《npj Sustainable Agriculture》：Biostimulatory effects of Limnospira indica on the modulation of rhizosphere and endosphere microbiota and its impact on plant growth
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本研究针对可持续农业中化学投入品过度使用的问题，探索了利用钝顶节旋藻(Limnospira indica)培养残留物作为生物刺激素的潜力。研究人员通过比较硝酸盐充足(N+)与缺乏(N-)条件下获得的培养液(CM)和生物质提取物(BME)，采用土壤改良和叶面喷施两种方式处理番茄(Solanum lycopersicum)，系统评估了其对植物生长和根际/根内微生物组的影响。结果表明，富含多糖的CM N-能显著增加花朵数量(49.8%, p=0.005)，并特异性富集植物生长促进菌属(如Acidovorax, Devosia)。该研究为开发基于微藻的绿色农业投入品提供了新策略。
随着全球人口持续增长和气候变化加剧，如何在满足粮食需求的同时最大限度减少对环境的影响，已成为21世纪农业面临的核心挑战。传统农业生产严重依赖化肥和农药，这不仅导致土壤退化、生物多样性丧失和环境染，也凸显了寻找创新方法以提高作物生产力并维护生态系统健康的迫切性。与此同时，太空探索对自主、高可靠性食物生产的需求，推动了闭合循环生命支持系统的研究。在此背景下，欧洲空间局的MELiSSA计划开发了将废物转化为作物生产资源的技术，其中就包括培养营养丰富的蓝细菌——钝顶节旋藻（Limnospira indica，原名螺旋藻）。为了在不依赖外部投入的情况下进一步提高生产力和韧性，MELiSSA也探索基于微生物的生物刺激素。
微生物生物刺激素能够调节植物相关微生物组并递送生物活性化合物，从而改善生长、养分吸收和抗逆性。其活性通常依赖于重塑根际和根部相关群落，这些群落通过固氮、溶磷以及合成植物激素等过程在植物健康中扮演关键角色。近期研究表明，生物刺激素诱导的这些微生物网络调控可以显著提升作物在最优和次优条件下的表现。然而，不同施用方式（土壤改良与叶面喷施）对效果的影响，尤其在等效剂量下的系统比较仍很缺乏。
本研究以番茄（Solanum lycopersicum）为模型作物，探究了源自钝顶节旋藻的不同组分（培养液CM和生物质提取物BME）的效果，这些组分在硝酸盐充足(N+)和缺乏(N-)条件下生产。研究设计了剂量等效的土壤改良和叶面施用处理，持续监测番茄的生长性状，并利用16S rRNA基因测序分析了根际和根内微生物群的时序变化。
为开展研究，作者首先表征了不同培养条件下钝顶节旋藻PCC8005的生长曲线及其培养组分的生化特性。如图1所示，虽然菌株在有无硝酸盐条件下均能生长，但存在硝酸盐时生长更佳。关键的是，培养条件显著影响了菌体的生化组成，尤其是多糖生物合成。硝酸盐缺乏导致菌体蛋白质含量从占干重(DW)的76%降至31%，而荚膜和内部碳水化合物含量则从8%显著增加至57%。更值得注意的是，胞外多糖(EPS)的分泌量在缺氮条件下增加了两倍，从N+条件的0.05% DW升至N-条件的0.15% DW（图2）。单糖组成分析（图3）进一步揭示，无论氮条件如何，细胞内多糖均以葡萄糖和半乳糖为主；而胞外多糖则呈现出不同的组成特征，N-条件下岩藻糖+鼠李糖的比例较高。这些富含多糖的组分是后续生物刺激研究的基础。
研究人员通过土壤改良（施用2.5%溶液）和叶面喷施（施用25%溶液）两种方式，将不同组分应用于番茄植株，并系统评估了株高、分枝数、叶片数、花朵数和早期果实数等表型指标。结果显示，富含多糖的CM N-通过土壤改良施用能显著促进番茄开花，使花朵数量增加49.8%（图5A）。而叶面喷施BME N-则提高了果实产量（图5D）。相反，通过土壤施用的CM N-却导致了植株尺寸的减小（图4C）。这些表型效应与根际和根内微生物组的显著重塑密切相关。
微生物组分析结果
通过16S rRNA基因测序，研究人员深入解析了生物刺激处理对番茄根际和根内微生物群落的影响。
α多样性和β多样性变化
香农指数分析表明，在土壤改良施用中，CM N-在处理20天(T20)时显著降低了根际细菌群落的α多样性，但到35天(T35)时，所有处理组的多样性趋于一致，并呈现出自T20至T35的显著增加趋势。在叶面喷施中，根际微生物群的α多样性从T0到T35在CM N+和CM N-条件下均显著增加。在根内微生物群中，所有处理组均随时间推移呈现α多样性增加的趋势，且在T35时，CM N-处理的多样性高于水对照和CM N+处理。PERMANOVA分析显著揭示了时间和处理条件对细菌群落结构的交互影响。
关键微生物类群的响应
