植物生长促进细菌以基因型依赖性方式调节甘蔗中氨基酸衍生氮的利用和植物生长

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Plant Growth-Promoting Bacteria Modulate Amino Acid-Derived Nitrogen Utilization and Plant Growth in Sugarcane in a Genotype-Dependent Manner

　　

氨基酸是根际氮的重要来源；然而，植物生长促进细菌（PGPB）如何调节植物对氨基酸衍生氮的利用仍知之甚少。本研究调查了在基于氨基酸的氮营养条件下，接种PGPB是否以品种依赖性方式增强甘蔗生长、氮代谢物谱和氮利用效率。两个甘蔗品种（RB966928和RB867515）在温室条件下生长，分别供给无机氮（硝酸铵）、有机氮（五种氨基酸混合物：丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、精氨酸和甘氨酸），或有机氮结合PGPB接种。接种菌群包括Gluconacetobacter diazotrophicus、Herbaspirillum seropedicae、Herbaspirillum rubrisubalbicans、Paraburkholderia tropica和Nitrospirillum viridazoti。评估了生物量积累、氮代谢物谱、氮积累和氮利用效率。PGPB接种显著增强了品种RB966928的植物生长、根和总生物量、氮积累以及氮利用效率，达到与无机氮供应相当的水平。相反，RB867515对接种的反应有限。PGPB还改变了氮代谢物谱，特别是在RB966928的地上部增加了铵浓度。PGPB以品种依赖性方式增强了基于氨基酸氮营养下的甘蔗性能，突出了植物相关细菌对有机氮同化和氮利用效率（NUE）的功能贡献。

论文解读文章

**研究背景与问题**

甘蔗（Saccharum spp.）是热带和亚热带地区重要的农工业作物，对全球粮食和能源生产具有重要作用。该作物高度依赖充足的氮（N）供应以实现最佳生长和产量。然而，在集约化农业系统中，植物平均仅吸收施用氮肥的50%，甘蔗的氮利用效率（NUE）介于30%至50%之间。这种低效导致硝酸盐（NO₃^?）淋溶、氨（NH₃）挥发、地表径流以及氧化亚氮（N₂O）和二氮（N₂）排放，加剧环境污染。传统上，植物营养研究主要关注无机氮源，而忽略了有机氮源。在根际中，氨基酸构成可溶性氮库的稳定且重要部分，尤其是在秸秆覆盖管理的热带甘蔗系统中，氨基酸可能在整个作物周期持续存在。氨基酸代谢与植物-微生物相互作用密切相关，但植物生长促进细菌（PGPB）如何调节植物对氨基酸衍生氮的利用仍不清楚。以往研究主要集中在无机氮条件下PGPB对甘蔗的影响，而在基于氨基酸的有机氮营养条件下PGPB的作用尚缺乏探索。因此，本研究旨在评估接种五种PGPB是否能在氨基酸作为唯一氮源时增强甘蔗生长、生物量积累、氮代谢、氮含量和NUE，并探究这些响应是否在不同品种间存在差异。

**研究内容与结论**

研究人员在巴西恩布拉帕农业生物研究所（Embrapa Agrobiology，塞罗佩迪卡，里约热内卢）的温室中，采用随机区组设计，以3×2因子方案进行实验，涉及两个甘蔗品种（RB867515和RB966928）和三种氮处理：无机氮（IN-N，硝酸铵）、有机氮（OR-N，五种氨基酸混合物：丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、精氨酸和甘氨酸）以及有机氮联合接种五种PGPB（OR-N+PGPB）。结果表明，PGPB接种以品种依赖性方式增强了基于氨基酸氮营养下的甘蔗性能。品种RB966928在生长、根和总生物量、氮积累和NUE方面显著提高，达到与无机氮供应相当的水平，而RB867515对接种的响应有限。PGPB还改变了氮代谢物谱，特别是在RB966928的地上部增加了铵（NH₄⁺）浓度。这些发现首次证明PGPB能够促进甘蔗对氨基酸衍生氮的利用，扩展了对有机氮同化和植物-微生物相互作用的理解。论文发表在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》。

