综合筛选鉴定优良本土芽孢杆菌菌株以提升充分灌溉与亏缺灌溉下小麦生产力及灌溉水分利用效率

《Agronomy》：Integrated Screening Identifies Elite Indigenous Bacillus Strains for Enhancing Wheat Productivity and Irrigation Water-Use Efficiency Under Full and Deficit Irrigation

　　

水资源短缺是干旱地区小麦生产的主要制约因素，凸显了采用可持续策略提升作物生产力与灌溉水分利用效率（IWUE）的必要性。尽管基于芽孢杆菌（Bacillus）的生物接种剂已被广泛研究，但适应干旱环境的本土菌株在开发特定区域生物接种剂方面的潜力仍未得到充分利用。本研究开发了一种综合筛选策略，结合植物促生（PGP）特性表征、温室评估、相关性分析及多变量分析，以鉴定在对比灌溉制度下能够提升小麦表现的优良本土芽孢杆菌菌株。研究人员通过16S rRNA基因测序鉴定了代表19个物种的51株本土芽孢杆菌菌株，对其吲哚-3-乙酸（IAA）、氨（NH3）、铁载体产生能力及解钾活性进行了表征，并随后在充分灌溉（FI）和亏缺灌溉（DI）条件下进行了温室评估。植物生长在播种后85天进行评估，而产量及产量相关性状在生理成熟期（130天）进行评估。各菌株在PGP性状及其对小麦表现的影响方面均观察到显著差异。与未接种对照相比，筛选出的菌株在FI下使营养生长性状提高22.2%–53.7%，在DI下提高16.4%–49.2%，同时使产量相关性状和IWUE分别提高24.7%–52.3%和14.7%–67.2%。相关性分析确定IAA产生是与小麦生长、籽粒产量和IWUE关联最强的PGP性状，其次是NH3产生，而铁载体产生与大多数农艺性状的关联较弱。层次聚类分析和主成分分析一致鉴定出蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）A2、短小芽孢杆菌（B. pumilus）D2和E3以及沙福芽孢杆菌（B. safensis）D5为优良菌株，同时若干其他本土菌株在两种灌溉制度下也表现出相当大的潜力。本研究表明，综合筛选方法能够鉴定出单独PGP性状无法充分捕捉的菌株水平差异，凸显了本土芽孢杆菌菌株作为开发本地适应性生物接种剂的宝贵资源，以提升干旱和半干旱农业生态系统中小麦生产力、IWUE及干旱韧性。

论文解读：综合筛选鉴定优良本土芽孢杆菌菌株以提升充分灌溉与亏缺灌溉下小麦生产力及灌溉水分利用效率

一、研究背景与意义

小麦是全球最重要的谷类作物之一，是主要的粮食来源，为全球热量和蛋白质供应作出重要贡献。然而，气候变化、土壤退化、干旱胁迫以及对农用化学肥料的过度依赖正日益威胁小麦的可持续生产。在干旱和半干旱地区，淡水资源有限且气候条件严酷，干旱胁迫尤为关键。随着人口持续增长和环境压力不断增加，到2050年全球小麦产量需增加近50%才能满足未来粮食需求并保障粮食安全。因此，在缺水环境中提高小麦生产力同时提升灌溉水分利用效率（IWUE）对可持续生产至关重要。

水分亏缺胁迫通过扰乱细胞分裂与扩张、养分吸收、蒸腾作用、光合作用、气孔导度和植物-水分关系等多种形态、生理、生化和分子过程，对小麦生长和生产力产生不利影响。为缓解水分亏缺胁迫的不利影响，已开发了多种策略，包括遗传改良、农艺措施改进、节水灌溉、作物日历调整以及植物生长调节剂、土壤改良剂、覆盖物、有机肥料和种子引发技术的应用。然而，这些方法中有些劳动密集、耗时、成本高昂或难以大规模实施，有些则可能引发环境问题。因此，亟需实用、经济高效且环境可持续的策略。

植物促生根际细菌（PGPR）已成为一种环境可持续的策略。其中，芽孢杆菌属因其卓越的生态适应性、广泛的农业应用以及耐受干旱、盐碱、高温和贫瘠土壤等严酷环境条件的能力而备受关注。然而，尽管基于芽孢杆菌的生物接种剂已被广泛研究，源自干旱农业环境的本土菌株在对比灌溉制度下同时提升小麦生产力和IWUE的潜力仍未得到充分利用。商业菌株可能不具备与本地适应菌株相同的生态适应性、根际竞争力和表现。此外，仅基于实验室条件下PGP性状筛选菌株可能无法可靠预测其在温室条件下对植物生长、生产力或IWUE的影响。因此，需要将微生物PGP特性与充分和亏缺灌溉下植物表现相结合的整合评估方法。该研究发表于《Agronomy》期刊。

二、关键技术方法

研究人员从沙特阿拉伯卡西姆地区小麦、椰枣树及野生植物根际采集土壤样本，通过系列稀释和涂布平板技术分离获得51株芽孢杆菌菌株。采用16S rRNA基因部分测序进行分子鉴定。体外评估了吲哚-3-乙酸（IAA）、氨（NH₃）、铁载体产生能力及解钾活性四种PGP性状。温室盆栽试验采用随机完全区组设计（RCBD），裂区布局，三次重复，设置充分灌溉（FI，土壤含水量维持田间持水量80%–100%）和亏缺灌溉（DI，40%–50%）两种灌溉制度。在播种后85天评估营养生长性状，生理成熟期（130天）评估产量及产量相关性状。数据分析采用双因素方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验、Pearson相关性分析、层次聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA）。

