释放沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）作为生物肥料的潜力：影响其增强自由氮固定能力的土壤因素和微生物共生关系

土壤特异性解耦固氮机制及微生物网络协同效应研究：在酸性 lateritic 和近中性 phaeozem 中，R. palustris 低剂量接种使氮输入增幅达147.01 mg/kg·d（11.96倍），高剂量在 lateritic 土壤中贡献7.94 mg/kg·d，其作用受土壤pH、肥力和C源供给显著调控，形成直接固氮与间接微生物互作网络的双路径机制。

　　

边汉晓|卢海峰|陈鹏宇|王朝阳|张光明

中国农业大学水资源与土木工程学院，北京 100083，中国

摘要

过度依赖合成氮肥会带来环境风险，并削弱农业的可持续性。固氮菌的自养固氮（FNF）是一种有前景的替代方案。Rhodopseudomonas palustris（R. palustris）是一种代谢多样化的光合固氮菌，在非共生条件下具有很强的固氮潜力；然而，它对土壤氮输入的贡献及其生态机制仍不清楚。本研究通过¹⁵N₂同位素追踪、微生物群落分析及网络分析，评估了R. palustris在贫营养、酸性红土和肥沃、接近中性的棕壤中的固氮性能。在无菌土壤中，R. palustris占nifH转录本的99.8%以上，使得红土中的净固氮量增加了7.31毫克/千克，棕壤中的净固氮量增加了23.87毫克/千克。接种显著增强了原土中的固氮作用，其中棕壤中的低剂量接种使净固氮量增加了147.01毫克/千克，是对照组的11.96倍。这种增强作用得益于固氮Cyanobacteria和异养菌之间的协同网络，这些微生物占固氮变化的94.1%。在红土中，高剂量接种使净固氮量增加了7.94毫克/千克，这归因于固氮菌在压力下的存活和功能提升。路径分析表明，R. palustris对固氮的正面直接影响最大（β = 0.786，P < 0.001），主要由于其丰度和nifH转录本拷贝数。这些发现揭示了不同土壤类型的调控机制：在土壤条件恶劣（低pH值、低养分、碳供应有限）的情况下，固氮增强主要依赖于建立活跃的固氮菌种群；而在肥沃土壤中，低剂量接种可以促进协同微生物过程，从而增加净氮输入。这些发现为设计施肥或减少施肥情况下的田间试验提供了机制基础。

引言

自养固氮（FNF）由广泛分布于土壤和根际环境的固氮微生物介导，它们不依赖宿主植物（Cleveland等人，2022年；Davies-Barnard和Friedlingstein，2020年）。这一过程在维持生态系统氮平衡中起着不可替代的作用（Wang和Houlton，2009年）。研究表明，FNF至少贡献了全球生物固氮（BNF）的三分之一，是许多自然和管理生态系统中的关键氮源（Hu等人，2024a年）。此外，FNF被认为是应对化学肥料过度使用带来的环境和可持续性挑战的关键方法，对可持续农业具有重要意义（Maaz等人，2025年；Martínez-Dalmau等人，2021年；Soumare等人，2020年）。

在自养固氮菌中，紫色非硫细菌（PNSB）被广泛认为是关键的固氮菌类（Masepohl等人，2017年）。先前的研究表明，Rhodopseudomonas palustris（R. palustris）这一PNSB的代表物种可以提高农业生态系统中的氮含量（Hales等人，1986年；Xu等人，2018年）。此外，它通过产生植物激素和在细胞更新过程中释放有机养分来促进养分循环，同时增强土壤生态系统的功能（Hsu等人，2021年；Cao等人，2020年；Tsukanova等人，2017年；Lee等人，2022年）。这种代谢多样性使R. palustris在养分缺乏的环境中具有明显的适应性优势，使其成为极具潜力的生物接种剂。然而，将R. palustris的潜力从纯培养转化为复杂土壤中的稳定表现是一个根本性挑战。现有证据主要来自非土壤系统，关于R. palustris在真实土壤生态系统中的行为机制的研究几乎不存在。特别是，一些关键机制问题尚未得到解答：例如，土壤特性（如pH值和养分含量）如何影响R. palustris的定殖和功能表现？固氮增强主要是由于R. palustris的直接作用还是对本土固氮菌群的间接调节；以及这些机制在不同土壤类型中的相对重要性是否不同？这些不确定性限制了我们合理设计不同土壤类型接种策略的能力。值得注意的是，外源固氮菌在土壤中的建立和功能表现受到土壤物理化学性质和本土微生物群落结构的强烈影响（Delgado-Baquerizo等人，2016年；Mawarda等人，2020年；Zheng等人，2019年），这使得预测不同土壤类型中的接种结果变得复杂。

