探索蓝藻多功能生物膜的功能韧性及其在二氧化碳浓度升高条件下作为种子包衣的应用

《World Journal of Microbiology and Biotechnology》：Exploring the functional resilience of cyanobacterial multifunctional biofilms and their use as seed coatings under elevated CO2

　　

摘要

同时具备碳浓缩和固氮机制的蓝细菌，为探索其作为生物肥料以及高浓度CO₂（eCO₂）缓释潜力的独特平台提供了可能，从而同时实现土壤改良和植物生长势提升。将束丝藻属的圆球束丝藻（Anabaena torulosa，An）与绿色木霉（Trichoderma viride，Tr）组合，再与普罗维登斯菌属未定种（Providencia sp.，PW5）或硝化还原假单胞菌（Pseudomonas nitroreducens，B3）联合构建的多物种生物膜，展现出额外的功能特性，亦可作为水稻的抗气候胁迫接种策略加以探索。在eCO₂条件下，An-Tr-PW5组合的叶绿素含量较单培养An提升了1.82倍，An-Tr组合的谷氨酰胺合酶（0.92倍）活性亦显著增强。脂肪酸甲酯（FAME）谱分析表明，多物种生物膜通过主动重塑膜组成来缓冲eCO?引起的胁迫，其中Tr表现为饱和脂肪酸显著升高（19.68-61.43%），而多物种生物膜则选择性富集支链脂肪酸，以An-Tr-B3组合最为显著（+ 8.9%）。实验室培养的及经CO?驯化的生物膜用作水稻种子包衣后，表现出与前期环境驯化相关的遗传效应响应模式。在土壤微宇宙实验中，An-Tr-B3组合优于An单培养，分别使β-葡萄糖苷酶、脲酶和乙炔还原活性提升5.6倍、3.6倍和1.6倍，同时获得最高的幼苗活力指数I（SVI；发芽率×幼苗长度）（2541）和叶片总色素含量（0.91 mg/g）。此外，用eCO?培养的生物膜包衣的种子表现出不同的、依赖于特征的特异性驯化效应，其中An-Tr-B3组合使幼苗活力指数II（SVII；发芽率×幼苗干重）（37,560）和色素含量（0.170 mg/g）达到最高。总体而言，蓝细菌多物种生物膜在eCO?条件下表现出功能特化及依赖于特征的特异性驯化能力，凸显了其在植被改良中作为抗气候胁迫策略的巨大潜力，从而推动可持续农业发展。