干旱地区牧豆树内生细菌群落解析：Pantoea spp. 如何促进植物耐逆性与入侵优势

《Heliyon》：Integrative analysis of microbiome composition and plant beneficial characteristics of endophytic bacteria associated with Prosopis species in arid environment

本研究针对干旱环境下植物-微生物互作机制不清的问题，通过对阿联酋沙迦地区两种牧豆树（入侵种P. juliflora与本地种P. cineraria）开展多组织内生菌分离和16S rRNA测序分析，发现Pantoea属细菌通过产生生长激素、溶解磷盐和耐受高盐等特性显著增强宿主抗旱能力，其中P. juliflora根瘤微生物多样性尤为丰富，这为解释其入侵优势提供了新视角。该成果为利用微生物增强作物抗逆性提供了理论依据。

　　

在干旱和盐碱化日益严重的生态环境中，植物如何顽强生存并繁衍生息，一直是科学家关注的焦点。尤其令人困惑的是，某些外来植物物种为何能在恶劣环境中表现出超乎寻常的适应性，甚至成为入侵物种，排挤本地生物。在阿拉伯联合酋长国的广袤干旱地区，这一现象尤为明显：原产于中南美的牧豆树（Prosopis juliflora）被引入后，不仅成功定居，还展现出强劲的入侵性，对当地原生牧豆树（P. cineraria）构成威胁。这背后，是否隐藏着不为人知的微生物“盟友”？

传统观点多从植物自身的生理适应性角度解释这种入侵现象，但最新研究表明，植物体内的内生微生物可能扮演着关键角色。这些微生物与植物形成共生关系，却不引起病害，反而可能帮助植物应对各种环境压力。然而，关于干旱地区植物内生微生物群落的结构特征、功能及其与植物入侵性的关联，仍存在大量未知。

为此，研究人员开展了一项创新性研究，聚焦于两种牧豆树的内生细菌群落。他们猜想：P. juliflora的入侵优势可能部分源于其与特定内生细菌建立的互利共生关系，这些微生物通过多种机制增强宿主植物的环境适应性。为验证这一假说，研究团队采用培养组学与高通量测序相结合的策略，系统分析了两物种不同组织（种子、茎和根瘤）中的内生细菌。

本研究发现，Pantoea属细菌在两种牧豆树中广泛存在，且表现出多种植物促生特性，包括耐盐性、产生植物激素（如生长素）、合成多胺以及溶解磷等。尤其值得注意的是，P. juliflora的根瘤中微生物多样性显著高于其他组织，包含了Pantoea、Klebsiella、Bacillus等多种具有植物促生潜力的细菌属。这些发现为理解植物-微生物互作在干旱环境适应性中的作用提供了新见解，也为开发基于微生物的农业增产策略提供了理论依据。该研究成果发表在《Heliyon》期刊上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先通过表面消毒和组织培养从不同植物组织中分离内生菌；利用VITEK? 2微生物鉴定系统对菌株进行初步鉴定；采用16S rRNA基因V4区高通量测序分析微生物群落组成；通过体外实验评估菌株的耐盐性、植物激素产生、多胺合成和磷溶解能力。样本来源于阿联酋沙迦地区同一干旱地点的两种牧豆树。

3.1 内生菌的分离与鉴定

研究共分离到22株内生微生物，包括20株细菌、1株酵母和1株真菌。细菌菌株通过革兰氏染色和VITEK? 2系统鉴定，其中Pantoea spp.为最常分离到的菌属，从两种牧豆树的种子、茎和根瘤中均有发现。其他鉴定出的菌株包括Staphylococcus epidermidis、Staphylococcus capitis、Pasteurella canis、Achromobacter denitrificans、Bacillus thuringiensis、Acinetobacter lwoffii和Klebsiella oxytoca等。

3.2 植物有益特性评估

3.2.1 盐耐受性

盐耐受实验显示，多数分离菌株能在高盐条件下生长，特别是Pantoea spp.和Staphylococcus spp.的菌株能耐受高达10%的NaCl浓度，这表明它们可能帮助植物在盐胁迫环境中生存。

3.2.2 多胺生产

多胺生产评估显示，不同菌株的多胺生产能力差异显著，溶解圈直径范围为1.2-4.1厘米。来自P. cineraria茎的Pantoea spp.(PCST3)和来自P. juliflora种子的Pantoea spp.(PJS1)分别产生4.1厘米和3.5厘米的溶解圈，表明它们具有较高的多胺生产潜力。

3.2.3 生长素生产

生长素（IAA）生产测试表明，多个菌株具有生产这种重要植物激素的能力。特别是从P. cineraria种子分离的Pantoea spp.(PCS1)和从P. juliflora根瘤分离的Pantoea agglomerans (PJN1)表现出较强的生长素生产能力。

3.2.4 磷溶解

磷溶解能力测试发现，22个测试菌株中有10个表现出磷酸盐溶解能力。这些能力在菌株间差异明显，表明不同内生菌可能以不同方式贡献于植物的磷营养获取。

3.3 微生物群落多样性分析

通过对11个含有Pantoea spp.的样本进行群落分析发现，P. juliflora根瘤样本的测序质量更高，有效标签百分比达到81.38%-82.23%，高于P. cineraria样本的72.34%-75%。所有样本的GC含量相对一致，范围为55.36%-55.99%。

3.4 微生物群落组成

微生物群落组成分析显示，变形菌门（Proteobacteria）在所有样本中占主导地位，相对丰度为91.14%-99.49%。在纲水平上，γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）最为丰富，占91.06%-99.41%。在科水平上，Erwiniaceae在大多数样本中占主导，而在P. juliflora根瘤中，Enterobacteriaceae最为丰富。属水平分析证实Pantoea是大多数样本中的优势属。

3.5 微生物群落聚类分析

聚类热图显示，P. cineraria和P. juliflora样本的微生物群落存在明显差异。P. cineraria样本的物种分布更均匀，而P. juliflora根瘤样本则有更多高丰度类群，表明其微生物群落更为丰富多样。主坐标分析（PCoA）和非度量多维尺度分析（NMDS）均表明，P. juliflora根瘤样本与其他样本明显分离，具有独特的微生物群落结构。

研究结论表明，内生细菌，特别是Pantoea spp., 通过盐耐受、植物激素生产、多胺合成和磷溶解等多种机制，在增强牧豆树干旱环境适应性中起关键作用。P. juliflora根瘤中独特的微生物群落结构，包括Klebsiella spp.、Bacillus spp.和Enterobacter spp.等，可能为其提供了优于本地种P. cineraria的竞争能力。这些发现不仅深化了对植物-微生物互作的理解，也为利用内生细菌提高农作物在胁迫环境下生产力提供了新思路。

讨论部分强调，植物与微生物的共生关系是影响植物环境适应性的重要因素。在干旱地区，特定的内生细菌群落可能通过多种机制增强植物的胁迫耐受性。本研究中P. juliflora根瘤表现出的高微生物多样性，特别是具有植物促生特性的细菌类群的富集，可能是其成功入侵的重要机制之一。这一发现对理解生物入侵机制和开发可持续农业实践均有重要意义。