Circos图（图6）生动展示了在CM生物刺激下，根际和根内最主要的10个属的相对丰度随时间的变化。在根际微生物组中，无论是土壤改良还是叶面喷施，四个主要属均为Rhodanobacter、Devosia、Chitinophaga和Dokdonella。这些菌属均具有已知的植物生长促进特性。例如，Rhodanobacter作为一种内生细菌，能增强番茄的生物和非生物胁迫耐受性，具有固氮作用并能产生刺激根系生长的吲哚乙酸(IAA)。本研究中，其相对丰度在T0和T20时在所有条件下约为18±1%，但在叶面喷施CM N-时降至13%，到T35时，除CM N-处理（两种施用方式下均降至10%）外，其他处理降至13±2%。Devosia的丰度从T0（CMRhizoA中为2%，CMRhizoF中为1%）增加到T20（5±1%），之后保持稳定，该菌已知具有固氮能力，可能通过产生植物激素促进根系发育。Chitinophaga的相对丰度则从T0（CMRhizoA中6%，CMRhizoF中15%）到T35急剧下降至约3-4%，其下降可能揭示了根际微生物群落内的竞争或拮抗相互作用。
在根内微生物组中，五个主要属为Massilia、Rhodanobacter、Acidovorax、Shinella和Asticacacaulis。Massilia的相对丰度随时间显著下降，从T0的32±2%降至T35的3±1%，其早期存在可能对植株早期生长有支持作用。Acidovorax和Shinella的相对丰度在不同施用方式下响应不同，这些菌属已知能产生植物激素、促进氮固定和矿物质溶蚀。Asticacacaulis的相对丰度在对照中从T0(2%)增至T35(5.5±1.5%)，但在CM N+A、CM N+F和CM N-A处理中从T20(6%)降至T35(3%)。
响应菌属的鉴定与功能
通过热图分析（图7, 8），研究鉴定出多个在生物刺激条件下显著响应的细菌属，并根据其丰度模式划分为不同的响应组(RG)。在T35时，CM N-处理（无论是土壤改良还是叶面喷施）下显著富集的菌属总结于图9和表2。这些菌属根据其已知功能可分为以下几类：
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植物生长促进菌：如Azospirillum（产生植物激素）、Caldicoprobacter（固氮）、Devosia（固氮、产生植物激素）、Enterobacter（多种促生作用）、Geomonas（固氮）、Lelliottia（溶磷）等。
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生物修复菌：如Aliidongia（产生可生物降解塑料）、Dechlorobacter（还原高氯酸盐）、Desulfitobacterium（降解氯化有机物）、Feruginibacter（废水处理）、Flectobacillus（具生物修复特性）、Methylomicrobium（好氧甲烷氧化）、Patulibacter（降解药物污染物）、Xenophilus（降解偶氮染料）等。
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胁迫缓解菌：如Variovorax（在干旱土壤条件下促进植物生长）。
值得注意的是，叶面喷施CM N-显著提高了Pseudoduganella和Afpia的相对丰度；Enterobacter在该处理下也明显富集，而在其他处理中几乎未检出。
研究结论与意义
本研究通过整合表型观测和微生物组数据，揭示了钝顶节旋藻，特别是其缺氮条件下产生的培养残留物，作为高效生物刺激素的潜力。主要结论如下：
- 1.
培养条件决定生物刺激素活性：硝酸盐缺乏诱导钝顶节旋藻代谢转向，显著增加胞内和胞外多糖（尤其是EPS）的积累，这与其生物刺激活性密切相关。
- 2.
施用方式影响效果：富含多糖的CM N-通过土壤改良施用能显著促进番茄开花，而叶面喷施BME N-则有利于提高果实产量。这表明不同组分和施用方式可能通过不同途径起作用。
- 3.
微生物组调控是核心机制：生物刺激素处理显著改变了根际和根内微生物群的组成和多样性，富集了多种具有植物生长促进、生物修复和胁迫缓解功能的细菌属。这种微生物群落的重塑与观察到的植物表型改善（如开花增加）密切相关。
- 4.
系统性效应：叶面喷施CM N-能重塑根部微生物组，表明多糖等活性成分可能通过系统信号影响植物代谢和根部微生物组的组装。
该研究的重要意义在于：首先，它证实了钝顶节旋藻的残留培养液，尤其是缺氮条件下产生的富含多糖的组分，是一种有效的生物刺激素，为高价值微藻培养副产物的资源化利用开辟了新途径，具有经济和环境双重效益。其次，研究从微生物组调控的角度深入揭示了生物刺激素的作用机制，为设计和优化基于微生物的农业投入品提供了理论依据。最后，这些发现对于开发适用于可持续农业乃至封闭环境生命支持系统（如太空农业）的作物生产技术具有重要参考价值。研究结果发表于《npj Sustainable Agriculture》，强调了利用微生物互作实现农业可持续发展的潜力。
