《Biologia》：Harnessing the plant-associated microbiome: Rhizosphere and endophyte plant growth-promoting bacteria (PGPB) to mitigate salt stress in the Egyptian wheat
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本研究针对埃及等地因土壤盐渍化严重制约小麦生产的难题，系统探究了从盐渍灌溉小麦中分离的根际和内生植物促生菌（PGPB）——施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）和成团泛菌（Pantoea agglomerans）——在缓解两个埃及小麦品种盐胁迫中的作用。研究通过温室梯度盐分（0–15 dS/m）试验发现，特别是成团泛菌能显著提升耐盐品种Sakha 93的生物量、根长、种子产量和脯氨酸含量。该成果为利用耐盐微生物菌剂结合耐盐基因型，开发增强盐渍环境下小麦韧性和生产力的可持续策略提供了有力支持。
在全球气候变化与不可持续的农业灌溉实践等多重压力下，土壤盐渍化已成为世界范围内，尤其是在干旱和半干旱地区，限制农业生产的最关键非生物胁迫因素之一。有估计表明，全球超过20%的灌溉土地和6%的土地总面积受到盐渍化的影响，而且这一数字预计将持续上升。对于埃及而言，其尼罗河三角洲及新开垦的大片土地正因海水入侵、浅层咸水以及长期使用劣质水灌溉而面临严峻的盐渍化威胁，约30-40%的尼罗河三角洲地区受到影响，部分调查甚至显示高达46%的面积已变为盐碱土。这不仅直接导致小麦等主要作物的产量损失超过20%，更对当地乃至全球的粮食安全与农业的长期可持续性构成了巨大挑战。
面对这一挑战，传统的育种改良虽有效，但进程缓慢且复杂。近年来，研究者们将目光投向了与植物共生的微生物宝库——植物相关微生物组。这些栖息于植物根际（土壤受根系分泌物影响的微区）和植物组织内部（内生菌）的微生物，构成了一个与植物协同进化、动态互作的“全息体”（holobiont）。其中，植物生长促进细菌（PGPB）因其能够通过固氮、溶磷、分泌植物激素（如吲哚-3-乙酸，IAA）、产铁载体以及合成ACC脱氨酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase）等多种机制，促进植物生长并增强其应对干旱、盐碱等逆境胁迫的能力，而备受关注。它们为发展环境友好、易于与常规农业结合的可持续策略提供了充满希望的替代方案。
然而，尽管PGPB潜力巨大，但针对埃及盐渍环境中特定小麦品种的根际与内生微生物资源的系统挖掘、功能鉴定及其在实际盐胁迫梯度下的田间/温室促生效应验证，仍需深入探索。本研究正是基于此背景，旨在从经受盐胁迫的埃及小麦中分离和鉴定具有促生功能的根际与内生细菌，并评估其在缓解小麦盐胁迫、提升生长和产量方面的具体效果，以期为开发适合当地盐碱地的微生物菌剂、结合耐盐基因型构建综合应对策略奠定坚实的理论基础。
本研究发表在国际学术期刊《Biologia》上。
为了解答上述问题，研究团队采用了一系列关键方法。首先，他们从埃及吉萨农业遗传工程研究所盐渍灌溉小麦田中，采集了耐盐品种Sakha 93的根际土壤及种子，分别分离了根际和内生细菌。通过16S rRNA基因测序对分离菌株进行分子鉴定。其次，对候选菌株进行了全面的功能特性评估，包括测定其耐盐性（NaCl浓度梯度0-1500 mM）、产IAA、ACC脱氨酶活性、产铁载体、溶磷、固氮及对病原菌（如Rhizoctonia solani）的拮抗活性。最后，在受控温室环境中，研究人员设计了包含两个小麦品种（耐盐型Sakha 93与盐敏感型Sids1）、四个盐分梯度（0、6、10、15 dS/m）以及三种微生物处理（不接种、接种内生菌E4、接种根际菌R-H8）共12个处理的盆栽试验，系统测定了接种后小麦的形态学性状（株重、根长、种子数等）、生理指标（脯氨酸含量、总叶绿素含量）的变化，以评估不同菌株的促生和耐盐增效作用。
研究结果
一、功能菌株的分离与鉴定
研究从盐胁迫小麦中总共分离到50个菌株，经筛选得到23个菌株进行功能评估。最终，研究者聚焦于两个核心菌株：一个是从根际分离的细菌，鉴定为施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri， 菌株R-H8）；另一个是从种子内部分离的内生细菌，鉴定为成团泛菌（Pantoea agglomerans， 菌株E4）。
二、菌株功能特性评估
耐盐性测试显示，在NaCl浓度梯度下，内生菌E4在高达1.5 M的盐浓度下仍保持了比根际菌R-H8更高的相对生长率，表现出更强的耐盐性。功能谱分析表明，根际菌R-H8展现出更广泛的PGP特性，其产铁载体和拮抗病原菌的能力为强，而内生菌E4则不产铁载体，其拮抗活性仅为中等，两者的固氮能力均较低。
