《Journal of Plant Growth Regulation》：Enhancing Salt Tolerance in Tomato by Complementing Mineral N Fertilization with Azospirillum Brasilense Inoculation: Contrasting Roles of the N-fixing Sp7 and its Nif- Mutant
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本研究旨在探索以固氮菌Azospirillum brasilense（AZ）接种作为补充氮肥策略，提升番茄在盐胁迫下表现的可行性。研究人员通过比较固氮型野生菌株Sp7及其固氮酶缺失突变体Nif?的作用，揭示在盐胁迫下，细菌接种本身（主要通过生长素介导效应）与生物固氮（BNF）各自在促进植物生长、调控离子与抗氧化平衡、改善氮代谢中的贡献。结果表明，在低至中度盐胁迫下，Sp7菌株能通过生长素与固氮双重机制，更有效地增强番茄的耐盐性；但在极端胁迫下，其优势消失，暗示存在PGPR（植物促生菌）效应的盐浓度阈值。这项工作为在盐渍化环境中开发更可持续的氮素管理策略提供了新见解。
在世界范围内，由于气候变化和不合理的灌溉，土壤盐渍化问题日益严重，已成为威胁全球粮食安全的重要非生物胁迫之一。盐分不仅直接影响作物的水分吸收，更会扰乱其营养平衡，特别是对氮素（N）的吸收与利用造成严重阻碍。面对这一挑战，传统的应对策略如大量施用氮肥虽能部分缓解胁迫，却可能带来土壤酸化、水体污染等环境问题。因此，寻找可持续的、能够替代或补充化学氮肥的绿色方案，成为农业科学领域的研究热点。其中，利用能够进行生物固氮（BNF）并分泌植物生长调节物质的根际促生细菌（PGPR），被认为是一种极具潜力的方向。Azospirillum brasilense便是这类细菌中的“明星菌株”，它既能固定空气中的氮气供给植物，又能产生如生长素（IAA）等激素促进根系发育。然而，一个关键的科学问题随之而来：在盐胁迫环境下，A. brasilense对植物的助益作用，究竟是主要归功于其固氮能力，还是其产生植物激素等其他机制？为了精准地回答这个问题，研究者们设计了一项巧妙的研究。
这项研究发表在《Journal of Plant Growth Regulation》上。为了区分固氮作用与其他促生机制的贡献，研究团队采用了经典的遗传学对照策略。他们选取了A. brasilense的野生型固氮菌株Sp7，以及其固氮酶基因功能缺失的突变体菌株Nif?。通过将这两种菌株（以及一个不接种的空白对照）接种给水培条件下的番茄幼苗（品种为‘Marmande’），并将这些幼苗置于一系列浓度梯度的氯化钠（NaCl）溶液（0、30、60、90、120 mM）中进行胁迫处理，研究人员得以在一个精心控制的实验体系中，系统比较不同处理组合下番茄的生理、生化和分子响应。
在技术方法层面，本研究主要综合运用了多组学与生理生化分析手段。研究评估了植株的生物量（根和地上部干重）和根系形态学参数（通过WinRHIZO?系统扫描分析）。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和元素分析仪测定了植株组织中的大量与微量元素以及总氮含量。利用分光光度法测定了叶片中的脯氨酸含量以及关键抗氧化酶（包括抗坏血酸过氧化物酶APX、愈创木酚过氧化物酶GPX和超氧化物歧化酶SOD）的活性。在分子水平，通过实时定量PCR（qRT-PCR）技术检测了氮代谢关键基因（硝酸还原酶NR、亚硝酸还原酶NiR、质体谷氨酰胺合成酶GS2、铁氧还蛋白依赖性谷氨酸合成酶Fd-GOGAT）的表达变化。数据分析采用了双因素方差分析（ANOVA）及聚类热图等方法。
植物生物量与生长