**主要技术方法**

研究采用温室控制实验，基质为无菌沙，以最小化背景微生物干扰。两个甘蔗品种（RB966928和RB867515）来自Embrapa Agrobiologia实验站。接种菌群由五种固氮细菌组成：Gluconacetobacter diazotrophicus、Herbaspirillum seropedicae、Herbaspirillum rubrisubalbicans、Paraburkholderia tropica和Nitrospirillum viridazoti，通过浸种法接种。处理包括无机氮（硝酸铵）、有机氮（五种氨基酸混合物）以及有机氮联合接种。测量了植物生长指标（株高、叶长、茎直径）、生物量、总氨基酸、NH₄⁺、NO₃^?、总氮浓度及积累量，并计算了氮吸收效率（NUpE）、氮利用效率（NUtE）和NUE。

**研究结果**

**3.1 植物生长与生物量积累**
通过测量株高、叶长、茎直径和生物量发现，品种RB966928在OR-N+PGPB处理下，株高、叶长和茎直径分别显著增加21.7%、17.9%和15.5%，与无机氮处理无显著差异；根生物量和总生物量分别增加39.9%和39.1%，根生物量甚至显著高于无机氮处理。而在品种RB867515中，仅叶长显著增加23.4%，其他指标无显著变化。

**3.2 氮代谢物谱**
通过分析总氨基酸、NH₄⁺和NO₃^?浓度发现，RB966928的地上部NH₄⁺浓度在OR-N+PGPB处理下显著升高90.8%（相对于OR-N）和100.9%（相对于IN-N）；根中NH₄⁺浓度在IN-N处理下最高。RB867515中OR-N+PGPB处理反而降低了地上部和根部的NH₄⁺浓度。NO₃^?浓度在IN-N处理下普遍最高，且主要积累于地上部。

**3.3 氮积累与氮利用效率**
通过测定氮浓度和积累量发现，RB966928在OR-N+PGPB处理下，根中总氮积累量显著高于OR-N（88.2%）和IN-N（64.2%），而地上部氮浓度无变化。RB867515中IN-N处理下地上部氮积累量最高。氮利用效率（NUE）在RB966928的OR-N+PGPB处理下显著高于OR-N（63.4%）和IN-N（16.9%），且该品种在IN-N和OR-N+PGPB下的NUE均显著高于RB867515。NUpE和NUtE在两种品种中无显著差异。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，OR-N+PGPB组合使植物性能达到与无机氮相当甚至更优的水平，证明PGPB接种能够改善甘蔗对有机氮源的利用。品种RB966928的更强响应可能与其根部固氮细菌定植数量更高以及细菌产生植物激素（如生长素、细胞分裂素）促进根发育和氮吸收有关。相反，RB867515的有限响应表明宿主基因型强烈影响有机氮营养下的植物-细菌互作结果。氮代谢物谱的变化支持了品种依赖的响应模式，其中NH₄⁺浓度的差异反映了细菌对氮同化路径的差异调控。研究强调，PGPB能够调节氨基酸衍生氮的利用，首次揭示了有益微生物在甘蔗有机氮营养中的功能贡献。

**结论翻译**
本研究证实了研究人员的假设：在基于氨基酸的氮营养条件下，接种植物生长促进细菌（PGPB）以品种依赖性方式改善了甘蔗的生长、生物量积累、氮代谢和氮利用效率。在受控条件下，氨基酸供应与细菌接种的组合促进了更高的生物量积累、总氮积累和氮利用效率（NUE），特别是在品种RB966928中，而RB867515表现出更有限的生理响应。这些对比性响应表明，宿主遗传背景强烈影响有机氮营养下植物-细菌互作的功能结果。研究结果进一步表明，当氨基酸作为主要氮源供应时，细菌接种改变了氮代谢物谱和内部氮分配，提供了新的证据，证明植物相关微生物能够调节甘蔗中有机氮化合物的生理利用。重要的是，这是第一项证明固氮细菌接种增强基于氨基酸营养下甘蔗性能的研究，扩展了超越传统无机氮施肥系统的植物-微生物相互作用的理解。从更广泛的角度看，这些结果有助于理解有机氮介导的营养，并强化了有益微生物在土壤有机质是氨基酸衍生氮重要来源的系统中改善植物氮利用效率的潜在作用。尽管本研究在受控温室条件下进行，但发现为未来研究微生物策略来改善氮利用效率并可能减少甘蔗生产系统对无机氮肥的依赖提供了生理学基础。