 多样性（辛普森指数下降）。宏基因组测序分析发现，过度放牧使根际微生物群落中富集了一些有益菌，如 Leifsonia、Ramlibacter、Flavobacterium 和 Phyllobacterium 等，同时改变了与碳、氮、磷代谢相关的基因表达，促进了土壤微生物对磷的溶解和氮的循环。
- 菌株 B68 的分离及特性：从过度放牧的羊草根际土壤中成功分离出菌株 B68，经鉴定它属于 Phyllobacterium 属，命名为 Phyllobacterium sp. B68。该菌株具有解磷、固氮和产生吲哚 - 3 - 乙酸（IAA）的能力，其透明圈与菌落直径比为 1.85 ± 0.16，IAA 产量为 35.49 μg/mL，无机磷溶解活性为 87.83 μg/mL，固氮酶活性为 183.43 IU/L 。
- 羊草根际分泌物对 B68 的影响：对比过度放牧和未放牧的羊草根际分泌物，发现一些差异代谢物（DEMs）。其中，L - 亮氨酰 - L - 丙氨酸和虫草素等在过度放牧根际分泌物中显著上调，且与 B68 的丰度呈正相关。体外实验表明，4 种氨基酸、1 种生物碱和 2 种肉桂酸衍生物在一定浓度范围内可显著促进 B68 的趋化性和生物膜形成 。
- B68 接种对根际细菌群落的影响：接种 B68 后，羊草根际土壤中 Terrimonas、Ramlibacter、Phyllobacterium（ASV000088）和 Luteimonas 等属的细菌显著富集，且 B68 能成功在羊草根际定植，其序列与 ASV000088 相似度达 100%。基于 PICRUSt2 的功能预测显示，B68 接种丰富了多种代谢途径，包括氨基酸代谢、能量代谢和碳水化合物代谢等 。
- B68 接种促进羊草生长：接种 B68 四周后，羊草的株高、茎粗、叶长、叶绿素含量、叶宽、鲜叶重、鲜根重、干茎重和干根重等指标均显著增加，分别提高了 15.96%、12.21%、9.00%、13.83%、13.89%、23.45%、35.92%、45.49% 和 31.57% 。
- B68 接种对植物激素、营养物质和酶活性的影响：B68 接种显著增加了羊草叶片和根系中 IAA（55.70 - 80.18%）、茉莉酸（JA，39.94 - 42.24%）、脱落酸（ABA，叶片中增加）、水杨酸（SA，根系中增加）等植物激素的含量，同时提高了可溶性糖、葡萄糖、植物总碳、总氮、总磷和总钾的含量，还增强了抗氧化酶系统（超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD））的活性以及 RuBisCO 活性 。
- B68 接种对植物转录组的影响：转录组测序分析发现，接种 B68 后，羊草叶片和根系中分别有 14,501 个和 17,971 个基因差异表达。GO 和 KEGG 分析显示，这些差异表达基因（DEGs）参与了植物激素信号转导、光合作用、碳水化合物代谢、营养物质吸收和代谢等多个生物学过程。例如，在植物激素信号转导途径中，多个与 IAA、SA、JA、ABA 等激素相关的基因表达发生改变 。
- B68 接种对植物根代谢组的影响：接种 B68 后，羊草根中鉴定出 76 种差异代谢物，主要富集在萜类化合物、酚酸等类别。KEGG 分析表明，这些差异代谢物参与了氨酰 - tRNA 生物合成、ABC 转运蛋白、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢以及次生代谢物的生物合成等途径 。
- 综合代谢组和转录组分析：对差异代谢物和差异表达基因进行共表达网络分析发现，一些萜类和酚酸类代谢物与多个差异表达基因密切相关。KEGG 分析显示，这些差异代谢物和差异表达基因主要富集在氧化磷酸化、氮代谢、淀粉和蔗糖代谢以及苯丙烷生物合成等途径，表明 B68 通过调节这些代谢途径影响羊草的生长和发育 。
- RT - qPCR 验证：通过 RT - qPCR 对部分差异表达基因进行验证，结果与转录组数据相符，证明了转录组数据的准确性和可靠性 。
综合研究结论和讨论部分的内容可知，本研究揭示了羊草在过度放牧压力下，通过调节根际分泌物招募有益的 Phyllobacterium sp. B68，B68 在根际成功定植后，不仅重塑了根际微生物群落，还系统地上调了与植物生长、营养代谢相关的基因表达，促进了羊草的生长和发育。这一研究成果加深了人们对草原植物与根际微生物协同作用机制的理解，为退化草原的修复、草地资源的合理利用以及可持续农业的发展提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动草原生态系统的保护和恢复工作。
