花期再接种Priestia aryabhattai缓解籽用高粱水分亏缺：对农艺性状及灌溉水生产力的影响

《Cereal Research Communications》：Flowering-stage reinoculation with Priestia aryabhattai mitigates water deficit in grain sorghum: impact on agronomic performance and irrigation water productivity

　　

摘要翻译：尽管籽用高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]被认为具有耐水分亏缺的特性，但干旱条件仍会损害作物生长和产量表现。在此背景下，基于Priestia aryabhattai的生物投入品成为缓解干旱胁迫影响的一种有前景的替代方案。然而，评估该根际细菌在高粱中应用的研究仍然较少，尤其是在生殖生长阶段进行再接种的策略方面。因此，本研究评估了在水分限制条件下，花期使用P. aryabhattai进行再接种能否增强籽用高粱的根系发育、籽粒产量和灌溉水生产力。试验在温室中进行，采用随机区组设计，3×3因子排列，包含三个基于土壤有效水容量(AWC)的水分处理[85%(无水分亏缺)、50%(中度亏缺)和30%(重度亏缺)]和三种生物管理方式[不接种(对照处理)、种子接种、以及种子接种+花期土壤施用的再接种]。在水分限制条件下，对照处理植株的根系发育和地上部生物量均有所降低。然而，P. aryabhattai的施用部分缓解了这些影响。在重度亏缺条件下，再接种使每株籽粒数最多增加了81%。在85% AWC条件下，再接种处理的籽粒产量较种子接种提高了55%，较未接种对照提高了66%，同时残留干物质增加了30%。再接种还提高了灌溉水生产力，在85% AWC条件下达到10.16 kg m?3。这些发现表明，花期再接种P. aryabhattai可能是一种有前景的生物投入品策略，可在水分受限条件下改善高粱表现。然而，仍需要田间研究来验证这些响应在商业化生产条件下的有效性。

论文题目：花期再接种Priestia aryabhattai缓解籽用高粱水分亏缺：对农艺性状及灌溉水生产力的影响

论文解读：

一、研究背景与意义

高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]因其出色的耐旱性和水分利用效率，已成为热带地区免耕(NT)系统中的战略性作物。在巴西农业格局中，高粱凭借其在动物饲料配方中的多功能性以及生物燃料产业日益增长的需求，其种植面积和总产量在过去十年间分别增长2.0倍和2.5倍。然而，尽管高粱的产量潜力可达12 t ha?1，巴西全国平均生产力却仍徘徊在3.7 t ha?1，这一巨大产量差距反映了该作物多被种植于边际土地、降雨模式不规律以及技术投入水平低等现实问题。随着气候变化加剧，干旱事件的频率和严重程度不断增加，严重威胁作物生长发育。在这一背景下，基于植物促生根际细菌(PGPR)的生物投入品技术因能够在不大幅增加生产成本的前提下促进生产力提升而受到关注。其中，Priestia属细菌（以P. aryabhattai为代表）已被证实在多种经济作物中具有缓解水分亏缺损伤的潜力，其有益效应主要与种子接种相关，而对如何在作物发育过程中维持或恢复细菌活性——尤其是在植株需水量最大的生殖生长阶段——的研究则相对匮乏。高粱的花期是对干旱最敏感的发育阶段之一，此时水分亏缺会严重损害授粉、籽粒建成和最终产量。然而，关于在花期通过再接种强化细菌种群能否维持或增强P. aryabhattai在干旱胁迫下的有益效应，目前尚不清楚，针对高粱的研究更是几乎空白。因此，本研究提出假设：花期再接种P. aryabhattai可在高粱发育最关键的阶段之一强化细菌活性，从而相比单独种子接种更有效地改善根系功能、水分利用效率和耐旱性。

二、研究内容与方法概述

研究在巴西圣卡洛斯联邦大学(UFSCar)阿拉拉斯校区的温室中开展，供试土壤为典型高风化氧化土(Typic Hapludox)。试验采用随机区组设计，3×3因子排列，设5次重复。第一个因子为生物投入品处理，包括：(I)种子接种P. aryabhattai、(II)种子接种+花期（第6发育阶段）再接种P. aryabhattai，以及(III)不接种的对照处理。第二个因子为基于土壤有效水容量(AWC)的灌溉管理，分别为全程维持85% AWC（无水分亏缺）、50% AWC（中度亏缺）和30% AWC（重度亏缺）。供试菌株为CNAA 1363，浓度1×10? CFU mL?1。再接种于播种后70天（花期/抽雄期）进行，将稀释后的生物投入品均匀施于土壤表面靠近茎基部处。试验采用称重法确定灌水量，所有处理在达到三叶期前均维持85% AWC，之后建立不同的水分处理。供试杂交种为Nugrain 420。研究测定了以下指标：E7期（蜡熟期）和E9期（生理成熟期）的生物量、根系形态参数（使用WinRHIZO软件分析根表面积、平均直径、根体积和根长密度）、株高、穗位高、穗柄长、穗长、每株粒数、千粒重、籽粒产量及灌溉水生产力(WPir)。统计分析采用双因素方差分析(ANOVA)、Tukey检验、主成分分析(PCA)和Pearson相关分析。

