阿尔及利亚干旱和半干旱地区的原生根瘤菌表现出耐旱性

《Discover Life》：Native rhizobia from arid and semi-arid regions of Algeria exhibit drought tolerance

　　

本研究的目的是评估从阿尔及利亚干旱和半干旱地区的山羊刺、扫帚和窄叶芒柄花根瘤中分离的原生根瘤菌的潜力。研究人员获得了17个根瘤菌（Rhizobium）分离株，并进行了形态学和生化特征鉴定。研究人员测试了它们的生物刺激潜力以及对盐度、干旱、极端pH和温度的耐受性，以及氢氰酸（HCN）的产生和对镰刀菌（Fusarium）物种的拮抗活性。从这些筛选结果中，选出了GSB16、GSB9、GSB3和OS2四个耐胁迫菌株进行进一步测试，即它们在水胁迫下对硬质小麦和豌豆种子萌发及早期幼苗发育的影响。菌株GSB16、GSB9、GSB3和OS2具有最有前景的特性。体外实验表明，与未接种的对照相比，细菌接种显著影响了干旱条件下小麦种子萌发参数（OS2最高达+80%）。在豌豆实验中也记录了同样的结果（GSB16和GSB3最高达+175%）。分子鉴定表明，这四个选定的菌株属于根瘤菌属（Rhizobium）。结果表明，本研究中鉴定的原生耐胁迫根瘤菌（Rhizobium）分离株可以增强干旱胁迫下的种子萌发和植物活力，为支持谷物和豆类的早期建立提供了一种可持续的方法。

**论文解读：阿尔及利亚干旱和半干旱地区原生耐旱根瘤菌的分离、鉴定与促生潜力评估**

**研究背景与问题**

阿尔及利亚的干旱和半干旱地区占撒哈拉沙漠总面积的8.9%以上，气候极端、土壤贫瘠、盐碱化严重，对可持续农业构成重大挑战。然而，这些区域存在高度适应的豆科植物（Fabaceae），如山羊刺（*Astragalus gombo*）、扫帚（*Genista saharae*）和窄叶芒柄花（*Ononis angustissima*），它们通过与根瘤菌（Rhizobium）共生实现生物固氮（BNF），并表现出较强的生态韧性。根瘤菌作为植物促生根际细菌（PGPR），可通过固氮、溶磷、产铁载体、合成植物激素（如吲哚-3-乙酸（IAA））等机制直接促进植物生长，也可通过产生氢氰酸（HCN）、几丁质酶等物质间接抑制病原菌。然而，目前对阿尔及利亚当地根瘤菌资源在干旱胁迫下促进非豆科作物（如小麦）和豆科作物（如豌豆）早期建成的潜力知之甚少。因此，该研究旨在从上述三种豆科植物中分离根瘤菌，筛选耐胁迫菌株，评估其对小麦和豌豆种子萌发及幼苗活力的影响，为干旱区作物提供可持续的生物肥料。

**关键技术方法**

研究人员从阿尔及利亚Bou Saada（半干旱盐碱地）和Biskra（干旱盐碱地）两个地点采集了山羊刺、扫帚和窄叶芒柄花的根瘤，采用Vincent方法分离出17个根瘤菌分离株。通过形态学（菌落特征、革兰氏染色）、生化鉴定（过氧化氢酶、氧化酶、尿素酶、硝酸盐还原等）和确认试验（刚果红吸收、酮乳糖产生、葡萄糖-蛋白胨琼脂（GPA）生长、Hofer碱性培养基生长）确认菌株属根瘤菌属。进一步评估了菌株的PGP特性（IAA产量、磷酸盐溶解、铁载体产生、HCN和氨合成、固氮能力）、抗真菌活性（对7种镰刀菌等病原菌的抑制）、胁迫耐受性（温度20–45°C、pH 4–10、NaCl 0–5%、聚乙二醇PEG₆₀₀₀ 5–20%）、碳源和氮源利用能力。基于以上筛选，选出4个最优菌株（GSB3、GSB16、GSB9、OS2）进行植物体内实验：将硬质小麦（*Triticum durum* cv. Bousselam）和豌豆（*Pisum sativum* cv. Latcha）种子接种后，置于0%、10%、20% PEG₆₀₀₀溶液中模拟干旱，测定发芽率（FGP）、发芽速率指数（GRI）、幼苗长度活力指数（SLVI）和幼苗重量活力指数（SWVI）。最后通过16S rRNA基因测序和最大似然法（ML）系统发育分析进行分子鉴定。

