田间条件下Priestia sp. KR219对不同氮肥施用水平下冬小麦的影响评价

《Agronomy》：Field Evaluation of Priestia sp. KR219 in Winter Wheat: Responses Under Different Nitrogen Fertilization Levels

　　

可持续农业的重要组成部分是制定在保持高作物生产力的同时减少矿物肥料施用的策略。一种有前景的方法是应用植物促生菌（plant growth-promoting bacteria, PGPB），其可促进植物发育并提高养分利用效率。在波兰西南部于2023–2024和2024–2025两个生长季开展了冬小麦田间试验，以评估在不同氮肥施用制度下接种Priestia sp. KR219的效果。试验设置3个氮水平：70、91和130 kg N ha^?1（分别相当于春季全量氮肥施用量的54%、70%和100%），并设接种与不接种细菌处理。研究评价了土壤化学与生物学性质、光合色素含量、植株形态性状、籽粒产量以及籽粒化学组成和氨基酸谱。在第二个生长季，接种处理表现出更高的土壤脱氢酶活性；在减量施氮条件下，接种处理的部分光合色素含量升高，尤其是叶绿素a。在大多数处理组合中，细菌接种虽在数值上提高了籽粒产量，但这些差异未达统计学显著水平。施用氮肥处理之间的差异在籽粒化学组成和氨基酸谱方面比同一氮水平下接种与不接种处理之间的差异更为明显，全量施氮处理通常表现出最高的蛋白质含量以及若干必需氨基酸和非必需氨基酸含量。总体而言，接种Priestia sp. KR219后观察到的响应包括土壤和部分生理参数的改变，而籽粒产量和品质的响应在不同生长季之间存在差异。需要在多种环境条件下开展进一步研究，以确定其农艺应用潜力。

中文论文解读

一、研究背景与意义

小麦（Triticum aestivum L.）是全球种植范围最广、最重要的谷类作物之一，2024年全球收获面积约2.2亿公顷，总产量接近8亿吨，是全球粮食安全和供给的核心作物。在欧盟范围内，波兰是主要小麦生产国之一，2024年产量约1240万吨。保障小麦高产通常需要大量氮肥和磷肥投入，而过量施用化肥则会带来养分流失、水体富营养化、土壤退化和氧化亚氮排放增加等环境问题。这一矛盾促使学术界积极探索可持续的养分管理策略，其中应用植物促生菌（plant growth-promoting bacteria, PGPB）被认为是减少小麦生产中矿物肥料投入的重要途径。PGPB可通过固氮、溶磷、产生植物激素和铁载体等直接机制，以及产生抗生素、诱导系统抗性、分泌水解酶等间接机制促进植物生长。在产芽孢PGPB中，新建立的Priestia属菌株因兼具促生特性和芽孢杆菌特有的环境耐受性而受到关注。然而，PGPB在田间条件下的效果受菌株特性、环境条件和农艺措施的影响较大，单一菌株特别是Priestia属菌株在不同氮肥制度下连续生长季的田间表现鲜有系统报道。菌株Priestia sp. KR219分离自永久性草地土壤，经功能鉴定具有固氮和无机磷溶解能力，但其在田间冬小麦上的应用效果尚未被评价。因此，本研究旨在连续两个生长季的田间条件下，系统评估接种Priestia sp. KR219在54%、70%和100%春季氮肥施用量水平下对土壤生物学活性、植株形态、籽粒产量和品质的影响，并检验接种效应是否依赖于施氮水平和生长季条件。

