根际微生物组和植物促生细菌分离株增强十字花科植物的耐盐性

《Applied Soil Ecology》：Rhizosphere microbiome and plant growth-promoting bacteria isolates enhance salinity tolerance in Brassicaceae species

　　

土壤盐分是全球范围内限制农业生产力的主要非生物胁迫，然而，来自盐碱沿海生境的植物已进化出耐受机制，包括与有益微生物组的关联，这为作物改良提供了潜力。研究人员通过研究具有对比性耐盐性的Brassica fruticulosa的沿海和内陆种群来探究这一点。研究人员分析了耐盐(PST)和盐敏感(PSS)植物种群在植物相关生态位中的微生物组，揭示了不同的微生物群落组成。使用来自耐盐(MST)和盐敏感(MSS)种群的根际微生物组进行的互换移植实验表明，在盐胁迫下，接种MST改善了PSS植物的生长，维持了磷和铁的积累，并减少了氧化应激。从MST中分离出超过100个细菌菌株，其中26个同时表现出溶磷和产铁载体能力，并在逐渐增加的盐度下筛选了其固氮和生长素产生能力，揭示了促生性状的菌株依赖性变异。三个菌株，T7和R52（均为Pantoea sp.）以及R60（Pseudomonas sp.），在盐胁迫下保持了强大的促生能力。接种白芥（Sinapis alba）改善了盐胁迫下的植物性能并改变了根系构型，同时增加了脯氨酸积累并降低了渗透势。在对照条件下，T7对植物适合度的影响最强。联合接种未显示出比单独使用T7的额外益处，强调了植物促生的菌株特异性。这些结果凸显了来自野生耐盐植物的盐适应性微生物组作为在盐胁迫下具有功能恢复力的植物促生细菌来源的潜力，并强调在盐碱条件下的有效性强烈依赖于菌株身份和环境背景。

**研究背景、问题与目的**

土壤盐碱化是威胁全球粮食安全的主要非生物胁迫之一，盐碱地面积正以惊人速度扩张。大多数主要农作物是盐敏感的，其产量面临日益严峻的风险。盐胁迫通过扰乱离子稳态、诱导氧化应激和损害养分吸收，在多个层面影响植物。然而，来自盐碱生境的野生植物已进化出耐盐机制，包括与有益微生物的互作。尽管植物促生细菌（PGPB）在保护作物免受盐胁迫方面日益重要，但其在实际应用中的表现常不一致，主要原因是缺乏对盐胁迫下植物-微生物互作机制的深入了解。例如，溶磷、固氮和生长素（IAA）产生等促生能力在盐胁迫下可能下降。因此，从野生耐盐植物根际中筛选并研究在盐胁迫下仍能保持功能的PGPB，对于开发可持续农业中的生物接种剂至关重要。

本研究旨在回答以下关键问题：(i) 沿海和内陆Brassica fruticulosa种群的伴生微生物组成有何差异？(ii) 耐盐种群的微生物组能否增强盐敏感种群的耐盐性？(iii) 哪些细菌类群和功能性状可能负责这种有益效应？(iv) 这些细菌菌株能否改善相关的盐敏感作物白芥（Sinapis alba）的耐盐性？本研究使用具有不同耐盐性的Brassica fruticulosa（一种野生芸苔属植物）种群及其相关微生物组，以及作为盐敏感受体作物的白芥，进行了整合分析。

**主要技术方法**

1. **微生物组16S rRNA和ITS扩增子测序**：对来自沿海和内陆B. fruticulosa种群的叶片、根、根际和土壤样品进行细菌和真菌群落组成分析。
2. **根际微生物组互换移植实验**：在受控环境下，将耐盐（MST）和盐敏感（MSS）根际微生物组分别接种到耐盐（PST）和盐敏感（PSS）的B. fruticulosa植物上，评估其对植物生长、氧化应激和离子组的影响。
3. **细菌分离与体外促生性状筛选**：从MST中分离细菌，在0、150和300 mM NaCl条件下，评估其溶磷、产铁载体、产IAA样分子和固氮能力。
4. **植物-细菌互作验证实验**：将筛选出的候选PGPB菌株单独或共同接种于白芥，在盐胁迫下评估其促生效果、根系构型影响、生理指标（渗透势、脯氨酸）及生殖适合度。

