芽孢杆菌与硅协同调控抗氧化酶及渗透调节物质代谢缓解甘草盐旱胁迫氧化损伤的机制研究

《Plant Stress》：Bacillus cooperated with silicon mediating antioxidant enzymes, non-enzymatic antioxidants and osmotic adjustment substances metabolism to mitigate oxidative damage of Glycyrrhiza uralensis Fisch. exposed to salt and drought stress

本研究针对盐旱复合胁迫导致植物氧化损伤这一关键问题，通过生理生化及转录组学分析，揭示了植物根际促生菌(PGPB) Bacillus G2+G5 (Bs)与硅(Si)联用通过协同增强抗氧化系统（如CAT、GPX、AsA-GSH循环）和优化渗透调节物质（脯氨酸、GABA、甜菜碱、多胺）代谢，直接清除H2O2和O2?·并降低MDA积累，同时上调类黄酮（PAL、CHS）和类胡萝卜素（Z-ISO）合成通路关键基因表达，间接维持细胞膜稳定性，为协同提升植物抗逆性提供新策略。该成果发表于《Plant Stress》，对旱区药用植物栽培具有重要理论价值。

　　

在西北干旱半干旱地区，盐分与干旱常常相伴而生，成为制约农作物产量的主要环境压力。这种盐旱复合胁迫会引发植物体内活性氧(ROS)的过量积累，导致氧化损伤，破坏细胞膜结构，最终严重影响作物品质和产量。作为重要药用植物的甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)，其幼苗期对盐旱胁迫尤为敏感，探究其抗逆机制及有效调控措施显得至关重要。

以往研究表明，硅(Si)和植物根际促生菌(PGPB)能够单独缓解植物逆境胁迫，但两者联用是产生简单叠加效应还是存在协同增效作用，特别是在氧化应激缓解、抗氧化系统增强和渗透调节等核心机制方面，尚不明确。发表在《Plant Stress》的这项研究，首次从生理生化和转录组学层面系统阐明了Bacillus G2+G5 (Bs)与硅(Si)协同调控甘草幼苗响应盐旱胁迫的分子机制。

为开展这项研究，研究人员设置了对照(CK)、盐旱胁迫(SD)、盐旱胁迫加Bs(SDBs)、盐旱胁迫加Si(SDSi)以及盐旱胁迫加Bs和Si(SDBsSi)五组处理，使用来自宁夏的甘草种子，在65 mM NaCl和35%-45%饱和水分含量的盐旱胁迫条件下培养10天后取样。通过生理指标测定试剂盒分析氧化应激标志物、抗氧化酶活性、代谢物质含量，并利用转录组测序(RNA-Seq)技术检测基因表达谱，数据已保存于SRA数据库(编号: PRJNA1030529)。

3.1. Bs和/或Si降低盐旱胁迫下甘草幼苗的氧化应激标志物，改变抗氧化酶活性

盐旱胁迫显著提高了甘草幼苗的O₂^?·产生速率以及H₂O₂和MDA含量，同时增加了SOD和POD活性但降低了CAT活性。Bs、Si及其组合处理均能显著降低氧化应激标志物水平，其中BsSi处理对O₂^?·的清除效果最为显著。转录组分析发现4113个差异表达基因(DEGs)，KEGG富集分析表明这些基因主要富集在抗氧化系统和渗透调节相关通路。

3.2. Bs和/或Si通过调节抗氧化系统缓解盐旱胁迫下甘草幼苗的氧化应激

在AsA-GSH循环和糖代谢方面，BsSi处理通过上调ALDO、gmpI、ENO、PK等基因表达显著增加可溶性糖含量，同时优化AsA-GSH循环，提升GPX和MDHAR活性，促进ROS清除。在脂肪酸代谢中，BsSi上调LACS和ALDH基因表达，增强细胞膜屏障功能和醛类物质解毒能力。类黄酮合成方面，BsSi上调PAL、CHS、CHI基因表达和活性，增加总黄酮含量。类胡萝卜素代谢中，BsSi上调Z-ISO、ZEP、ABA2基因表达，促进类胡萝卜素积累。

3.3. Bs和/或Si通过调节渗透系统缓解盐旱胁迫下甘草幼苗的氧化应激

在脯氨酸和GABA代谢中，BsSi处理提高Glu、Pro、GABA含量，增强GAD、P5CS、P5CR活性，促进渗透调节物质积累。甜菜碱代谢方面，Bs和/或Si提高BADH活性和甜菜碱含量。多胺代谢方面，BsSi增加Orn、Spd、Spm含量，增强ADC和SMS活性，动态调节多胺代谢平衡。

3.4. 氧化应激标志物与渗透系统相关参数的相关性分析

Mantel检验显示，H₂O₂含量与Glu、Spd水平及P5CR、δ-OAT、BADH、ADC活性显著相关；O₂^?·产生速率与Glu、Pro、甜菜碱水平及GDH、P5CS、ProDH、δ-OAT、CMO、ADC、ODC、SMS活性显著相关；MDA含量与Glu、Pro、甜菜碱水平及GDH、P5CR、P5CS、ProDH、δ-OAT、CMO、ADC、SMS活性显著相关。

3.5. Bs与Si处理的交互作用分析

双向方差分析表明，Bs和Si在调节SOD、AsA、GSH、总黄酮、CHS、GABA、P5CR、P5CS、BADH、Spd、ADC和SMS等方面存在显著交互作用，证实两者具有协同效应。

本研究系统解析了Bs和Si协同缓解甘草盐旱胁迫氧化损伤的双重机制：一方面直接增强抗氧化防御，通过提升CAT活性清除H₂O₂，优化AsA-GSH循环和糖代谢促进ROS清除，上调类黄酮和类胡萝卜素合成关键基因表达；另一方面间接调节渗透平衡，通过协同调控脯氨酸、GABA、多胺和甜菜碱代谢，维持细胞膜稳定性和渗透平衡。研究不仅为植物盐旱复合胁迫耐受机制提供新视角，也为硅-微生物肥料联合应用提供了理论依据和实践策略。

研究结论强调，Bs和Si的协同作用不仅体现在单一通路的增强，更表现为多个代谢网络的交叉互作，这种多层次、多靶点的调控模式为开发新型植物抗逆剂提供了重要思路。未来研究可进一步探索Bs和Si协同调控的具体信号转导通路，以及在田间条件下的实际应用效果。