三、主要研究结果

（一）E7期干物质产量（青贮收获）

水分处理和生物投入品处理显著影响E7期高粱的鲜质量和干质量。在充分供水（85% AWC）条件下，鲜生物量不受生物投入品处理的影响；但在水分亏缺条件下，P. aryabhattai的接种和再接种均改善了植株表现。在50% AWC条件下，鲜生物量较未接种对照增加11.6%；在重度亏缺（30% AWC）条件下，再接种处理的鲜生物量较种子接种和对照处理均高17.5%。干生物量呈现相似趋势，重度亏缺下接种和再接种分别较对照增加27.8%和15.1%。

（二）根系发育

85% AWC管理下各根系指标值最高，且该水分条件下接种处理表现最佳。水分亏缺处理下根系指标值下降，重度亏缺下尤为明显。在50% AWC中度亏缺条件下，花期再接种处理的平均根直径较接种和对照管理分别小26%和14%；根长密度较接种处理高40%，约为对照的12倍；根干质量较接种和对照分别增加44%和36%。这表明再接种策略在中度水分亏缺下触发了根系的显著适应性响应。

（三）植株发育与籽粒产量

接种和再接种处理在85%和50% AWC下表现出较高的株高和穗位高；重度亏缺下，再接种贡献了更高的株高、穗位高、穗柄长和穗长。在产量构成方面，再接种在所有水分条件下均获得最高的每株粒数，在85%、50%和30% AWC下分别较种子接种和对照处理高出37%、28%和81%。接种和再接种均提高了各水分条件下的千粒重和籽粒产量。在85% AWC充分供水条件下，再接种处理的产量较接种和对照分别提高约55%和66%。

（四）收获后生物量（秸秆）生产

在E9期干物质产量方面，因子间无显著交互作用。接种和再接种处理较未接种对照使残留干物质增加约30%；水分因子方面，85% AWC条件下的残留干物质最高，较50%和30% AWC分别高出34%和59%。

（五）灌溉水生产力

花期再接种获得了最高的灌溉水生产力(WPir)。在无水分亏缺条件下，再接种的WPir较种子接种和未接种对照分别提高191%和29%；中度亏缺下较接种高71%；重度亏缺下平均较其他生物投入品处理高112%。总体而言，花期再接种在所有灌溉制度下均获得最高WPir，在85%、50%和30% AWC下分别达到10.16、5.03和3.81 kg m?3。

（六）多元数据分析和Pearson相关分析

主成分分析中仅第一主成分被保留，解释了总变异的82%以上。E7期鲜质量和干质量、株高、穗位高和粒数在第一主成分上具有最高的正载荷（0.27~0.28）。散点图显示85% AWC与再接种组合的处理获得了最高产量水平，该处理与较高植株、较高穗位、更多穗粒数和较高青贮期质量产量相关联。Pearson相关分析（p<0.0001）表明，产量与几乎所有高粱发育变量呈正相关，但与根表面积、平均根直径、根体积和根长密度无直接相关性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，尽管高粱以耐旱性著称，但适当的水分管理仍是最大化营养生长和籽粒产量的关键。非接种植株在水分亏缺下根系发育受限，这与干旱诱导的氧化胁迫、细胞膨压丧失和细胞壁力学性质变化有关；而P. aryabhattai的施用通过调节抗氧化酶活性、改变根系构型等方式缓解了这些负面影响。值得关注的是，在50% AWC下再接种处理的根长密度和根干质量甚至超过了无水分亏缺处理，表明花期再接种可能通过重新定殖根际、强化有益植物-微生物互作，维持了根系在水分限制条件下的发育和土壤探索能力。花期再接种还显著提高了每株粒数、千粒重和籽粒产量，这可能与该菌产生吲哚-3-乙酸(IAA)、调节细胞分裂素和赤霉素等激素平衡的能力相关，有利于维持生殖器官的库活性和光合产物向发育中穗部的分配。此外，残留秸秆量的增加对热带免耕系统具有重要意义，可增强地表覆盖、促进养分循环并减少土壤水分蒸发。主成分分析和相关分析的结果表明，产量响应不能仅由根系形态变化解释，其他机制（如渗透调节、胞外多糖(EPS)分泌等）也可能参与其中。

研究结论为：中度（50% AWC）和重度（30% AWC）水分亏缺显著降低了籽用高粱的营养生长和产量；P. aryabhattai的接种可部分缓解这些不利影响，促进作物生长、产量构成和灌溉水生产力的提升。特别值得注意的是，花期土壤再接种策略有利于提高生物量产量、根系发育、籽粒产量和灌溉水生产力。这些发现表明，P. aryabhattai花期再接种是一种有前景的生物投入品策略，可改善水分亏缺条件下高粱的表现。然而，由于本研究在受控温室条件下进行，在大范围农艺推广之前，仍需田间试验来验证这些响应在商业化生产条件下的有效性。未来结合田间验证与生理学、生物化学和分子生物学方法的研究，将有助于阐明花期再接种响应背后的机制，并确定这些效应在不同环境条件下的稳定性。