球形赖氨酸芽孢杆菌接种增强菜豆干旱恢复力的生理机制研究

《Discover Plants》：Enhancing drought resilience in common bean (Phaseolus vulgaris) through Lysinibacillus sphaericus inoculation

本研究针对气候变化下干旱加剧威胁菜豆生产的重大问题，通过接种植物根际促生菌Lysinibacillus sphaericus，系统评估了其对菜豆干旱耐受性的提升作用。研究发现接种菌剂能维持较高的叶片水势(ΨL)、降低蒸腾速率(E)并提高质量基准光合速率(Amass)，显著改善植株水分状况和光合性能，使接种植株在14天干旱后全部恢复，而未接种组仅25%存活。该成果为减少化肥使用、提升作物气候韧性提供了可靠的生物技术方案。

　　

随着全球气候变化的加剧，热带地区干旱事件的频率和强度持续增加，这对主要粮食作物构成了严重威胁。菜豆（Phaseolus vulgaris L.）作为热带地区重要的粮食作物，是新兴经济体国家重要的碳水化合物来源，同时富含膳食纤维和铁、锌等矿物质。在哥伦比亚，菜豆更是豆类作物中最重要的品种，占直接食用豆类的50%。然而，气候变化导致的降水减少和温度升高，正严重威胁着哥伦比亚温贝、托利马、昆迪纳马卡和桑坦德等主要菜豆产区的农业生产。根据哥伦比亚水文气象与环境研究所预测，本世纪北部哥伦比亚的降水量将减少10%-40%，这使菜豆生产面临前所未有的挑战。

干旱胁迫会导致植物水势下降、气孔导度降低、蒸腾和光合速率减弱，从而 negatively 影响植物生长。面对这一挑战，利用植物根际促生菌（PGPB）作为化学肥料的可持续替代方案，有望提高作物在水分限制条件下的恢复力。其中，球形赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus sphaericus）作为一种革兰氏阳性、产孢、好氧的中温细菌，已显示出固氮、溶磷能力，并含有与硝化过程相关的基因（如amoA基因）。然而，这种细菌在不同菌株组成的菌剂与植物在干旱等非生物胁迫条件下的相互作用尚未得到充分探索。

为了回答“Lysinibacillus sphaericus接种如何增强菜豆的干旱恢复力”这一科学问题，Hernández-Cortés等研究人员在《Discover Plants》上发表了最新研究成果。研究团队假设接种L. sphaericus能通过改善水分关系、增强气体交换、维持光合活性和增加植物干物质生产来缓解干旱胁迫。

研究人员采用温室实验设计，将菜豆幼苗分为四组处理：接种/非接种×对照/干旱。通过暂停灌溉14天模拟干旱胁迫，并在干旱第7天、第14天及复水后第7天（恢复期）监测土壤体积含水量（VWC）、叶片水势（Ψ_L）、光系统II最大光化学效率（F_v/F_m）、气孔导度（g_s）、蒸腾速率（E）和质量基准光合速率（A_mass）。菌剂由OT4b.31、CBAM5、2362和III(3)7四种L. sphaericus菌株组成，通过土壤浇灌法一次性施用。

关键实验技术包括：采用压力室测定叶片水势，便携式气体交换系统测量气体交换参数，叶绿素荧光仪测定光化学效率，土壤水分传感器监测体积含水量，以及图像分析软件计算比叶面积（SLA）等。

研究结果：

土壤水分与水分关系动态

如图2所示，干旱处理显著降低了土壤体积含水量。到第14天，接种干旱处理的叶片水势显著高于非接种干旱处理，表明接种缓解了干旱引起的水分胁迫。虽然F_v/F_m在各处理间无显著差异，但接种植株在干旱条件下倾向于维持较高的值。

气体交换参数响应

干旱第7天，非接种植株的所有气体交换参数均显著下降，而接种植株仅气孔导度显著降低，蒸腾速率和光合速率虽有下降趋势但未达显著水平，表明接种延缓了干旱胁迫的显现。到第14天，接种干旱植株的蒸腾速率和光合速率虽低于对照，但仍优于非接种干旱植株，显示出更好的生理维持能力。

生物量积累与分配

干旱非接种植株的总干质量最低，根、茎质量均显著减少。接种干旱植株的干质量虽低于对照接种，但差异不显著，且叶片质量显著高于非接种干旱处理，表明接种促进了光合组织的投资。

恢复能力

复水后，所有接种植株完全恢复生理功能，而非接种组仅一株存活。 surviving 植株的水势、光化学效率和气体交换参数均恢复至正常水平，证明接种显著增强了植株的干旱后恢复能力。

讨论与结论：

研究表明，L. sphaericus接种通过维持较高的土壤含水量和降低蒸腾速率，帮助菜豆在干旱条件下保持较好的水分状况。尽管干旱导致光合作用和气孔导度下降，但接种植株仍能积累更多生物量，表明菌剂促进了胁迫条件下的资源分配向生长倾斜。菌剂可能通过影响细胞分裂素和脱落酸等植物激素动态，调节气孔行为和对干旱的响应。此外，菌剂与土著微生物组的互作也可能在塑造植物应答中发挥作用。

该研究证实L. sphaericus能有效增强菜豆的干旱恢复力，在14天无灌溉条件下维持较高的叶片水势和光合活性，并实现100%的干旱后恢复率。这一发现为应对气候变化下日益频繁的干旱事件提供了有前景的生物策略，对减少化肥使用、推动可持续农业发展具有重要意义。未来研究应深入解析其生理生化机制，并评估田间条件下的产量效应，以充分发挥PGPB在可持续农业中的潜力。