自然的预装助手：多样化种子内生菌提升水稻氮肥利用效率

《Frontiers in Plant Science》：Nature’s pre-installed helpers: diverse seed endophytes enhance rice nitrogen use efficiency

本综述系统阐述了水稻种子内生细菌作为“天然微生物盟友”在提升宿主氮肥利用效率（NUE）中的关键作用。研究通过培养依赖与非培养相结合的方法，揭示了高、低NUE水稻品种种子内生菌群落结构（如稀有类群驱动多样性，核心类群维持稳定性）及其功能特性（如产铁载体、溶磷、合成IAA）的差异。结果表明，这些功能冗余且互补的内生菌能显著促进水稻生长、氮积累及NUE，其效果受菌株特性及氮素水平共同调控，为开发可持续农业新型生物肥料提供了重要微生物资源。

　　

引言

氮是作物生长和发育的关键限制因子，提高氮肥利用效率（NUE）对于实现作物高产至关重要。植物相关微生物组，通常被称为植物的“第二基因组”，在提高作物NUE方面展现出巨大潜力。与根际微生物相比，种子相关微生物——植物微生物组的一个组成部分——具有独特且内在稳定的优势。首先，种子内生菌的垂直传播确保了微生物组在代际传递过程中的稳定保真性。其次，作为初级接种物，种子微生物组可以在幼苗建立早期定殖根系，抢先占据生态位并形成优势根际群落。第三，种子传播的微生物作为天然微生物盟友，在宿主发育和介导对环境胁迫的适应性反应中发挥关键作用。本研究通过对高、低NUE水稻品种的比较分析，系统探究了水稻种子内生细菌的群落组成及其在提高宿主NUE中的功能作用。

材料与方法

研究筛选了四个在中国广泛种植且NUE差异显著的水稻品种作为实验材料，包括两个高NUE品种（天优华占H_TY和Y两优1号H_Y1）和两个低NUE品种（秀水134号L_XS和福元4号L_FY）。通过培养非依赖（16S rRNA基因测序）和培养依赖方法系统分析了种子内生细菌的群落组成和功能特征。从高NUE品种种子中分离获得369株可培养内生菌，并基于频率、多样性和功能预测筛选出五株代表性菌株（Bacillus thuringiensis T328, Xanthomonas sacchari Y003, Pantoea agglomerans Y013, Curtobacterium citreum Y089, Pantoea dispersa Y163）进行后续植物促生（PGP）特性（溶磷、产铁载体、合成IAA）分析。通过接种低NUE品种L_XS的无菌幼苗，在正常氮（N42, 42.23 mg kg^?1）和低氮（N7, 7.39 mg kg^?1）条件下评估了这些内生菌对水稻生长、氮积累及NUE相关指标的影响。

结果

3.1 高、低NUE水稻品种种子内生细菌多样性

四个水稻品种共注释到500个种子内生细菌操作分类单元（OTUs），各品种OTU数量在214（L_XS）至311（H_Y1）之间。其中，92个OTUs（18.4%）为四个品种所共有，但其相对丰度占总丰度的94.5%以上。稀有类群（RT）在OTU丰富度上占主导地位，在所有品种中超过51%，但其总丰度低于0.6%。相反，丰富类群（AT）仅占OTUs的15.1%（H_Y1）至23.4%（L_XS），但其相对丰度贡献超过96.8%。品种特异性OTUs主要为RT，其总丰度均低于0.35%。香农多样性指数表明品种间微生物多样性较高，范围在2.95 ± 0.03（L_FY）至3.23 ± 0.04（H_Y1）之间，且存在显著差异。主成分分析（PCA）和层次聚类分析显示，品种间种子内生细菌群落结构存在显著差异，且相同NUE类型的品种群落结构更相似。例如，Sphingomonas在低NUE品种中富集，而Salmonella和Rhodanobacter等则在特定高NUE品种中含量较高。