三、研究结果

3.1 菌株分子鉴定与系统发育分析

16S rRNA基因测序确认全部51株分离菌属于芽孢杆菌属，序列相似性为91.49%–100%，归属于19个芽孢杆菌种。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）为优势种（18株），其次为解淀粉芽孢杆菌（B. amyloliquefaciens）（10株）。系统发育分析将菌株分为多个不同分支，优良菌株分布于不同谱系，表明优越的促生潜力不限于特定分类群。

3.2 菌株促生性状评估

所有菌株均产生IAA，浓度范围为8.77–159.96 μg mL^?1，其中短小芽孢杆菌D2产量最高。NH₃产生范围为0.01–16.19 mg L^?1，蜡样芽孢杆菌A2、沙福芽孢杆菌D5和短小芽孢杆菌D2产量最高。47株（92.2%）产生铁载体，仅3株（5.9%）具有解钾活性。

3.3 方差分析

灌溉制度和芽孢杆菌菌株对所有测定性状均有显著至极显著影响（除分蘖数不受灌溉制度显著影响外）。灌溉×菌株的显著交互作用表明接种效果取决于灌溉制度。

3.4 灌溉制度对生长和产量性状的影响

亏缺灌溉显著降低了所有生长相关性状，株高、分蘖数、叶片数、总叶面积、总鲜重和总干重分别降低13.1%、21.8%、36.4%、61.3%、36.6%和41.7%。亏缺灌溉使穗数、穗重、籽粒数、籽粒产量和生物产量分别降低42.1%、39.5%、34.5%、32.2%和39.9%，但收获指数和IWUE分别提高13.4%和39.1%。

3.5 菌株对小麦表现的影响

在充分灌溉下，最有效菌株包括蜡样芽孢杆菌A2（籽粒产量提高36.9%，IWUE提高36.9%）、沙福芽孢杆菌D5（籽粒产量提高29.6%）、短小芽孢杆菌E3（籽粒产量提高34.5%）和D2（籽粒产量提高30.0%）。在亏缺灌溉下，蜡样芽孢杆菌A2最为有效，籽粒产量提高44.7%，IWUE提高44.7%，籽粒数提高67.2%，生物产量提高78.5%。短小芽孢杆菌D2使籽粒产量提高24.9%，籽粒数提高52.5%。

3.6 相关性分析

IAA产生是与小麦表现关联最强的PGP性状，充分灌溉下相关系数r = 0.30–0.59，亏缺灌溉下r = 0.30–0.67。NH₃产生呈中等正相关（充分灌溉r = 0.26–0.37，亏缺灌溉r = 0.21–0.34）。铁载体产生与大多数性状关联较弱，解钾活性关联微弱且大多不显著。

3.7 菌株分类

层次聚类分析将菌株分为四组。第一组包含蜡样芽孢杆菌A2、短小芽孢杆菌D2和E3、沙福芽孢杆菌D5，为最优良组群，在两种灌溉制度下均产生最高的总叶面积、总鲜重、总干重、穗数、穗重、籽粒数、籽粒产量、生物产量和IWUE值，同时具有最高的平均IAA（95.76 μg mL^?1）和NH₃（14.75 mg L^?1）产生。主成分分析前两个主成分解释53.2%的总变异，PC1主要与植物生产力和生长相关，PC2主要代表形态发育。PCA双标图清晰分离了四个组群，第一组位于PC1正侧，与IAA和生产力相关性状紧密聚集。

四、讨论总结与研究结论

讨论部分指出，亏缺灌溉虽使IWUE提高39.1%，但伴随营养生长和产量性状的大幅降低（32.2%–61.3%），这主要归因于细胞分裂和扩张受损、光合能力下降、养分吸收受限以及活性氧（ROS）过度积累导致的氧化损伤。与仅针对单一或少数抗旱机制的传统农艺策略相比，PGPR可同时影响根系发育、养分获取、激素信号、根际条件和胁迫防御反应等多方面。本土菌株因其已适应本地土壤、气候和根际条件而具有生态优势。

优良菌株的优越表现与其PGP特性密切相关，特别是IAA和NH₃产生。IAA可能通过刺激初生根伸长和侧根形成，增加根系探索的土壤体积，从而改善水分和养分获取。NH₃产生可能通过贡献细菌氮相关活性改善局部养分有效性。铁载体产生虽在92.2%菌株中检测到，但与植物表现相关性弱，表明当功能性状存在于大多数菌株时，该性状的区分能力有限，铁载体可能与其他机制协同作用。

层次聚类分析和主成分分析一致鉴定出蜡样芽孢杆菌A2、短小芽孢杆菌D2和E3、沙福芽孢杆菌D5为优良菌株，其优越的农艺表现与多种功能属性的组合相关，而非单一PGP特性。这直接支持了本研究所采用的综合筛选策略的有效性。

研究结论：本研究证明了本土芽孢杆菌菌株在促生能力和干旱缓解潜力方面存在显著差异。综合筛选方法成功鉴定出蜡样芽孢杆菌A2、短小芽孢杆菌D2和E3、沙福芽孢杆菌D5为优良菌株，在充分和亏缺灌溉下对小麦生长、生产力和IWUE具有优越且一致的效果。若干其他菌株也表现出相当大的潜力。研究结果强调，来自干旱农业环境的本土芽孢杆菌菌株是功能多样的PGPR宝贵资源，菌株水平的综合筛选比仅基于单一PGP性状的选择更具信息量。这些优良菌株为进一步田间验证和开发本地适应性生物接种剂提供了有前景的候选对象，以维持干旱和半干旱农业生态系统中小麦生产力并提升IWUE。研究也承认了局限性，包括单季温室评估、16S rRNA测序无法直接确认功能基因表达等，未来需进行多年多点多品种田间验证及基因组和分子水平的功能基因分析。