《Plant Physiology and Biochemistry》：Co-application of γ-aminobutyric acid and
Bacillus zanthoxyli HN90 is associated with improved vegetative traits and altered rhizosphere microbial profiles in rice under a fixed reduced-nitrogen regime
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γ-氨基丁酸（GABA）与花椒芽孢杆菌（Bacillus zanthoxyli）HN90联合施用与减氮条件下水稻营养性状改善及根际微生物群落改变相关。研究人员在固定减氮（80%常规施氮量）盆栽系统中，评估了单独施用GABA、单独接种HN90菌株以及二者联合施用
γ-氨基丁酸（GABA）与花椒芽孢杆菌（Bacillus zanthoxyli）HN90联合施用与减氮条件下水稻营养性状改善及根际微生物群落改变相关。研究人员在固定减氮（80%常规施氮量）盆栽系统中，评估了单独施用GABA、单独接种HN90菌株以及二者联合施用（HN90G）对水稻营养生长及根际微生态的影响。结果显示，与单独处理相比，HN90G处理显著增加了茎粗和叶绿素相对含量（SPAD值），同时降低了株高，呈现出“矮壮”表型。根际微生物组分析表明，HN90G处理下细菌β-多样性发生显著分离，且与特定属的富集相关，如固氮螺菌属（Azospirillum）和地杆菌属（Geobacter）。在成熟期，HN90G处理使根际土壤中的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别提高了23%至93%。基于分类学的功能预测（FAPROTAX）提示，HN90G处理下与氮循环（硝化、反硝化、尿素分解）相关的类群相对丰度增加，而与甲烷循环相关的类群相对丰度降低。综上所述，在固定减氮条件下，GABA与HN90的联合施用与水稻营养性状改善及根际微生物群落结构重塑相关联。
论文解读文章
一、研究背景与目的
水稻是全球超过35亿人口的主要粮食作物，其可持续生产面临水资源短缺、土壤退化及化学肥料报酬递减等多重挑战。传统的高投入农业生产模式依赖大量化肥和农药，已受到资源环境约束和土壤肥力下降的严重制约。因此，开发能够增强根际微生物功能和养分利用效率的可持续策略成为保障粮食安全的迫切需求。植物促生根际细菌（PGPR），尤其是芽孢杆菌属（Bacillus spp.），因其能分泌吲哚-3-乙酸（IAA）、溶磷解钾及诱导系统抗性（ISR）等特性而被广泛应用。然而，单一PGPR菌剂在田间的效果常因土壤性质、气候条件和生育阶段等因素而不稳定。生物刺激素如γ-氨基丁酸（GABA）不仅能调节植物生长和逆境响应，还能作为细菌的化学引诱物和营养物质。基于此，本研究旨在探索将GABA与一株高效PGPR——花椒芽孢杆菌（Bacillus zanthoxyli）HN90联合施用，在减氮条件下是否能更有效地改善水稻营养性状并重塑根际微生物群落。
二、主要技术方法
- 1.
菌株筛选与鉴定：从江苏金坛和湖南长沙两个长期定位试验点的水稻根际土壤中分离细菌，通过IAA产量、嗜铁素（siderophore）产生及定性功能测试（如解磷、解钾、固氮能力）进行初筛，结合16S rRNA基因测序和邻接法（Neighbor-Joining）系统发育分析鉴定目标菌株HN90。
- 2.
水培与盆栽实验：通过水培实验验证候选菌株的促生效果；随后在淮安市农业科学研究院温室内进行两阶段盆栽实验。第一阶段为育苗期（20天），第二阶段为拔节至成熟期（34天后移栽至PVC盆）。所有处理均在固定减氮（80%常规施氮量）背景下进行，设置四个处理：CK（对照）、G（单施GABA）、HN90（单接HN90）和HN90G（GABA+HN90联用）。
- 3.
微生物组分析：采集不同生育期（苗期、孕穗期、成熟期）的根际土壤，提取总DNA后对细菌16S rRNA V3-V4区和真菌ITS1区进行扩增子测序（Illumina NovaSeq PE250平台）。使用DADA2进行质控和去噪，在QIIME 2和R v4.2.2中进行α多样性（Shannon指数）、β多样性（主坐标分析PCoA，基于Bray-Curtis距离）及差异丰度分析（LEfSe、STAMP）。
- 4.