微生物共现网络分析显示四个品种的网络拓扑结构相似，具有相近的边数和模块性指数，且以正相关为主。一些核心OTUs（如Kineococcus OTU286和Pseudomonas OTU310）在所有品种的网络中均充当共享枢纽。网络鲁棒性指数在0.23至0.26之间，无显著差异。指示物种分析确定了76个品种特异性指示OTUs，且无一共享。功能预测（FAPROTAX数据库）注释出41个功能群，其中33个（80.5%）在品种间存在显著差异，包括氮固定、硝酸盐还原、尿素分解等氮相关功能。

3.2 高NUE品种可培养内生菌的分离及其促生潜力

从H_TY和H_Y1品种种子中分离出的369株可培养内生菌分属于15个属，其中Enterobacter（66.04%）、Pantoea（21.03%）和Acinetobacter（4.04%）最为常见。选定的五株代表性内生菌在体外表现出多样化的植物促生特性。可溶性磷浓度在2.18 mg L^?1至763.98 mg L^?1之间，铁载体单位（SU）在0.139至0.733之间，IAA浓度在2.67 mg L^?1至289.38 mg L^?1之间。菌株间主导功能存在显著差异，表现出功能冗余和互补性。例如，P. dispersa Y163溶磷能力最强，但其IAA产量低于P. agglomerans Y013，且铁载体产生指数显著低于其他四株菌。

3.3 种子内生菌在增强水稻生长和NUE中的功能作用

与未接种对照相比，接种五株代表性内生菌均能促进水稻生长，包括增加生物量、株高、叶绿素含量、分蘖数、鲜叶数、根长，并减少枯萎叶数。但接种效果受菌株类型和氮水平的共同影响。在正常氮（N42）条件下，多数菌株（尤其是C. citreum Y089、P. dispersa Y163和X. sacchari Y003）能显著增加地上部干重；而在低氮（N7）条件下，所有菌株均能显著促进水稻生长。其中，C. citreum Y089在两种氮水平下均表现出最优的促生效果。

接种内生菌并未显著提高水稻的平均氮浓度，甚至总体呈下降趋势，但单株总氮积累量在所有处理中均得到显著改善。例如，接种C. citreum Y089使总氮积累在N42和N7条件下分别增加了20.5%和55.7%。相应地，接种代表性内生菌也提高了水稻的氮吸收效率（NUpE）、氮利用效率（NUtE）和氮肥利用效率（NUE），但不影响氮转运效率（NTE）。C. citreum Y089的效果最为显著：其NUtE在N42和N7条件下分别显著提高了53.1%和33.6%；同时，其NUE较对照组显著提高了0.84倍（N42）和1.1倍（N7）。菌株B. thuringiensis T328和P. agglomerans Y013在正常氮条件下对NUE无显著改善，但在低氮（N7）条件下分别使NUE提高了21.17%和20.22%。

讨论

本研究证实水稻种子中含有丰富多样的内生细菌群落。群落组成在品种间存在显著差异，稀有类群（RT）是驱动群落多样性和分化的主要力量，而核心类群（AT）在不同品种间高度保守，且在共现网络中占据中心位置，有助于维持群落稳定性。代表性内生菌表现出多样化、功能冗余且互补的植物促生特性。接种实验表明这些内生菌能通过多种协同机制显著促进水稻生长、氮积累和NUE，但其效果受菌株特性和氮素水平的共同调控。

种子内生菌群落中保守的核心类群和高度可变的稀有类群共同赋予了种子微生物组“双重稳定性”，这可能是微生物适应宿主选择的一种进化策略。功能冗余确保了宿主相关益处在多变环境下的稳定性，而功能互补则增强了宿主的功能多样性和生态适应性。种子内生菌提升宿主NUE的机制可能包括生物固氮、调节宿主氮代谢、改善根际微环境以及产生植物激素（如IAA）促进根系发育等。

结论

本研究表明，水稻种子蕴藏着高度多样化的内生细菌群落，其结构在品种间存在差异，但均呈现稀有类群驱动多样性、核心类群维持稳定性的双重模式。代表性种子内生菌具有多样化、功能冗余且互补的植物促生特性，能显著增强水稻生长和NUE，但其有益效果的程度和一致性受菌株和环境氮素有效性的共同调制。该研究为理解水稻种子微生物组的多样性及功能潜力提供了重要理论见解，为开发和利用种子内生菌作为提高水稻氮肥利用效率的微生物资源奠定了坚实基础。