从盐生植物中提取的根际微生物组进行移植，可以改善紫花苜蓿的生理平衡和耐盐性

《Microbiological Research》：Halophyte-derived rhizosphere microbiome transplantation improves physiological homeostasis and salt tolerance in alfalfa

　　

摘要

与盐生植物相关的微生物组是适应压力环境的微生物的有希望的储备库，然而将整个根际群落转移到系统发育上不同的作物中的后果仍然不清楚。在这里，我们评估了从Suaeda salsa到紫花苜蓿(Medicago sativa)的根际微生物组移植（RMT）在2 × 2因子实验中的效果，实验包括0和300 mM NaCl条件下的对照组和RMT处理组。植物生理反应与宏基因组分析、群落组装分析、微生物关联网络和功能基因分析相结合。在盐度作用下，RMT增加了植物高度、叶面积以及茎和根的生物量，减少了茎中的Na⁺积累，并提高了茎中的K⁺/Na⁺比率。RMT还降低了H₂O₂、丙二醛和相对电导率，同时增加了抗氧化酶活性和渗透调节物质的浓度，而气体交换参数没有显著恢复。RMT改变了根际群落的组成和组装，并与更大的网络连通性和模拟的韧性相关。宏基因组KO谱显示，与渗透保护、离子转运、氧化还原保护和细胞膜过程相关的功能有更高的相对代表性。这些微生物功能的变化与RMT最显著改善的生理领域一致，但尚未建立直接的因果微生物机制。总体而言，来自盐生植物的RMT提高了紫花苜蓿在盐度条件下的表现，其生理恢复协调，并伴随着受体根际的实质性重组，这支持进一步评估整个群落的微生物组移植在盐碱土壤中的作物生产应用。

引言

土壤盐碱化对植物生产力的限制日益严重，特别是在干旱地区，气候驱动的水分平衡变化已被证明会加剧盐分积累（Hassani等人，2021年；Zhao等人，2020年）。盐度会导致渗透胁迫和离子毒性，从而引发氧化损伤，因此植物的耐盐性依赖于多个生理过程的协调调节，包括离子稳态、渗透调节、细胞氧化还原平衡和膜完整性（Han等人，2022年；Jiang等人，2025年；van Zelm等人，2020年；Zhang等人，2022年）。与根相关的微生物可以改变其中的一些过程，尽管不同微生物菌株和宿主系统之间的机制有所不同（Dimkpa等人，2009年；Jiang等人，2025年）。例如，Bacillus subtilis GB03通过调节宿主的Na⁺转运蛋白HKT1来提高耐盐性（Zhang等人，2008年），而Enterobacter sp. SA187则通过乙烯相关信号传导和细菌与植物之间的协调硫代谢起作用（Andrés-Barrao等人，2021年；de Zélicourt等人，2018年）。最近的研究表明，Streptomyces lasalocidi JCM 3373^T通过分泌吲哚-3-羧醛和相关的根系结构变化来缓解大豆的盐胁迫（Lu等人，2024年）。这些研究表明，个别微生物可以有针对性地改变植物的盐响应成分。然而，它们也突显了单菌株方法的一个关键局限性，因为自然根际中存在相互作用的微生物群落，其集体功能可能无法通过单个分离株来捕获。

盐度通过作为强大的环境过滤器同时重塑根际群落，而植物的身份和根系产生的代谢物进一步影响微生物的招募和群落组装（Bahram等人，2018年；Du等人，2025年；Rath等人，2019年；Zhalnina等人，2018年）。最近对沿海盐生植物的宏基因组分析进一步识别出适应盐分的微生物分类群和功能途径的富集（Li等人，2026年）。在盐胁迫下，植物可以选择性地招募保护性微生物并组装有益的联合体（Du等人，2025年；Li等人，2021年；Zheng等人，2024年）。例如，Li等人（2021年）发现了一个由盐分招募的根相关细菌联合体，其持续的保护效应取决于整个群落而非单个成员。Zheng等人（2024年）进一步表明，受盐胁迫的野生大豆增加了嘌呤的分泌，并富集了与根相关的Pseudomonas，这一现象得到了转录组学和突变证据的支持。这些研究表明，微生物组介导的胁迫保护不仅取决于有益分类群的存在，还取决于宿主选择和群落背景。然而，大多数研究都是在它们的自然宿主内部检查微生物组，或者使用了定义明确的分离株或合成群落。因此，目前尚不清楚由适应压力的供体植物组装的整个根际微生物组是否能够重新组织系统发育上不同的受体的根际并提高其耐盐性。

盐生植物代表了有希望的微生物组储备库，因为它们的根际中含有适应盐分的微生物（Hu等人，2024年；van Zelm等人，2020年；Yuan等人，2016年；Zhao等人，2020年）。研究表明，与盐生植物相关的微生物组可以跨越宿主边界改善耐盐性，例如将Suaeda maritima的Kushneria分离株转移到非宿主植物上可以增强卷心菜在盐度下的表现（Peng等人，2026年；Yuan等人，2016年）。同样，一个来自沙漠的合成细菌群落在存在居民土壤微生物组的情况下增加了番茄的盐耐受性（Schmitz等人，2022年）。整个群落的根际微生物组移植（RMT）也在其他系统中改善了植物健康；来自抗病植物的根际微生物组移植到易感植物中可以减少细菌性萎蔫（Choi等人，2020年；Jiang等人，2022年）。然而，大多数RMT研究集中在疾病抑制上，而不是非生物胁迫适应上。与单菌株或定义明确的合成群落（SynCom）接种相比，整个群落的RMT转移了更广泛的适应压力的分类群和生态相互作用，而无需先前的培养或选择（Jansson等人，2023年；Jiang等人，2022年）。这种更广泛的生态覆盖范围使得RMT有助于识别群落级别的响应和候选分类群或功能，而定义明确的SynComs提供了更好的组成控制，并更适合机制验证（Jousset和Lee，2023年；Vorholt等人，2017年）。因此，整个群落的RMT为研究适应压力的微生物组如何重新组织受体根际群体并在盐度下影响宿主表现提供了一种补充方法。