二、研究人员开展的研究及主要结论

研究人员于2023–2024和2024–2025两个生长季，在波兰西南部下西里西亚省Borz?cin村（51°26′48.0″ N, 16°54′10.3″ E）的一处商业农场开展了冬小麦田间试验。试验采用随机区组设计，设3个氮肥水平（70、91、130 kg N ha^?1，分别相当于春季全量氮肥的54%、70%和100%）和是否接种Priestia sp. KR219两个因素，共6个处理组合，每个处理3次重复。试验测定了土壤化学性质、脱氢酶活性（dehydrogenase activity, DHA）、光合色素含量、植株形态性状和籽粒产量等农艺指标，以及籽粒蛋白质、脂肪、淀粉、磷含量和氨基酸组成等品质指标。研究结果显示：接种处理在第二个生长季表现出较高的土壤DHA，在减氮条件下叶绿素a等光合色素含量升高；接种处理在多数处理组合中籽粒产量在数值上有所增加，但差异未达显著水平；籽粒化学组成和氨基酸谱主要受氮肥水平调控，全量施氮处理蛋白质含量和多种氨基酸含量最高，接种处理与同一氮水平下未接种处理间的差异小于不同氮水平间的差异。研究结论认为，Priestia sp. KR219接种对冬小麦的效应具有参数依赖性和季节依赖性，该菌株可能具有作为微生物生物刺激素的潜力，但其农艺应用价值尚需在多样化的环境条件下进一步验证。该研究发表于《Agronomy》。

三、主要关键技术与方法

研究人员采用了以下主要技术方法开展研究：（1）菌株鉴定采用16S rRNA基因Sanger测序，序列提交至GenBank（登录号PZ374711）；（2）菌株功能评价采用无氮Burk培养基检测固氮能力，Pikovskaya琼脂平板检测溶磷能力；（3）土壤DHA依据ISO 23753-1:2005标准，以2,3,5-三苯基氯化四氮唑（TTC）为电子受体测定；（4）光合色素含量依Lichtenthaler和Allen及Lichtenthaler和Buschmann的方法，用80%丙酮提取后在470、646、663 nm波长下分光光度法测定；（5）籽粒成分分析采用近红外反射光谱法（NIRS），湿面筋含量按PN-EN ISO 21415-2:2015-12标准测定；试验地土壤为根据世界土壤资源参考基础（WRB）分类的雏形土（Cambisols），前茬作物均为冬油菜，供试品种为冬小麦品种Impresja，种子发芽率97%，千粒重40.7 g。

四、研究结果与讨论

1. 菌株特征
菌株KR219分离自永久性草地土壤，基于1481 bp的16S rRNA基因片段被鉴定为Priestia属，命名为Priestia sp. KR219。平板测定表明该菌株具有大气氮固定和磷溶解能力，具备潜在的植物促生特性。

2. 土壤化学性质
2024年，各处理间土壤pH（7.3–7.4）、有机碳含量（0.94–1.03%）、硝态氮含量（15.47–20.60 mg kg^?1）和有效磷含量（49.0–50.0 mg kg^?1）均无显著差异。2025年各参数变异略有增大（pH 7.1–7.2，有机碳1.19–1.49%，有效磷45.0–51.3 mg kg^?1），但处理间差异仍不显著。这说明菌株KR219接种不足以引起田间可测的土壤化学性质改变。

3. 脱氢酶活性
2024年DHA在0.81–0.87 μg TPF g^?1 h^?1之间，处理间差异不显著。2025年DHA变异增大（0.49–0.81 μg TPF g^?1 h^?1），N91+B处理活性最高，且与N91处理差异显著，表明接种可在减氮条件下提高土壤微生物活性。

4. 光合色素含量
2024年第一次取样时叶绿素a含量在2.29–2.88 mg g^?1之间，N91+B处理最高；叶绿素b和类胡萝卜素亦在接种处理中显著升高；第二次取样时各处理间差异减小。2025年色素含量总体高于2024年，第一次取样时N130+B处理的叶绿素a显著高于N70，第二次取样时N70+B处理的叶绿素b显著高于N70。接种对光合色素的影响具有测量时期和生长季依赖性。

5. 植株生长与籽粒产量
2024年各处理间的株高、地上部生物量、穗重、籽粒产量和千粒重均无显著差异，但接种处理在同一施氮水平下数值略高。2025年除N130株高显著高于其他处理外，其余生物学性状均无显著差异；N91+B处理在数值上表现出较高的地上部生物量、穗重和籽粒产量。在70%氮水平下，接种处理的籽粒产量较未接种处理在两年中分别增加约10%和8%。