**研究结果**

**3.1 根瘤菌分离**
从三种豆科植物根瘤中分离出50株根瘤菌，其中17株基于形态、生化、PGP特性被选出用于进一步研究。

**3.2 形态学特征**
所有分离株均呈圆形、白色至奶油色、黏液状、半透明或不透明，革兰氏阴性杆菌，符合根瘤菌属特征。

**3.3 生化特征**
17株菌均呈过氧化氢酶、氧化酶和运动性阳性；7株产蛋白酶，15株产纤维素酶，12株产尿素酶，17株产几丁质酶，16株还原硝酸盐；仅2株利用柠檬酸盐，1株水解淀粉。

**3.4 植物促生特性**
所有菌株均产氨并在无氮培养基上生长，表明具固氮潜力。IAA产量范围为0.380–67.333 μg/mL（GSB3最高）；磷酸盐溶解量10–169.265 μg/mL（GSB16最高）；铁载体产生率18.45%–51.58%（GSB9最高）；仅4株（GSB3、GSB16、GSB9、OS2）产HCN。

**3.5 抗真菌活性**
所有测试菌株对*Fusarium algeriense*（抑制率14.1%–43.8%）和*Fusarium incarnatum-equiseti*（抑制率30.83%–63.5%）有抑制作用；仅GSB9和GSB16抑制*Fusarium oxysporum*（抑制率63.55%和32.6%）；对*Fusarium culmorum*、*Aspergillus niger*、*Rhizopus* sp.和*Alternaria alternata*无抑制。

**3.6 胁迫耐受性**
多数菌株在20–28°C生长良好，OS2和GSB16在40–45°C仍有生长；pH 6–9生长最佳，OS2和GSB16在pH 10仍生长；盐度1–2%生长强，OS2、GSB3、GSB16在3–5% NaCl有中度至可检测生长；PEG 5–10%生长强，OS2、GSB16、GSB9、GSB3在15–20% PEG仍保持最强生长。

**3.7 碳源和氮源利用**
菌株对多种单糖、二糖、寡糖和氨基酸的利用能力差异显著，表现出代谢灵活性。

**3.8 植物体内测试**
小麦：20% PEG胁迫下，未接种对照FGP降至50%，OS2接种后FGP达90%，GRI、SLVI、SWVI均显著高于对照。豌豆：20% PEG胁迫下，未接种对照FGP仅26.66%，GSB16接种后FGP达73.33%，所有接种处理均显著提高GRI、SLVI、SWVI。GSB16和GSB3在豌豆中表现最佳（SWVI最大增加175%）。

**3.9 分子鉴定与系统发育**
16S rRNA基因测序和系统发育分析表明，GSB3和GSB16与*Rhizobium pakistanense*聚为一个分支（bootstrap 89%），GSB9和OS2与*Rhizobium leguminosarum*复合群形成一个亚支（bootstrap 100%），所有菌株均属根瘤菌属。

**讨论与结论**

讨论部分指出，筛选出的4株菌株（GSB3、GSB16、GSB9、OS2）兼具多种促生特性（IAA、溶磷、铁载体、HCN）和优异的环境胁迫耐受性（高温、宽pH、高盐、高渗），这使其在干旱条件下能有效促进种子萌发和幼苗活力。其机制可能包括激素刺激（如α-淀粉酶激活）、营养可利用性增强及生物膜形成。此外，这些菌株还表现出对镰刀菌属的拮抗作用，具有生防潜力。结论部分翻译如下：**结论**：本研究是对原生根瘤菌（Rhizobium）菌株的初步筛选，突出了它们对种子萌发和早期幼苗发育的影响。这些分离株在表型、生化和分子水平上进行了鉴定，并特异评估了其植物促生活性。在17株菌株中，有4株（GSB16、GSB9、OS2和GSB3）表现出优异性能，具有对多种非生物胁迫的耐受性和多种促生特性。将这些菌株应用于豌豆和小麦种子，显著提高了萌发率和幼苗活力，表明它们有支持早期植物发育的潜力。这些发现表明，所选菌株可能有助于缓解水分胁迫的不利影响，不仅增强豆科作物，也增强非豆科作物（如小麦）的幼苗表现。此外，这项工作提供了本地微生物多样性作为稳定、经济有效的微生物接种剂来源的农学潜力证据。然而，这些观察仅限于早期发育阶段，还需要进一步的盆栽和田间实验来充分验证这些菌株的长期有效性和实际应用。此外，重复接种对整体植物性能和土壤健康的影响仍有待阐明。本研究为利用原生根瘤菌（Rhizobium）菌株改善幼苗建成、增强作物抗逆性和支持可持续农业实践提供了重要见解。