这些区别在微生物组介导的胁迫保护与整个群落移植的生态理解之间造成了差距。微生物组装反映了环境选择、扩散和随机过程的不断变化，这些贡献在演替和干扰期间可能会有所不同（Dini-Andreote等人，2015年；Du等人，2025年；Jia等人，2018年；Ning等人，2019年）。群落的重新组装也可以改变微生物关联模式。网络响应依赖于具体情境，因为盐度和干旱可以改变表观稳定性（de Vries等人，2018年；Li等人，2023年），而基于相关性的边可能反映了间接依赖性而非直接的生物相互作用（O?a等人，2025年；Xiao等人，2022年）。接种剂也可以通过与其它微生物的代谢相互作用改变受体土壤群落的丰度和多样性（Li等人，2024年；Sun等人，2022年）。因此，复杂的群落接种应在多个层次上进行评估，而不仅仅是通过分类变化来评估。将宿主生理与受体群落组成、组装过程、关联网络和宏基因组基因谱结合起来，可以测试生态重组是否伴随着植物的恢复，同时保持关联和机制之间的区别。然而，在转移盐生植物来源的根际微生物组后是否会出现这样的协调响应仍然不够明确。

在这里，我们测试了从Suaeda salsa进行的根际微生物组移植（RMT）是否改变了紫花苜蓿(Medicago sativa)的盐响应并重新组织了相应的根际。我们使用了一个因子RMT × 盐度设计来评估植物表现、根际群落结构和组装以及盐碱和非盐碱条件下的微生物基因表达。我们假设来自盐生植物的微生物组会在盐度下改变受体群的组装，并且最强的植物响应将出现在胁迫稳态特征上，而不仅仅是在所有生理过程中均匀出现。我们通过将植物生理测量与宏基因组学、组装分析、计算机模拟网络扰动和跨层比较相结合来解答这些问题。

章节片段

植物材料和实验设计

紫花苜蓿(Medicago sativa L. cv. Gannong No. 3)的种子在75%（v/v）乙醇中表面消毒3分钟，用无菌蒸馏水冲洗8-10次，然后用4%（v/v）次氯酸钠处理10分钟。彻底冲洗后，将种子在4°C下分层存放12小时，并在黑暗中于25°C下发芽。幼苗被移植到直径9厘米的盆中，每个盆中种植五株幼苗，基质为1:1的泥炭和蛭石混合物。

盐生植物来源的根际微生物组改善了紫花苜蓿在盐度下的生长

我们评估了S. salsa RMT对紫花苜蓿在0和300 mM NaCl条件下生长的影响（图1，图2）。在非盐碱条件下，RMT显著增加了植物高度以及茎和根的鲜重和干重（p<0.01；图2a，b）。在盐度条件下，RMT处理的植物比暴露于相同NaCl浓度的对照植物具有更高的植物高度（p<0.001）、茎的鲜重和干重（p<0.001）以及叶面积（p<0.01）（图2b）。主根长度没有差异。

盐生植物来源的RMT主要通过增强生理稳态来提高耐盐性

植物的耐盐性依赖于维持离子、氧化还原和渗透稳态，同时限制生长损失（Munns和Gilliham，2015年；van Zelm等人，2020年；Zhang等人，2022年）。对于微生物组转移来说，相关问题是哪些生理约束得到了缓解，而不是所有对压力敏感的过程都得到了恢复（Feng等人，2024年；He等人，2018年；Schmitz等人，2022年；Yuan等人，2016年）。在这项研究中，S. salsa根际接种物改善了紫花苜蓿的生长

结论

这项研究表明，S. salsa来源的根际微生物组移植提高了紫花苜蓿在盐胁迫下的表现，其中最强的响应涉及离子、氧化还原和渗透稳态，而不是气体交换。RMT还改变了根际的组成和组装过程，并与微生物关联网络的更大连通性和模拟的韧性相关。宏基因组KO谱显示了相关功能的协调变化

资助

本研究得到了青海省领导科学家项目（2023-NK-147-3）、中国国家自然科学基金（32071875）和沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学正在进行的研究资助计划（ORF-2026-205）的支持。

CRediT作者贡献声明

Hend Alwathnani:撰写 - 审稿与编辑，资金获取。Christopher Rensing:撰写 - 审稿与编辑，监督。Li Li:资源，方法学。Li Wang:撰写 - 审稿与编辑，概念化。Wenjing Cui:可视化，方法学，调查。Li Wei:资源，方法学，概念化。Jinpeng Hu:概念化，撰写 - 原稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析。Yuanyuan He:可视化，验证

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

Jinpeng Hu|Yuanyuan He|Wenjing Cui|Li Wei|Li Li|Li Wang|Hend Alwathnani|Christopher Rensing|Jinlin Zhang