6. 籽粒化学组成
2024年，N130和N130+B处理籽粒蛋白质含量（约12.1–12.4% DM）显著高于低氮处理（约9.9–10.6% DM），粗脂肪在N70+B处理中显著低于N70、N91和N130；磷含量在全量施氮处理中显著高于N70+B，淀粉含量则相反；面筋含量各处理间差异不显著。2025年平均蛋白质含量高于2024年，N130（13.41% DM）和N130+B（13.30% DM）处理显著高于低氮处理，磷含量亦在全量施氮处理中显著升高。细菌接种对籽粒化学组成的影响有限，籽粒品质主要受施氮水平调控。

7. 氨基酸组成
2024年，亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸和色氨酸在N130和N130+B处理中含量较高，缬氨酸在N91和N91+B中最高，赖氨酸处理间部分重叠，组氨酸和苏氨酸无显著差异。非必需氨基酸中，谷氨酸、天冬氨酸、脯氨酸和精氨酸在高氮处理中显著升高，半胱氨酸和丝氨酸亦在全量施氮处理中较高。2025年，上述氨基酸含量总体高于2024年，氮肥效应更为显著，全量施氮处理中多种氨基酸含量显著高于N70处理。接种处理对氨基酸谱的影响未达到显著水平。

8. 相关性分析
2024年籽粒产量与茎秆产量（r = 0.998）和穗重（r = 0.96）呈极强正相关，千粒重与产量无显著相关，第一次取样叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素间呈高度正相关（r = 0.88–0.96）。2025年产量与穗重的相关性与上一年相似，但第二次取样时叶绿素a和类胡萝卜素含量与籽粒产量呈显著负相关（r = ?0.51和?0.52），可能与当年降水减少导致的逆境胁迫有关。

五、讨论

研究结果表明，冬小麦对Priestia sp. KR219接种的响应表现出明显的变异性和参数依赖性。接种处理最显著的变化体现在土壤脱氢酶活性和部分光合色素含量上，而植株形态、籽粒产量和品质指标未受到显著影响。这一结果与田间条件下PGPB效果比受控条件下更易变异的普遍认识一致。土壤酶活性的提高与已有Bacillus和Priestia属细菌应用的研究报道相符，但不同研究中接种剂量和施用方式存在较大差异。光合色素含量的研究结果与已有文献一致，但其效应随测定时期和生长季而变化。在产量方面，虽然接种处理的籽粒产量在数值上较未接种处理增加了约5%–10%，但未达显著水平，这与Ibarra-Villarreal等和Nguyen等关于中等施氮水平下接种效果更明显的报道相符。籽粒蛋白质含量和氨基酸组成主要受氮肥供应水平决定，接种处理未引起氨基酸谱的显著且可重复的变化，这与Casal等报道Priestia megaterium提高面筋含量的结果不一致，可能反映了菌株特异性差异。接种效果有限可能受施用时期（拔节期土壤喷雾）、菌株来源（永久性草地而非小麦根际）、与土著微生物群落的竞争以及田间定殖能力等多种因素制约。本研究未监测接种菌株在根际的定殖动态和存活情况，这是解释田间接种效果变异性的重要限制因素。

六、研究结论

研究结果表明，接种Priestia sp. KR219处理所观察到的响应是可变的，并且取决于所分析的参数、氮肥施用水平和生长季节。可能与细菌施用相关的最显著效应体现在土壤生物学活性和部分光合色素方面，而对植株形态、产量及籽粒品质参数的影响有限。接种Priestia sp. KR219处理的土壤脱氢酶活性较高，尤其是在减量施氮条件下，这可能表明细菌施用后对微生物活性产生了潜在刺激作用。接种处理中还观察到部分光合色素含量升高，主要是叶绿素a和类胡萝卜素，但这些效应取决于采样时期和环境条件。所得结果突出表明，田间条件下施用PGPB后的响应可能取决于微生物、植物和环境之间的复杂相互作用。进一步研究应侧重于监测细菌施用后的定殖和存活情况，以及优化接种方法并在不同农业生态条件下验证菌株表现。观察到的响应表明，Priestia sp. KR219可能具有作为微生物生物刺激素的潜力，以支持冬小麦种植中更可持续的氮素管理，但仍需在不同田间条件下进一步验证。