内生菌与纳米氧化铁协同调控植物抗逆性及次生代谢产物合成的机制研究

本研究针对伊朗特有药用植物Satureja khuzistanica在碱性土壤中铁元素缺乏的问题，创新性地结合植物根际促生菌(PGPR)和纳米/常规Fe2O3叶面喷施技术，系统评估了其对植物生长、抗氧化活性及精油产量的影响。结果表明PGPR与100 mg L-1 Fe2O3NPs协同作用可显著提升精油产量达4.07倍，为药用植物可持续栽培提供了新策略。

　　

在伊朗西南部石灰质土壤中生长的特有药用植物Satureja khuzistanica Jamzad，因其富含香芹酚（carvacrol）等活性成分而备受制药和食品工业青睐。然而碱性土壤导致的铁元素缺乏严重制约了其生长和精油产量，加之过度采挖导致的生态脆弱性，亟需开发可持续栽培方案。铁作为140多种酶的关键辅因子，在光合作用、抗氧化系统等生理过程中扮演核心角色，但土壤中铁主要以难溶的Fe³⁺形式存在，植物利用率低下。传统化学肥料效率低且污染环境，而纳米技术和微生物接种等新兴策略为这一问题提供了潜在解决方案。

洛雷斯坦大学农业学院的研究人员创新性地将植物根际促生菌（PGPR，包括Curtobacterium plantarum和Pseudomonas brassicacearum）与不同形态（纳米/常规）和浓度（0/100/200 mg L^-1）的Fe₂O₃相结合，通过温室控制实验系统研究了其对S. khuzistanica生长代谢的影响，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》。研究采用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）表征纳米颗粒特性，通过测定生长参数、光合色素、抗氧化酶活性（CAT、APX、POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性以及水杨酸途径相关代谢物，结合水蒸气蒸馏法和GC-MS/GC-FID分析精油成分，全面评估了各处理组的生理响应。

【材料与方法】
研究采用完全随机设计，设置PGPR接种（接种/不接种）与五种Fe₂O₃处理（对照、100/200 mg L^-1纳米/常规形态）的双因素组合。通过TEM/SEM确认Fe₂O₃NPs为20-100 nm球形颗粒，Zeta电位显示良好稳定性。植物栽培采用沙壤混合基质，每隔20天进行PGPR根部接种（10⁷ CFU/mL），每两周叶面喷施Fe₂O₃共6次。收获期测定生长指标、相对含水量（RWC）、光合色素、铁含量、抗氧化活性及精油产量，并通过GC-MS/FID解析17种精油组分。

【研究结果】
3.1 纳米颗粒特性
TEM显示Fe₂O₃NPs呈球形（图1），SEM证实200 mg L^-1处理的叶片气孔细胞表面有纳米颗粒沉积（图2E-F），表明其可通过气孔途径进入植物体。

3.2 生物量与产量
PGPR接种使叶长增加8.68%，而100 mg L^-1 Fe₂O₃NPs处理获得最高绝对生长速率（AGR=0.165）。交互作用显示，PGPR+100 mg L^-1 Fe₂O₃NPs使根干重提升2倍（表1）。

3.3 生理指标
PGPR+200 mg L^-1 Fe₂O³NPs处理获得最高RWC（87.62%）和叶绿素a含量（0.34 mg g^-1 FW），较对照提升2.26倍（表2）。

3.4 抗氧化系统
200 mg L^-1 Fe₂O₃NPs使非接种组的APX活性提升7.97倍，CAT活性增加2.79倍（图5B-D）。PGPR单独处理使总黄酮含量达1.83 mg RE g^-1 DW。

3.8 精油生产
PGPR+100 mg L^-1 Fe₂O₃NPs使精油含量和产量分别达3.29%和0.11 g plant^-1（图6），较对照提升2-4倍。

3.9 精油成分
非接种组中200 mg L^-1 Fe₂O₃NPs处理使主要成分香芹酚含量达90.96%（表3），而PGPR接种促进Z-桧烯水合物等次要成分积累。

【结论与意义】
该研究首次证实PGPR与Fe₂O₃NPs的协同作用可优化S. khuzistanica的铁营养状况，通过多重机制提升其农艺性状和次生代谢：①PGPR分泌铁载体（siderophores）促进Fe³⁺溶解，同时IAA（吲哚乙酸）刺激根系发育；②纳米铁的高比表面积增强叶面吸收，为细胞色素P450等关键酶提供辅因子；③组合处理激活苯丙烷代谢途径（PAL活性提升2.34倍），促进黄酮和单萜类合成。特别值得注意的是，虽然单独处理均能提升香芹酚含量，但组合处理未显示叠加效应，推测可能与代谢资源竞争有关。该研究为濒危药用植物的生态栽培提供了"微生物-纳米"协同增效的新范式，其100 mg L^-1 Fe₂O₃NPs+PGPR的组合方案在保证高产的同时，显著降低了铁肥用量，对发展资源节约型农业具有重要实践价值。未来研究需进一步解析纳米铁与微生物互作的分子机制，并评估长期田间应用对土壤微生态的影响。