土壤细菌与共生根瘤菌协同促进苜蓿固氮及生物量积累的机制研究——水分胁迫下不改变原生根际微生物群的结构与功能

为解决现代农业中合成氮肥导致的土壤退化及温室气体排放问题，研究人员通过构建含Sinorhizobium meliloti BL225C的微生物复合体(Mix1/Mix2)，探究其在水分胁迫下对苜蓿(Medicago sativa L.)固氮效率及生物量的影响。结果表明Mix2 consortium通过多重植物促生特性(PGP)显著提升氮酶活性(2.4倍)及15N同化量(7.5%)，且不干扰原生根际微生物群。该研究为低投入农业中微生物菌剂的开发提供了重要范式。

　　

在追求农业可持续发展的背景下，合成氮肥的过度使用已成为全球性难题。这类肥料不仅导致地下水污染和土壤质量下降，还会加剧温室气体排放。生物固氮(Biological Nitrogen Fixation, BNF)作为天然替代方案，尤其对于苜蓿(Medicago sativa L.)等豆科作物，其与根瘤菌的共生关系可大幅减少对外源氮的依赖。然而，实际应用中存在两大瓶颈：一是单一菌株在田间复杂环境中的效果不稳定；二是干旱胁迫会显著抑制固氮效率。更棘手的是，外源微生物的引入可能破坏土壤生态平衡。如何构建既能耐受环境压力，又能与原生微生物和谐共处的功能性菌群，成为低投入农业亟待突破的科学问题。

意大利研究团队在《Applied Soil Ecology》发表的研究中，通过精心设计包含Sinorhizobium meliloti BL225C和7株非根瘤菌的两种复合菌剂(Mix1/Mix2)，系统评估了其在实验室至田间不同条件下的协同效应。关键技术包括：16S rRNA扩增子测序分析根际微生物群结构；乙炔还原法(ARA)定量氮酶活性；¹⁵N同位素稀释技术测定大气氮同化率；全基因组测序解析菌株功能基因；以及基于ImageJ的根系表型分析。供试菌株源自意大利和马里不同生态型的宿主植物，确保遗传多样性。

3.1 菌群特性分析
研究首先验证了菌株间的相容性，所有菌株在1 M NaCl条件下均保持生长活力（附图S2）。Mix2包含5株固氮菌（含BL225C）、5株IAA生产菌及1株ACC脱氨酶阳性菌，功能冗余度显著高于仅含3株菌的Mix1。基因组注释证实Kosakonia sacchari RCA25具有完整的nif基因簇，而Microbacterium laevaniformans BDA137-13携带acdS基因调控模块（表2）。

3.3 固氮效能提升
乙酰还原实验显示，Mix2处理的苜蓿氮酶活性达1.8 nmol乙烯/株/分钟，是对照组(BL225C单菌)的2.4倍（表3）。值得注意的是，非固氮菌如IAA生产者BDA62-2也能通过未知机制提升BL225C活性1.9倍，暗示存在跨界信号交流。

3.4 植物表型改良
生长室实验中，Mix2使初生根长度增加13%、次生根数量提升35%（图1）。鲜重和干重分别增长27%和14%（表4），这与菌株成功定殖的证据相符——PCR检测证实RCA24/RCA25在灭菌植株中仍有微量存在（附图S5）。

3.5 田间验证
在三年田间试验中，Mix2展现出显著优势：第一季生物量在50%灌溉(I50)下增加17%，且¹⁵N同化率提升7.5%（图5）。这种优势在后续季节虽逐渐减弱，但仍保持9.1%的增产（图6）。尤为关键的是，干旱条件下Mix2处理的植株氮吸收量仍增加16.9%（图4），说明菌群协同效应能缓解水分胁迫。

3.6 生态安全性评估
扩增子测序显示，接种处理未显著改变根际微生物的α/β多样性（表6）。优势门类Actinobacteriota和Proteobacteriota的相对丰度保持稳定（图7），NMDS分析表明菌群处理与对照样本完全重叠（图8），证实外源菌群未引发生态扰动。

结论与展望
该研究突破性地证明：多功能菌群协同作用可超越单一菌株的局限性，在维持土壤生态平衡的前提下，实现"逆境增产"双重目标。Mix2通过IAA介导的根系构型重塑和多重固氮途径，构建了高效的植物-微生物互作网络。其创新性体现在三方面：首次在田间尺度验证复合菌剂对苜蓿干旱耐受性的提升；建立菌群功能冗余度与田间表现的正相关关系；为微生物菌剂的生态风险评估提供方法论范例。未来研究可深入解析菌群间代谢物交换机制，并探索不同作物体系的普适性方案。这项成果为减少农业氮足迹提供了可推广的微生物解决方案，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的"零饥饿"和"气候行动"具有实践意义。