生理生化指标测定：测定株高、茎粗、SPAD值、分蘖数及植株各器官（根、茎、叶）的氮（N）、磷（P）、钾（K）含量。测定根际土壤中脲酶（URE）、蔗糖酶（SUC）、碱性磷酸酶（ALP）和过氧化氢酶（CAT）的活性。
三、研究结果
3.1 高效水稻根际PGPR的分离、筛选与鉴定
从两个长期试验点共分离到四株产IAA的根际细菌（HN90、OF224、SM546、SM570）。系统发育分析将HN90和OF224归类为花椒芽孢杆菌（B. zanthoxyli），SM546和SM570归类为假单胞菌（Pseudomonas soli）。其中，HN90表现出最高的IAA产量和最强的嗜铁素产生能力（80.1%），并在定性功能测试中对固氮、解磷、解钾均呈阳性。水培实验证实，HN90处理的幼苗鲜重和干重均显著高于对照，根系形态指标（根长、表面积、体积）也得到改善。因此，HN90被选为后续实验的目标菌株。
3.2 HN90与GABA组合对水稻幼苗及其根际微生物组的影响
体外实验显示，仅有GABA能促进HN90的生长，且在5-10 mM浓度下对HN90具有最强的趋化作用。在苗期（第20天），与CK相比，HN90、GABA及HN90G处理均降低了株高，但增加了茎粗和SPAD值，其中HN90G处理的均值最高。微生物组分析显示，HN90G处理导致细菌β-多样性与其他处理显著分离，并富集了特定的细菌属，如Ignavibacterium、Xenophilus和Oscillochloris，同时降低了病原真菌镰刀菌属（Fusarium）的相对丰度。Spearman相关性分析揭示了这些富集菌属与幼苗形态和营养指标之间的关联。
3.3 HN90与GABA组合对孕穗期水稻生长及根际群落的影响
在孕穗期（第94天），HN90G处理仍保持“矮壮”表型（株高最低，茎粗和SPAD值最高）。细菌α-多样性在HN90处理下最高，而HN90G处理居中。β-多样性分析显示各处理间细菌和真菌群落均显著分离。HN90G处理显著富集了地杆菌属（Geobacter）、Bellilinea、Mariniphaga和Thauera等细菌属，以及Catenaria和链格孢属（Alternaria）等真菌属。网络分析表明，HN90G处理下的细菌共现网络更为简化。
3.4 HN90与GABA组合对成熟期水稻生长及根际群落的影响
在成熟期（第134天），HN90G处理的茎粗较CK增加了29.53%，SPAD值也最高。根际土壤酶活性方面，HN90G处理下的过氧化氢酶（CAT）、碱性磷酸酶（ALP）、脲酶（URE）和蔗糖酶（SUC）活性分别比CK高出93.22%、62.11%、23.44%和70.96%。微生物组分析显示，HN90G处理下固氮螺菌属（Azospirillum）和地杆菌属（Geobacter）的相对丰度高于CK，而镰刀菌属（Fusarium）的相对丰度较低。STAMP分析鉴定出多个与HN90G处理显著相关的ASV，其中一些（如属于Geobacter和Ciceribacter的ASV）与茎粗、SPAD及多种酶活性呈正相关。
3.5 GABA与HN90组合对不同生育期根际微生物群落动态的影响
跨三个生育期的综合分析表明，各处理的α-多样性和β-多样性均呈现时间动态变化。HN90G处理在PCoA空间中显示出最大的阶段间位移，表明其群落演替最为剧烈。在整个生育周期中，HN90G处理始终伴随着固氮螺菌属（Azospirillum）和地杆菌属（Geobacter）的相对丰度升高，以及镰刀菌属（Fusarium）的相对丰度降低。
3.6 GABA与HN90组合对不同生育期根际功能预测谱的影响
基于FAPROTAX的功能预测显示，在成熟期，HN90G处理下与硝化、反硝化和尿素分解相关的预测功能类别相对丰度较高，而与甲烷循环相关的类别相对丰度较低。研究者强调这些仅为基于16S rRNA的分类学推断，不代表直接测量的通路活性。
四、讨论与结论
讨论总结：本研究表明，在固定减氮条件下，GABA与HN90联合施用与水稻“矮壮”表型的形成、根际微生物群落的重塑以及土壤酶活性的提升相关联。这种组合可能通过GABA对HN90的直接促生和趋化作用，以及两者共同调控根际微生态来实现。研究中观察到的有益菌（如Azospirillum, Geobacter）富集和潜在病原菌（Fusarium）抑制，暗示了潜在的生物防控和养分活化机制。然而，由于缺乏全氮对照和氮梯度实验，未能评估氮利用效率；未进行田间验证和产量测定，限制了其农艺意义的判断；HN90菌株未被追踪，其定殖和持久性未知；酶活性测定无法区分来源；功能预测未经直接验证。因此，所观察到的关联性不能等同于因果机制。
研究结论：在固定减氮的盆栽系统中，HN90-GABA联合施用与水稻更矮壮的株型、根际群落组成的改变以及相较于减氮对照更高的根际土壤酶活性相关联。尽管如此，该研究并未确立提高的氮利用效率、田间水平的农艺效益或因果性的微生物组工程改造，因为未包含全氮对照或氮梯度，所有植物工作均在受控条件下完成，HN90在接种后未被追踪，且未进行直接的生理和功能验证。这些要点应在结合菌株追踪及直接生理和功能测定的氮梯度和多季田间实验中得到检验。
