《Ecological Frontiers》：Root colonization by synthetic bacterial communities improves below and above-ground traits in maize under combined abiotic stress
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玉米合成细菌群落（SynComs）对干旱及磷缺乏的缓解效应研究。通过分析根际微生物群落对玉米生理的影响，发现干旱胁迫显著降低玉米生长，而SynComs接种能增强根 colonization、形成 rhizosheath，提高水分保留（>10%）和生物量（>100%）。关键机制涉及根 exudate 诱导的微生物活性及PGP物质合成。
Sulastri Sulastri、Rika Sri Rahmawati、Yuda Purwana Roswanjaya、Ekky Ilham Romadhona、Delvi Maretta、R. Bambang Sukmadi、Nia Asiani、Ana Feronika Cindra Irawati、Nur Alfi Saryanah
应用微生物学研究中心，国家研究与创新机构（BRIN），印度尼西亚茂物16911
摘要
本研究通过地上和地下实验验证了微生物群落对环境压力的集体响应。研究中的四个细菌合成群落（SynComs）调节了玉米对干旱和磷缺乏条件的反应。由甘露醇引起的干旱胁迫对玉米生理和形态的影响比磷缺乏更为严重。此外，在干旱条件下，根系分泌物增加了SynComs的活性，其Z分数超过1；而在磷缺乏条件下，Z分数低于1，与最佳条件相似。研究结果表明，接种细菌SynComs改善了玉米在干旱条件下的地下特性，包括根系定植、根鞘形成、健康的根系结构以及强健的根系系统。这种支持的地下生态系统减轻了地上部分的干旱压力，表现为更高的水分保持能力（>10%）和更高的生物量产量（>100%），相较于未接种的玉米植株。本研究强调了地上和地下过程之间的相互关联性，这种关联性由根系分泌物和磷脂多糖（PGP）物质的产生所驱动。总体而言，我们的研究表明，细菌SynComs为应对干旱和磷缺乏问题提供了可持续的解决方案。
引言
干旱和热胁迫是导致产量损失的主要非生物因素[[1], [2], [3]]。在所有谷物作物中，玉米特别容易受到干旱的影响，其产量损失估计约为40%，使其成为全球受干旱影响最严重的主粮作物之一[[1]]。干旱会扰乱植物的多种生理和生化过程，包括水分吸收和养分吸收，最终导致生物量积累和作物产量的显著下降[[4]]。值得注意的是，干旱改变了土壤中主要养分的可用性和吸收情况[[3]]。在这些养分中，磷的可用性尤其令人担忧，因为土壤中可利用的磷仅占总磷含量的一小部分[[5]]，这主要是由于金属离子的固定或与有机物质的结合[[6]]。因此，干旱会影响磷的可用性，加剧植物的压力。然而，干旱和磷缺乏对玉米生长和发育的综合影响仍不清楚。
植物塑造了土壤微生物群落的结构和功能，而其地下部分有助于调节支持植物生产力的周围环境[[7]]。植物与微生物之间的这种相互作用强调了它们对胁迫条件的集体响应，这被认作是一个整体生物体（holobiont）[[8]]。植物通过根系分泌物分配大量光合产物来吸引有益的根际微生物[[9,10]]。在干旱条件下，光合产物的向根部分布显著增加[[3]]。此外，受胁迫的植物释放的根系分泌物与健康植物不同[[11], [12], [13]]。尽管根系分泌物在应对磷缺乏和干旱胁迫时的机制尚未完全明了，但大多数研究表明，当植物缺磷时，会释放羧化酶[[14]]。相比之下，植物在干旱胁迫下会释放多种物质，如胞外多糖（EPS）、脱落酸（ABA）和有机渗透调节物质（如脯氨酸、甜菜碱、海藻糖和皮尼醇[[14], [15], [16]]。
改良的根系分泌物有助于有益微生物群落的定植，帮助植物在恶劣环境中提高适应性[[11], [12], [13]]。在磷缺乏条件下，这些丰富的微生物可以激活或抑制各种磷循环基因，分泌磷酸酶，并改变根系结构以改善磷的吸收[[17,18]]。同样，维持水分平衡和渗透调节在干旱胁迫期间对植物生理至关重要[[19]]。响应干旱的微生物通过增强渗透调节和减少氧化损伤来帮助植物耐受干旱，为植物提供充足的水分和养分[[20], [21], [22]]。总体而言，这些由微生物介导的响应增强了植物生理机能，提高了光合效率，支持了生物量的持续积累，并减少了干旱条件下的产量损失[[19,23]]。因此，一个健全的地下生态系统对于促进地上生长和适应胁迫至关重要，这可以通过调整微生物的结构和功能来优化[[22]]。
通过设计特定的合成群落（SynComs），工程化植物根系与有益微生物之间的协同作用，可以为减轻干旱胁迫和磷缺乏的不利影响提供可持续策略。为此，我们从印度尼西亚西努沙登加拉省Dompu地区种植的甘蔗微生物组中开发了SynComs[[24]]。利用高通量和扰动方法，我们生成了一些潜在的SynComs，并探讨了它们在调节干旱和磷缺乏条件下玉米植物地下生态系统和提高生物量产量方面的作用。
合成细菌群落（SynCom）的开发和其促进植物生长（PGP）特性的评估
用于构建合成细菌群落（SynCom）的微生物组是从印度尼西亚西努沙登加拉省Dompu干旱地区的甘蔗根系和根际土壤中分离得到的。采样时间为2023年8月，正值旱季高峰期，样本来自处于不同生长阶段的甘蔗田：种蔗、第三代甘蔗和第九代甘蔗。该微生物组来源之前已经过特征分析
四种不同SynCom配方促进植物生长（PGP）的特性
这四种SynComs具有较高的磷溶解能力，其溶解度得分约为11 mg/mL
?1（图1）。不同SynComs在其他PGP特性上存在差异，根据其开发方法被分为两个不同的组：S1和S2（高通量方法）与S3和S4（扰动方法）。S1在所有PGP特性上均表现出较强的表达能力，除了钾溶解能力处于中等水平。尽管S3没有表现出固氮能力，但它
通过根系分泌物和微生物定植实现地上和地下部分的协同作用
植物根系通过向根际释放分泌物在调节地下生物多样性方面起着关键作用[[7]]。这些根系分泌物由多种初级和次级代谢物组成，作为对环境胁迫的适应性反应[[40,41]]。这些根系分泌物可以吸引有益的微生物群落，从而在胁迫条件下提高植物的适应性[[12,13,42]]。与我们的研究一致，一项涉及四种不同根系分泌物的趋化性实验表明
结论
单因素磷缺乏（
P）的影响在大多数评估指标上与最佳条件相当，包括SynCom的OD值和玉米生长情况。值得注意的是，接种SynCom的植物在
P条件下表现优于未接种的植物，这可能归因于所有SynComs的高磷溶解能力。然而，干旱胁迫显著干扰了玉米的生长，影响了地上和地下部分的发育。
CRediT作者贡献声明
Sulastri Sulastri：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、研究、数据管理、概念化。
Rika Sri Rahmawati：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究、正式分析、数据管理。
Yuda Purwana Roswanjaya：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究、数据管理。
Ekky Ilham Romadhona：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据管理。
Delvi Maretta：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢RIIM Invitasi Strategis生物结构批次I平台在项目ID 3.1.12下的研究资助，以及印度尼西亚国家研究与创新机构（BRIN）的人才管理部门为Rika Sri Rahmawati提供的博士后资助。
