印度梨形孢与蚯蚓粪联合施用增强苹果干旱抗性

《Scientia Horticulturae》：The co-application of Piriformospora indica and vermicompost enhances the drought resistance of apple

　　

气候变化增加了黄土高原苹果产区干旱发生频率。已有报道表明，蚯蚓粪（Vc）和印度梨形孢（Pi）可提高植物抗旱性，但二者联合施用对干旱条件下苹果生长、土壤环境及土壤微生物群落的影响尚未被探索。为此，研究人员通过为期90天的盆栽试验，在正常供水（WW）和干旱胁迫（DS）两种水分条件下设置四种处理（对照、Vc、Pi、Pi+Vc）研究了上述影响。结果表明，DS抑制了植物生长和养分吸收，并提高了H₂O₂和MDA水平。然而，Pi+Vc处理在DS下显著提高了相对生长速率（RGR），增强了抗氧化酶活性和养分吸收，但未显著影响生物量积累。在WW和DS下，Vc和Pi+Vc均改善了土壤养分和酶活性，而Pi单独施用未表现出显著效益。尽管各处理对细菌和真菌多样性的影响不同，但Pi和Vc联合施用提高了DS下的微生物多样性。Pi和Vc单独或联合施用改变了微生物群落的结构与组成，并提高了微生物共现网络模块性。PLS-SEM分析进一步表明，Pi和Vc联合施用促进植物生长与DS下细菌群落重构密切相关。综上，该研究表明Pi和Vc联合施用具有提高苹果幼苗抗旱性的潜力，为未来黄土高原田间验证提供了基础。

**研究背景与意义**

气候变化导致黄土高原苹果产区干旱事件频发，严重制约当地苹果产业可持续发展。干旱胁迫通过诱导叶片气孔关闭、破坏活性氧（ROS）代谢平衡、降低土壤水势等途径抑制植物生长与养分吸收，并改变土壤微生物群落结构与功能，影响植物对养分的有效利用。已有研究表明，蚯蚓粪（Vc）作为高孔隙度、保水性好的有机肥，能改善土壤理化性质并提升土壤酶活性；印度梨形孢（Pi）作为一种有益根系内生真菌，可增强植物对非生物胁迫的耐受性。然而，Pi与Vc单独或联合施用对干旱胁迫下苹果生长、土壤环境及土壤微生物群落的影响尚不明确。为此，研究人员开展了本项盆栽试验，旨在阐明Pi与Vc联合施用增强苹果抗旱性的生理与微生物机制，为黄土高原苹果抗旱栽培提供理论依据。

**研究人员开展的研究与主要技术方法**

研究人员以两年生嫁接苹果苗（砧木：山荆子；接穗：元帅）为材料，在山西农业大学园艺学院温室进行90天盆栽试验，设置正常供水（WW，80%土壤含水量）和干旱胁迫（DS，50%土壤含水量）两种水分条件，以及CK、Pi（接种P. indica）、Vc（添加蚯蚓粪）、Pi+Vc（联合施用）四种处理。研究测定了植物生长参数、氧化胁迫指标、抗氧化酶活性、矿质元素浓度与养分吸收分配、土壤养分与酶活性，并通过Illumina NovaSeq平台对根际土壤16S rRNA V4区和ITS1区进行扩增子测序，结合Mantel检验、冗余分析（RDA）和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析微生物群落与土壤环境因子及植物生长的关系。

**研究结果**

**3.1 P. indica定殖苹果根系**：通过PCR特异性扩增伸长因子基因（TEF420F/TEF420R），在Pi和Pi+Vc处理根系中检测到预期大小的清晰条带，而CK和Vc处理无扩增产物，证实P. indica成功定殖于苹果根系。

**3.2 Pi和Vc单施或混施对苹果生长的影响**：干旱胁迫显著抑制了所有生长参数。在WW下，Vc和Pi+Vc处理使株高分别显著增加44.06%和36.71%，茎径分别增加14.50%和17.29%；Pi处理无显著影响。在DS下，各处理绝对生长指标（株高、茎径、净生物量）无显著差异，但Pi+Vc处理RGR较CK显著提高68.35%。

**3.3 对氧化胁迫指标和抗氧化酶活性的影响**：DS显著提高H₂O₂和MDA含量，而Pi+Vc处理显著降低其含量（分别降低18.18%和13.02%）。DS下，Pi+Vc显著提高SOD活性82.75%；Vc和Pi+Vc分别显著提高POD活性195.62%和181.17%；Pi、Vc和Pi+Vc均显著提高CAT活性，增幅分别为88.86%、64.2%和85.2%。