定量分析揭示了关键促生机制的差异：内生菌E4展现出极高的ACC脱氨酶活性（2098 nmol α-酮丁酸 mg-1蛋白 h-1），远高于根际菌R-H8的活性（833 nmol α-酮丁酸 mg-1蛋白 h-1）。ACC脱氨酶能够降解植物体内乙烯合成的前体ACC，从而降低盐胁迫诱导的乙烯积累，缓解乙烯对植物生长的抑制作用。相反，在吲哚-3-乙酸（IAA）产量上，根际菌R-H8表现突出（87.25 μg/mL），而内生菌E4的产量则低得多（9.148 μg/mL）。IAA是一种重要的植物生长素，能促进根系发育。这些结果表明，两个菌株可能通过不同的主导机制来促进植物生长和抗逆。
三、接种PGPB对小麦形态性状的影响
温室盐胁迫实验结果表明，两种菌株的接种均能显著改善盐胁迫下小麦的生长和产量，但内生菌E4的效果总体上优于根际菌R-H8，尤其在盐敏感品种Sids1和更高盐浓度下优势更为明显。
在无盐胁迫条件下，接种E4使耐盐品种Sakha 93的株重和根长分别提升了60%和41%，使盐敏感品种Sids1的株重和根长分别提升了43%和50%。随着盐浓度升高（6、10、15 dS/m），未接种的对照组植株各项指标均显著下降。但接种处理，尤其是E4处理，能够有效缓解这种下降。例如，在15 dS/m的高盐胁迫下，接种E4的Sakha 93植株，其生物量、根长和单株种子数分别是未接种对照组的2.75倍、3倍和显著增加。对于盐敏感品种Sids1，接种E4同样能在高盐（15 dS/m）下使其生物量和种子数分别提升91%和2.4倍。
四、接种PGPB对小麦生理响应的影响
脯氨酸是一种重要的渗透调节物质，其积累是植物应对盐胁迫的关键生理反应。研究发现，盐胁迫显著诱导了脯氨酸的积累，且这种积累在接种PGPB后进一步增强，尤其是在内生菌E4处理下。耐盐品种Sakha 93的脯氨酸基础水平和诱导能力均高于盐敏感品种Sids1。在15 dS/m盐度下，接种E4的Sakha 93叶片脯氨酸含量达到约200 μg/g鲜重，远高于未接种处理（约40 μg/g鲜重），表明接种增强了植物的渗透调节能力。
叶绿素含量是反映植物光合作用和健康状况的重要指标。盐胁迫导致小麦叶片叶绿素含量下降，而PGPB接种能有效缓解这种下降。在所有盐分水平下，接种E4和R-H8的处理其叶绿素含量均显著高于未接种的对照。例如，在最高盐度（15 dS/m）下，未接种对照的叶绿素含量仅为26.46 μg/cm2，而接种E4和R-H8的处理则分别提升至50.53 μg/cm2和48.02 μg/cm2，表明接种有助于维持光合作用效率，减轻盐胁迫造成的光氧化损伤。
研究结论与讨论
本研究成功从埃及盐渍化农田的小麦中分离并鉴定出两株具有显著植物促生潜力的细菌：根际菌施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri R-H8）和内生菌成团泛菌（Pantoea agglomerans E4）。功能表征表明，它们具备耐盐性、产IAA、ACC脱氨酶活性等多种PGP特性，但各自的优势机制不同。R-H8菌株在产生植物生长素IAA和拮抗病原菌方面表现突出，而E4菌株则表现出更高的ACC脱氨酶活性和更强的耐盐性。
温室盐梯度实验证实，接种这两株细菌，特别是内生菌成团泛菌E4，能够有效缓解盐胁迫对两个埃及小麦品种（耐盐型Sakha 93和盐敏感型Sids1）生长的负面影响。接种显著提高了植株的生物量、根长、种子产量、脯氨酸积累和叶绿素含量。值得注意的是，盐敏感品种Sids1从接种中获得的相对提升幅度有时甚至大于耐盐品种Sakha 93，这表明PGPB的应用对于提升敏感基因型的耐盐性、拓宽其适应范围具有重要价值。
研究结果突显了内生菌在缓解盐胁迫方面的潜在优势。内生菌因其定殖于植物组织内部，可能提供了一个更稳定、受保护的环境，从而能更直接、有效地调节宿主植物的生理代谢（如通过高ACC脱氨酶活性降低乙烯水平）。相比之下，尽管根际菌R-H8能产生大量IAA，但在高盐条件下其对植物的促生和抗逆效果弱于E4，这表明在高盐胁迫环境中，通过ACC脱氨酶途径调控乙烯信号可能比单纯高水平的IAA刺激更为关键。
综上所述，本研究为利用本地分离的、适应盐渍环境的PGPB，特别是内生菌成团泛菌，作为生物接种剂来增强小麦耐盐性提供了实验证据。该策略将耐盐微生物菌剂与耐盐作物基因型相结合，为埃及乃至全球其他面临土壤盐渍化挑战的地区，提供了一条环境可持续的、有望提高作物生产力和农业韧性的创新途径。未来的研究可进一步探索这两种菌株（或它们的组合）在田间真实盐渍条件下的应用效果，并深入解析其促进植物耐盐的分子机制，以优化生物接种剂的开发与应用方案。
