《Journal of Agriculture and Food Research》：Plant growth-promoting
Bacillus strains enhance tomato drought tolerance through physiological, antioxidant, and stress-responsive gene expression
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耐旱植物促生细菌（PGPB）经测序鉴定为副地衣芽孢杆菌（B. paralicheniformis）S4和S5、萨福克芽孢杆菌（B. safensis）S6以及海恩斯芽孢杆菌（B. haynesii）S9和S10。基因组分析揭示了与植物营养、激素调控和胁迫缓解相
耐旱植物促生细菌（PGPB）经测序鉴定为副地衣芽孢杆菌（B. paralicheniformis）S4和S5、萨福克芽孢杆菌（B. safensis）S6以及海恩斯芽孢杆菌（B. haynesii）S9和S10。基因组分析揭示了与植物营养、激素调控和胁迫缓解相关的多种性状。芽孢杆菌菌株在体外表现出较强的渗透胁迫耐受性和关键的促生活性。细菌接种增强了干旱胁迫下番茄的生物量、光合作用和渗透调节物质积累。海恩斯芽孢杆菌S9和S10提供了最大的干旱恢复力，增强了抗氧化防御并激活了干旱响应基因。
论文解读
一、研究背景与目的
当前以最大化作物产量为目标的农业生产实践对自然生态系统造成了显著的负面影响，包括自然资源耗竭、土壤侵蚀加剧以及生物多样性和有机质的大量损失。气候变化与农业集约化进一步挑战了作物生产力和健康。植物健康尤其受到非生物和生物胁迫的影响，据估计这些胁迫每年导致全球作物产量减少超过50%。其中，干旱是限制农业生产力和减少可耕地面积的最关键因素之一。向可持续和环境韧性农业系统转型迫切需要生态农业方法，包括覆盖作物、间作、畜禽粪肥、生物防治、生物肥料和生物多样性保护等。越来越多的证据强调了土壤和植物相关微生物在改善植物营养、生长和环境胁迫耐受性方面的关键作用。在这些有益微生物中，植物促生细菌（PGPB）因其能够定殖植物根际并在胁迫条件下调节植物生物量响应而尤为有效。值得注意的是，在胁迫暴露前施用耐旱PGPB作为生物接种剂已被证明能增强植物耐受性并缓解水分受限环境中的生产力损失。
高盐萨布哈（sabkha）土壤代表了以高盐度、有限水分可用性、强烈辐射和大幅温度波动为特征的多极端环境，对常驻微生物群落产生强烈的选择压力。这些环境因此构成了适应多种非生物约束的微生物的潜在储存库。芽孢杆菌（Bacillus）物种作为植物促生细菌尤为相关，因为它们能够形成抗胁迫的内生孢子并表达多种植物有益性状，包括植物激素和铁载体产生、养分动员、胞外多糖产生和生物膜形成。然而，适应高盐环境本身并不能证明其具有缓解植物干旱胁迫的能力，这一潜力需要直接的实验评估。
番茄（Solanum lycopersicum L.）是一种经济上重要的园艺作物，其生长和生产力对水分受限高度敏感。干旱影响番茄生长和生物量积累，并扰乱植物水分关系、光合性能、氧化还原稳态和生殖发育，最终限制生产力。因此，番茄为评估细菌接种能否在特定水分亏缺水平下维持植物功能提供了合适的作物系统。然而，源自高盐萨布哈环境的芽孢杆菌菌株所诱导的响应，特别是在整合的生理、生化和转录水平上的响应，仍未被充分表征。
据此，研究人员从其细菌库中选取了五株源自萨布哈的菌株：副地衣芽孢杆菌S4和S5、萨福克芽孢杆菌S6以及海恩斯芽孢杆菌S9和S10。研究人员调查了这些菌株在中等和严重干旱条件下改善番茄表现的差异，以及它们的植物体内响应是否与植物促生和胁迫适应相关的表型和预测基因组性状相对应。通过在共同实验框架内评估多株萨布哈来源的芽孢杆菌菌株，本研究提供了这些菌株对番茄干旱胁迫生理、生化和转录响应的菌株水平评估。
二、主要技术方法
研究人员对五株细菌进行了全基因组测序（WGS），使用GTDB-Tk管道进行物种分类鉴定，通过ANI分析确认物种归属，并利用Prokka进行基因组注释。功能分析采用COG分类、KEGG通路分析、PGPT-Pred预测促生相关基因、BacMet-Scan鉴定抗性基因以及antiSMASH预测生物合成基因簇。体外实验包括PEG-8000诱导渗透胁迫下的生长测定、微孔板法生物膜形成测定、胞外多糖（EPS）产生定量、吲哚-3-乙酸（IAA）产生比色测定、ACC脱氨酶活性测定和CAS琼脂法铁载体产生检测。温室实验中，研究人员在阿联酋大学进行3×6因子完全随机设计，设置三种水分条件（充分浇水、中等干旱、严重干旱）和六种接种处理（未接种对照及S4、S5、S6、S9、S10），每处理四盆重复。叶片光谱分析使用SpectraVue CI-710S光谱仪测定SPAD、绿度指数、NDVI、WBI、PRI和ZMI等指标。此外测定了叶片相对含水量（RWC）、电解质渗漏率、抗氧化酶（SOD、POD、APX）活性和脯氨酸含量，并通过qRT-PCR分析了四个干旱响应基因的表达。