**3.4 对矿质元素浓度的影响**：与DS-CK相比，DS-Pi+Vc处理显著提高根、茎、叶中N浓度（分别增加38.62%、42.49%和73.12%），根和茎P浓度（分别增加162.71%和232.24%）以及叶P浓度（增加212.00%），同时显著提高根、茎、叶K浓度（分别增加106.44%、63.45%和59.12%）。

**3.5 对养分吸收与分配的影响**：DS显著降低养分吸收通量，但DS-Pi+Vc处理使N、P、K吸收通量较DS-CK分别显著提高271.73%、566.94%和338.50%；同时显著提高N积累、运输和分配速率（分别增加247.77%、63.95%和1268.54%），K积累速率增加484.44%，K运输速率增加105.71%，K分配速率增加409.85%。

**3.6 对土壤肥力和酶活性的影响**：Vc和Pi+Vc处理在WW和DS下均显著提高土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、硝态氮（NO₃^?-N）、速效磷（AP）和速效钾（AK）含量，并提高土壤脲酶（S_UR）、碱性磷酸酶（S_ALP）、蔗糖酶（S_SUC）和过氧化氢酶（S_CAT）活性。Pi单独处理对土壤养分无显著改善，甚至使WW下AK和DS下NO₃^?-N显著低于对照。

**3.7 对土壤微生物多样性和群落结构的影响**：测序共获得27851个细菌ASV和7337个真菌ASV。在DS下，Pi和Pi+Vc处理显著提高了细菌Shannon指数；Pi+Vc处理的真菌Chao1指数最高。PCoA显示各处理显著改变了细菌和真菌群落的β多样性。群落组成上，细菌以Pseudomonadota（35.22%–55.33%）、Acidobacteriota、Chloroflexota和Gemmatimonadota为优势门，真菌以Ascomycota（38.17%–53.56%）为优势门。DS下，Pi+Vc使Acidobacteriota、Chloroflexota和Gemmatimonadota相对丰度分别显著增加117.63%、40.76%和55.54%。网络分析显示，Pi和Vc单独或联合施用均提高了微生物共现网络模块性，其中Pi+Vc在DS下真菌网络模块性最高。

**3.8 土壤微生物群落、土壤生化性状与植物生长的关系**：Mantel检验显示，细菌群落与TN、NO₃^?-N、AK和S_ALP极显著相关（p<0.01）；真菌群落与TN、AP、S_UR和S_ALP显著相关。RDA表明，NO₃^?-N、S_SUC、S_UR和AK是驱动细菌群落结构的关键因子，S_UR和TN是塑造真菌群落的主要因子。PLS-SEM（GOF=0.624）显示，水分状况对植物生长有极显著负总效应（?0.79），处理对细菌群落有直接正效应（0.72），细菌群落与植物生长呈最强正关联，而真菌群落呈负路径系数（总效应为?0.14），表明联合施用的促生长效应主要与干旱胁迫下细菌群落重构相关。

**讨论与结论**

讨论指出，Vc是土壤养分和酶活性提升的主要驱动因素，Pi单独作用有限，可能受土壤养分可利用性制约。联合施用通过互补激活SOD、POD、CAT等多种抗氧化酶，有效缓解了干旱诱导的氧化胁迫。养分吸收增加未转化为生物量积累，可能与胁迫条件下资源更多分配至渗透调节和抗氧化物质合成等应激响应过程有关。微生物群落方面，Pi和Vc单独或联合施用提高了网络结构稳定性，富集了参与养分循环的功能菌群。PLS-SEM揭示细菌群落与植物生长正关联更强，而真菌群落为负关联，提示干旱下细菌群落重构是联合施用促进植物生长的关键机制。研究也指出，Vc的生物学贡献与化学贡献难以区分，未来需借助灭菌对照和分级试验进一步验证因果机制。

研究结论表明：Pi和Vc联合施用未显著影响干旱胁迫下苹果的绝对生长参数，但显著提高了RGR，增强了抗氧化酶活性，减少了ROS积累，并改善了养分吸收。在土壤养分和酶活性改善方面，Vc施用是主要驱动因素，Pi的额外贡献有限。Pi和Vc单独或联合施用均改变了土壤微生物多样性和群落结构，并增强了干旱下微生物网络的结构稳定性；联合施用富集了潜在有益菌群（如Acidobacteriota、Chloroflexota和Gemmatimonadota）。PLS-SEM揭示细菌群落组成与植物生长呈强正相关，提示联合处理的促生长效应可能主要与干旱胁迫下细菌群落调控有关，而真菌群落呈负相关。综上，Pi和Vc联合施用是改善土壤条件、提高黄土高原苹果抗旱性的有效策略，但该结论仍需通过灭菌对照、植物-微生物互作机制研究及长期田间试验加以验证。