**研究结果**

**3.1 Brassica fruticulosa 微生物组多样性和组成**
通过扩增子测序，发现真菌群落的α-多样性（Shannon指数）在根际和土壤生态位中存在差异，在耐盐沿海种群中更高。β-多样性分析显示，细菌和真菌群落在季节、生态位和种群间均存在显著差异。在根际生态位中，春季盐碱土壤富集了Sandaracinaceae (Myxococcota) 和Stakelama (Proteobacteria)；秋季则富集了多种酸杆菌门（Acidobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）的属。功能预测分析表明，盐碱土壤中特有的细菌群落以化能异养和好氧化能异养为主，但硝化、反硝化、固氮和硫循环等关键生物地球化学功能缺失。

**3.2 盐度对B. fruticulosa根际微生物组活力的影响**
通过平板培养实验，发现沿海（耐盐）根际微生物组（MST）在150 mM和300 mM NaCl下均保持稳定的菌落形成单位（CFU/mL），而内陆（盐敏感）微生物组（MSS）活力在150 mM NaCl下急剧下降，表明MST具盐适应性，MSS为盐敏感性。

**3.3 互换接种实验揭示盐适应性微生物组的功能益处**
在盐胁迫下，将MST接种于盐敏感植物（PSS）显著提高了其地上部生物量，而接种MSS则无此效果。MST接种还降低了PSS叶片中的过氧化氢（H₂O₂）含量，减轻了氧化应激。离子组分析显示，MST接种维持了PSS在盐胁迫下叶片中磷（P）和铁（Fe）的含量，而MSS则无此功能。这表明MST通过维持关键养分吸收和缓解氧化损伤来促进植物生长。

**3.4 筛选本土细菌的促生性状和耐盐性**
从MST中分离出113个菌株，其中26个同时具备溶磷和产铁载体能力。在150和300 mM NaCl下评估这26个菌株的四种关键促生机制，发现耐盐性、溶磷、产铁载体和产IAA能力均表现出高度菌株依赖性变异。固氮功能则相对稳定。基于在盐胁迫下表现的一致性，筛选出三个菌株：T7 (Pantoea sp.)、R52 (Pantoea sp.) 和 R60 (Pseudomonas sp.)。

**3.5 选定PGPB菌株的属鉴定和抗生素耐药性概况**
16S rRNA鉴定确定了三个菌株的属。所有菌株均对红霉素、氨苄青霉素和氯霉素具有耐药性。表型分析显示，菌株在盐胁迫下的运动性（swimming和swarming）和生物膜形成能力存在差异，提示其采用互补的定殖策略：R60和T7依靠运动性驱动附着，而R52依靠生物膜持久存在。

**3.6 PGPB接种改善白芥的耐盐性**
在盐胁迫下，接种R60和T7的白芥植株地上部长度显著增加。根系构型发生重塑，表现为根长缩短但生物量维持，这与增加侧根发育有关。所有接种的植株在盐胁迫下均表现出更低的渗透势和更高的脯氨酸含量，有助于渗透调节。R52接种的植株积累了更高的Na⁺，而R60和T7则维持了Na⁺平衡。

**3.7 单菌和联合接种对白芥适合度的影响**
在对照条件下，接种T7和R60/T7联合菌群的白芥植株产生的长角果数量显著高于未接种和接种R60的植株。T7单独接种的效果与联合接种无显著差异，表明联合接种的益处主要来自T7。在盐胁迫下，所有接种处理均未显著提高长角果数量，但T7接种显示出非显著性的增加趋势。联合接种未表现出优于单菌接种的效果。

**总结讨论与研究结论**

讨论部分强调了从野生耐盐植物中筛选出的PGPB菌株在盐胁迫下维持促生功能的菌株特异性。T7菌株在体外和植物体内均表现出优异的耐盐性和促生效果，尤其在对照条件下能显著提高白芥的生殖适合度。然而，联合接种并未产生协同效应，这可能与菌株间的功能冗余、生态位竞争或复杂的根际互作动态有关，这为设计有效的微生物联合菌群提出了挑战。

**研究结论**：本研究证实，耐盐和盐敏感的Brassica fruticulosa种群具有不同的微生物组。耐盐种群的特定根际微生物组能够缓解盐敏感种群的盐胁迫。从盐适应性微生物组中分离出的单个细菌菌株在耐盐性和促生特性上存在差异，且其促生特性对高盐度的响应也不同。在最有潜力的候选菌株中，Pantoea sp.菌株T7不仅能耐受盐胁迫并维持其促生特性，还能增强植物适合度，在对照条件下显著增加长角果产量，并在盐胁迫下显示出非显著性的更高生殖输出趋势。由于白芥是与野生B. fruticulosa可杂交的作物近缘种，本研究结果鼓励采用一种创新方法，即结合从野生作物近缘种转移耐盐性基因和施用基于其原生根际特定细菌分离株的生物肥料，以改善盐胁迫下的作物生产。