三、研究结果
3.1 基于基因组的鉴定
基因组分析显示，S4和S5与副地衣芽孢杆菌KJ-16?的ANI值分别为96.8%和96.7%，S6与萨福克芽孢杆菌KCTC 12796BP的ANI值为96.2%，S9和S10与海恩斯芽孢杆菌NRRL B-41327?的ANI值分别为99.3%和99.4%，均超过原核生物物种划分通常使用的95-96% ANI阈值。系统发育组学分析支持这些分类归属，确认了五株菌的物种身份。
3.2 基因组功能分析
基因组功能预测显示，所有五株菌均携带与生物膜形成、IAA代谢、固氮、ACC脱氨酶和铁载体产生相关的推定基因，以及干旱、热、冷和镉耐受相关的胁迫响应基因。KEGG通路分析鉴定出60个共享的核心通路。antiSMASH预测了与丰原素（fengycin）、芽孢杆菌素（bacillibactin）、地衣素（lichenysin）、杆菌溶素（bacilysin）和杆菌肽（bacitracin）等次级代谢物生物合成相关的基因簇。
3.3 植物促生性状表征
体外实验表明，渗透胁迫对细菌生长有负面影响，所有菌株在非胁迫条件下生长最佳。菌株S10在胁迫条件下维持了相对较高的生长、生物膜形成和EPS产生，其次是S5和S4，而S6和S9对渗透胁迫更为敏感。S10还表现出最高的IAA产生、ACC脱氨酶活性和铁载体产生。
3.4 干旱胁迫下细菌菌株对植物生长的影响
在充分浇水条件下，S10使茎长和地上部鲜重分别增加62.7%和77.4%，S9使地上部鲜重、地上部干重和根鲜重分别增加58.7%、37.4%和50.0%。在中等干旱条件下，S10使茎长增加62.6%、叶片数增加41.7%，S6使根长增加49.6%，S9使地上部鲜重增加24.6%、根鲜重增加48.4%、根干重增加71.8%。在严重干旱条件下，S10使茎长和地上部干重分别增加69%和52%，叶片数和节数分别增加85%和121%，S9使根长增加76%、地上部鲜重增加20%。总体而言，S9和S10在水分亏缺下产生了最大的生长响应。
3.5 光合、光谱和水分状态响应
干旱显著降低了SPAD、绿度指数、PRI和WBI，而细菌接种以菌株依赖方式缓解了这些降低。S10在中等干旱下使SPAD增加46.4%、PRI增加77.3%，在严重干旱下使绿度指数和WBI分别增加60.7%和71.8%。S10还使NDVI在中等干旱和严重干旱下分别增加70.0%和81.0%，使电解质渗漏在中等干旱和严重干旱下分别降低70.7%和72.7%，使RWC分别增加22.3%和22.0%。
3.6 抗氧化酶活性和渗透调节物质积累
在中等干旱下，S10使SOD、POD和APX活性分别增加16.5%、56.5%和46.5%，脯氨酸含量增加48.1%。在严重干旱下，S10维持了最高的SOD、POD和APX活性，分别增加21.8%、19.8%和25.4%，脯氨酸含量增加37.6%。S9也维持了相对较高的抗氧化酶活性和脯氨酸水平。
3.7 植物防御基因表达
qRT-PCR分析显示，细菌接种的植物表现出比未处理对照更高的转录积累，特别是在干旱条件下。S10和S9处理通常显示出更强的干旱响应基因诱导。SlABF4在S10处理的严重干旱条件下表达最高，SlDEAD31在S9和S10接种植物中显著上调，ASR1在中等干旱下S10和S9处理中表达显著增加，SlMPK3在S10接种结合严重干旱处理下转录水平强烈增强。
四、讨论与结论
本研究证明了芽孢杆菌接种对番茄干旱响应的效应具有强烈的菌株和水分条件依赖性。S10在生理、生化和转录性状上表现出最一致的性能，而S9尽管在若干体外测定中表现相对较弱，却产生了显著的植物体内响应。这一差异表明，仅凭单一体外PGP性状无法可靠预测细菌在植物-土壤系统中的表现，而是反映了多种细菌功能、寄主植物和水分可用性之间的菌株特异性相互作用。
基因组预测与实验表型之间存在定性对应关系，但表型幅度在菌株间存在差异，表明预测基因座的存在并不能确定其在测试条件下的表达或功能贡献。S9和S10虽然属于同一物种且携带广泛重叠的预测植物有益功能类别，但其体外表型差异显著，这强调了菌株水平表型验证在解读基因组预测时的重要性。
研究结论指出，S10在水分亏缺下产生了最一致的改善效果，而S9尽管在若干体外PGP测定中表现相对较弱，却显示出显著的植物体内效应。这些响应伴随着植物水分状态和抗氧化及渗透响应的改善，以及SlABF4、SlDEAD31、ASR1和SlMPK3表达的改变。重要的是，S9和S10的对比表现表明，单独的体外PGP性状和基因组预测不能可靠预测细菌的植物体内表现。整合细菌表型、基因组潜力和植物水平响应可能为选择缓解干旱的接种剂提供更稳健的框架。未来研究应优先在对比水分条件和土壤条件下对S9和S10进行田间验证，并确定其根际持久性、制剂稳定性和在不同番茄品种间的一致性。
