混合植物根际促生菌协同互作通过增强生物膜形成和根际定殖促进番茄生长的机制研究

本研究针对单一PGPR菌株田间应用效果不稳定的问题，通过构建功能互补的混合菌群（Pantoea ananatis D1-28/Bacillus aryabhattai LAD），系统解析了生物膜介导的根际定殖与代谢协同机制。研究发现该组合使番茄生物量提升186-543%，并通过上调IAA合成和NRT2.1转运基因表达显著促进根系发育，为开发生物膜增强型微生物肥料提供了理论依据。

　　

在追求农业可持续发展的今天，化学肥料过度使用导致的土壤退化问题日益严峻。植物根际促生菌（PGPR）作为绿色替代方案备受关注，但单一菌株在复杂田间环境中常表现不稳定。这一困境的核心在于：微生物如何突破根际定殖效率低下的瓶颈？最新研究表明，生物膜（biofilm）作为微生物的"防护堡垒"，可能是解决问题的关键。然而，关于混合菌群如何通过生物膜协同增效的机制研究仍属空白。

为此，来自沈阳农业大学的科研团队在《Scientia Horticulturae》发表重要成果。研究选取Pantoea ananatis D1-28、Bacillus aryabhattai LAD和Burkholderia cepacia 4-5三种PGPR菌株，通过表型筛选、基因表达分析和扫描电镜等技术，首次揭示了混合菌群的协同增效规律。

关键实验方法

研究采用从沈阳农业大学海城实验基地分离的3株PGPR，设置7种接种处理（3单菌+3双菌+1三菌组合）。通过Ashby无氮培养基、CAS铁载体检测等方法评估促生特性；结晶紫染色定量生物膜；扫描电镜观察根表定殖；qPCR分析生长素合成基因（IAA17/GH3.2等）和硝酸盐转运基因（NRT2.1）表达。

主要研究结果

3.1 菌株功能互补特性

D1-28/LAD组合展现显著协同效应：氮酶活性达54.91 U·L^-1（较单菌提升115-123%），铁载体产量增加573%，IAA合成提高131%。值得注意的是，LAD单独不溶磷但与D1-28共培养时，无机磷溶解量提升312%。

3.2 生物膜形成增强

双菌组合生物膜OD₅₉₀值达5.23±0.18，胞外多糖产量较单菌最高提升470%。电镜显示其形成致密纤维状基质，显著增强根表定殖能力。

3.3 番茄生长促进效应

在10⁶ cfu·mL^-1接种浓度下，D1-28/LAD使番茄鲜重增长186-327%，根体积增加525%。qPCR显示该组合特异性上调IAA30（12倍）和SAUR32（10倍）基因表达，NRT2.1转运基因表达提升6倍。

机制讨论与意义

该研究突破性地揭示了PGPR协同增效的"三重机制"：生物膜物理屏障增强环境抗性、代谢互补提升促生物质产量、基因调控重塑植物发育程序。特别值得注意的是，三菌组合（D1-28+LAD+4-5）反而表现抑制，说明菌群互作存在精确的"剂量-效应"关系。

这些发现为设计"生物膜优化型"微生物肥料提供了新思路：通过精准匹配具有功能互补特性的菌株，可突破单一菌株的生态位限制。研究建立的D1-28/LAD组合使番茄根系表面积增加531%，这一指标对水分养分吸收至关重要，预示着在干旱地区的应用潜力。未来研究可进一步解析混合菌群的群体感应（quorum sensing）机制，推动PGPR制剂从实验室走向田间。