土壤特性与环境背景调控盐生植物源促生菌生物肥料对甜菜生长促进效应的研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Soil physicochemical traits and environmental context shape the efficacy of a halophyte-derived plant growth-promoting bacterial biofertilizer

本研究针对植物根际促生菌(PGPB)生物肥料在实际应用中因土壤理化性质和环境变异导致的效应不稳定问题，通过温室和田间实验，探讨了盐生植物源PGPB接种剂在不同性质土壤中对甜菜(Beta vulgaris)生长、生理及营养平衡的调控效应。结果表明，该接种剂在贫瘠沙质土壤中显著提升植物生物量(55%-91%)和光合性能，而在肥沃土壤中效应有限(17%)，田间验证进一步证实了这种土壤依赖性，为针对性应用PGPB生物肥料提供了重要依据。

　　

随着全球人口持续增长，农业面临着一个巨大挑战：如何在满足日益增长的粮食需求的同时，大幅减少其对环境的影响，确保农业的可持续发展。在这一背景下，利用土壤中天然存在的微生物群或以生物肥料形式添加微生物，作为一种能够维持和/或提高农业生产力的工具，受到了越来越多的关注。植物根际促生菌（PGPB）能够通过产生和调节植物激素（如促进根系生长的生长素IAA、影响水分平衡的脱落酸ABA）、通过ACC脱氨酶调节胁迫下的乙烯水平以减轻胁迫诱导的生长抑制、以及通过固氮、溶磷、铁载体生产等机制促进养分获取，从而对植物性能产生积极影响。

尽管利用PGPB作为提高农业实践可持续性的有前景的工具方面的知识体系在不断增长，并且已有几种菌株作为高效且具有成本效益的生物肥料商业化，但这一领域仍然存在重大挑战需要进一步研究。其中一个主要障碍是对PGPB适应根际复杂多变条件的能力了解有限。许多接种方法被证明效率低下，是由于微生物对特定土壤理化特性和环境背景的适应性差。因此，在自然条件下评估PGPB的性能，同时明确考虑土壤异质性和气候变异性，对于实现对其农艺潜力的现实评估至关重要。

为了解决这些问题，来自西班牙塞维利亚大学的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》上发表了一项研究，探讨了土壤理化特性和环境背景如何调控一种盐生植物源的PGPB接种剂对作物生产力的有益效应。研究人员假设，这种接种剂的有益影响强烈依赖于土壤理化特性和环境条件，其在受控温室条件下的有益效果可能更明显，特别是在退化的土壤中，而从受控条件扩大到露天环境条件时，接种效果可能会降低。

为了验证这一假设，研究团队设计了两项互补的实验。实验在受控温室条件下进行，使用瑞士甜菜（Beta vulgaris L.）作为模型园艺物种，评估了微生物接种剂在两种不同理化性质的土壤（土壤1和土壤2）中的效果。土壤1采集自奥迭尔沼泽自然区的盐碱沙洲，具有沙质质地、低有机质含量以及有限的水分和养分保持能力，被归类为低肥力土壤。土壤2采集自温托斯的一个农场，具有更细的质地、更高的有机质含量和更大的养分有效性，被归类为肥沃土壤。实验设置了两种接种处理（不接种和接种），采用因子设计。此外，还进行了非受控自然条件下的田间验证实验（实验2），在两个具有不同土壤理化特性和小气候条件的地理区域（区域1和区域2）进行。

研究人员采用了冗余分析（RDA）来评估植物生理和离子浓度变量与实验因子之间的多变量关系，并使用广义线性模型（GLM）分析了土壤理化特性和细菌接种对甜菜生长、生理参数和植物组织离子浓度的主效应和/或交互效应。

研究结果显示，在受控温室条件下，土壤性质对甜菜生长有显著影响。与土壤2相比，在土壤1中生长的植物表现出较低的叶片干物质含量（LDMC）、根干物质含量（RDMC）、株高（Ph）和光合表面积。细菌接种总体上改善了这些参数，但这种积极效应在土壤1中生长的植物上更为明显。冗余分析表明，接种是植物生理性能变异的主要驱动因素。在气体交换参数方面，土壤2中生长的植物的净光合速率（A_N）和气孔导度（g_s）值高于土壤1中的植物。细菌接种显著改善了这两种测试土壤中的这些参数，且这种效应在土壤1条件下对于A_N和g_s更为显著。关于光化学装置的性能，Φ_PSII、ETR和Φ_CO2的值在土壤2中生长的植物中显著更高。细菌接种在这些参数以及F_v/F_m和PI_Total上也产生了显著的积极效应，并且这种有益效应在土壤1中栽培的植物上所有参数都更为明显。离子稳态分析显示，土壤类型和细菌接种对甜菜植物根和叶中多种元素的积累模式有显著影响。对于叶片离子浓度，土壤类型是变异的主要驱动因素，其次是接种以及土壤与接种之间的显著交互作用，表明接种效应随土壤类型而异。对于根离子浓度，土壤类型、接种及其交互作用都解释了限制性方差的显著部分。在土壤1中，细菌接种导致根和叶中Cu、Fe和Mn的浓度显著高于未接种植物，而Na和K浓度在两种组织中均较低。然而，在土壤2条件下，未观察到这种响应模式。

在非受控自然条件下的实验中，土壤理化性质对植物性能有显著影响，实验区域1（韦尔瓦）生长的植物的LDMC、RDMC和F_v/F_m值低于区域2（伊诺霍斯）的植物。细菌接种在实验区域1产生了积极效应，但在实验区域2的任何测量参数中均未检测到接种的显著效应。

本研究证实，由从盐生植物Halocnemum strobilaceum分离的自身相容PGPB菌株（如Kushneria sp. TE3, Priestia endophytica TE11 和 Kushneria indalinina TE14）组成的接种剂对甜菜的性能在受控温室条件和田间中试规模下均产生了显著的积极影响。然而，这些积极效应明显依赖于土壤类型，并且不能从温室到露天条件线性放大，在次优的土壤和气候条件下观察到最高的效力。在肥沃土壤和最佳气候条件下，其益处有限，强调了考虑土壤和环境背景对于有效使用生物肥料的重要性。这种土壤依赖行为是寻求PGPB基生物肥料在农业生产中普遍、实际应用时需要考虑的一个关键方面。

研究结论强调，设计的由从盐生植物Halocnemum strobilaceum分离的自身相容植物根际促生菌（PGPB）菌株组成的接种剂，对甜菜（Beta vulgaris）在受控温室条件和田间中试规模下的性能均有显著的积极影响。然而，这些积极效应明显具有土壤依赖性，且不能从温室到露天条件线性放大，在次优的土壤和气候条件下效果最为显著。这凸显了考虑土壤和环境背景对于有效使用PGPB生物肥料的重要性，是实现其针对性、高效农业应用的关键。未来的研究需要整合酶活性、代谢组学和根系分泌物分析，以更深入地了解PGPB对植物代谢的直接效应机制。