研究结果表明，盐度和接种处理及其交互作用对所有生长参数均有极显著影响。在低至中度盐胁迫（30-90 mM NaCl）下，接种Sp7菌株的番茄植株在根和地上部干重、根系表面积、长度和体积等指标上均表现最佳，显著优于接种Nif?突变体和不接种的对照。这提示在盐胁迫下，接种本身即能通过可能的生长素（IAA）介导效应促进植物生长，而Sp7菌株因其额外的固氮能力而具有更显著的优势。然而，在最高盐度（120 mM NaCl）下，Sp7处理的植株生长表现反而下降，甚至低于Nif?处理和对照，表明在极端胁迫下，固氮作用带来的益处可能因细菌自身代谢压力或能量限制而消失。
离子稳态与抗氧化防御系统
盐胁迫导致叶片Na+/K+比升高，而接种处理，尤其是Sp7，在中度盐胁迫下能有效降低该比值，改善离子稳态。脯氨酸作为重要的渗透调节物质，其含量随盐度增加而上升，且Sp7接种进一步促进了其积累。在抗氧化方面，两种细菌接种均能增强APX、GPX和SOD的活性，帮助清除活性氧（ROS）。但在120 mM NaCl的严重胁迫下，Sp7处理的植株其抗氧化酶活性出现显著下降，而Nif?处理则保持了相对稳定的响应。这说明在极端环境下，缺乏固氮功能的突变体可能因代谢负担较轻而更能维持基本的抗氧化防御。
盐胁迫下的微量和大量营养元素吸收
通过聚类热图分析发现，高盐处理（90和120 mM NaCl）的植株在营养元素积累模式上自成一簇，其特征是Na、Fe、Mn和P的积累增加，而K和Ca的含量降低，反映了典型的盐胁迫离子干扰。值得注意的是，在90 mM NaCl下，Sp7处理的植株其营养模式更接近中度盐胁迫（60 mM）组，表明Sp7接种可能延缓了植物向严重胁迫生理的转变。但在120 mM NaCl下，各处理间的差异缩小，暗示PGPR的调节作用在极端盐胁迫下受到限制。
番茄中的氮积累
总氮积累在轻度盐胁迫（30 mM NaCl）下有所增加，随后随盐度升高而逐渐下降。在整个盐度梯度中，接种处理，特别是Sp7，均能提高植株的氮积累量。在无盐和30 mM NaCl条件下，Sp7处理的植株总氮积累量分别比对照高出约101%和60%。然而，在90和120 mM NaCl的高盐胁迫下，接种带来的氮积累优势大幅减弱，不同处理间无显著差异。这表明，细菌接种对氮营养的促进效果存在盐度阈值。
氮代谢基因的表达
分子分析显示，在中低盐度（0-60 mM NaCl）下，Sp7接种显著上调了氮代谢关键基因（NR、NiR、GS2、Fd-GOGAT）的表达，表明其促进了植物的氮同化能力。相比之下，Nif?突变体的诱导作用较弱。但在高盐度（90-120 mM NaCl）下，Sp7对这些基因的上调作用减弱甚至消失，而Nif?处理的植株在某些基因（如Fd-GOGAT）上反而表现出更高的表达稳定性。这进一步印证了在严重胁迫下，固氮型菌株的代谢优势可能转变为负担。
研究结论与讨论部分清晰地阐明了本工作的核心发现与意义。该研究证实，接种A. brasilense能够通过植物激素（主要是生长素）介导的效应和改善氮代谢的双重机制，增强番茄对盐胁迫的耐受性。野生型菌株Sp7在中低度盐胁迫下表现出比其固氮酶缺失突变体Nif?更优的促生和抗逆效果，这归因于其固氮能力与激素效应的协同作用。然而，在极端盐胁迫（120 mM NaCl）下，Sp7的优势丧失，其生长表现和氮积累甚至不及Nif?处理。这揭示了一个重要的盐度阈值，超越此阈值，生物固氮可能不再提供附加价值，甚至可能因固氮过程的高能量消耗而在胁迫环境下成为代谢负担。这一发现强调了植物促生菌（PGPR）功效的情境依赖性。研究指出，将A. brasilense接种与矿物氮肥相结合，是一种在盐渍化环境中提升作物性能、同时减少对化肥依赖的可持续策略。但该策略的有效性高度依赖于环境盐胁迫的严重程度。未来需要在田间条件下进行验证，以评估不同品种和农业生态体系中该技术的稳定性和实用性。总之，这项工作深化了我们对PGPR-植物互作机制的理解，并为在面临盐碱地挑战的现代农业中，设计更智能、更高效的微生物接种方案提供了重要的理论依据和实践指引。