因此，为了阐明土壤依赖的调控机制，本研究在两种对比鲜明的土壤类型（中国南部的贫营养酸性红土和中国北部的肥沃中性棕壤）下，系统评估了R. palustris的固氮潜力及其潜在的影响因素或机制。我们假设R. palustris的接种可以增强土壤固氮作用。然而，其效果和主要机制因土壤性质和本土微生物群落环境的不同而有所差异。具体来说，我们提出R. palustris可能通过直接的固氮作用和间接调节微生物相互作用及养分环境来增强固氮作用，这些途径的相对重要性取决于土壤类型。为了验证这些假设，我们使用了¹⁵N₂稳定同位素追踪和微生物群落分析来（i）量化R. palustris对土壤氮输入的贡献，（ii）识别影响其表现的关键土壤和微生物因素，（iii）阐明影响功能表达的土壤特异性微生物相互作用。研究结果有望阐明R. palustris在不同物理化学性质土壤中的适应机制，量化其与本土微生物组的相互作用及其对固氮的贡献，并为开发微生物接种剂和精准氮管理提供科学依据。

部分摘录

PNSB菌株

R. palustris（菌株ID：BNCC337801）来自北京BeNa文化收藏中心，并在改良的Van Niel培养基中富集（1.0克/升KH₂PO₄，0.5克/升MgSO₄，10.0克/升酵母提取物；pH = 7.0–7.2，使用1摩尔/升NaOH和0.5摩尔/升HCl调节）。培养基在121°C下高压灭菌30分钟，然后无菌冷却。加入15毫升接种液（OD₆₆₀ = 0.650），并在恒温摇床中（120转/分钟）下连续光照（45微摩尔/平方米·秒）培养。

R. palustris在无菌棕壤和红土中的净固氮能力

鉴于对R. palustris在不同土壤条件下的了解有限，我们在无菌棕壤和红土中评估了其固氮潜力，并进行了不同接种水平的实验。结果显示，接种显著增强了两种土壤类型的固氮作用（P < 0.05），其中棕壤中的效果更明显。特别是PsP1在所有处理中表现出最高的固氮量。在无菌棕壤中，PsP1和PsP3的固氮量分别达到37.82 ± 4.30毫克/千克和28.44 ±

R. palustris促进自养固氮的生态潜力

本研究系统证明了R. palustris在不同土壤条件下的高固氮潜力。经过优化接种后，15天内原红土（1.8 × 10⁹ CFU·克^?1）和原棕壤（1.8 × 10⁷ CFU·克^?1）中的净固氮量分别增加了7.94毫克/千克和147.01毫克/千克，与非接种对照组相比。根据土壤容重（Dittmann等人，2025年），这相当于每年每公顷额外增加29.0公斤氮。

结论

本研究强调了R. palustris在不同土壤中增强固氮作用的高效率，强调了制定土壤特定接种策略的必要性。在贫营养红土中，R. palustris既充当固氮菌又具有生物刺激作用，改善了微环境并恢复了土壤健康。在肥沃棕壤中，它作为网络促进者，激活了休眠的固氮菌并促进了协同固氮作用。这些不同的角色突显了其

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报告的工作。

CRediT作者贡献声明

张光明：方法学。王朝阳：监督、资金获取。陈鹏宇：软件、调查、数据管理。卢海峰：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。边汉晓：写作——初稿、监督、调查

未引用参考文献

Dixon和Kahn，2004年；Hartley和Schlesinger，2002年；Morrison和Bose，2025年；O'Brien等人，2019年；Roger和Ladha，1992年；Singh和Ryan，2015年；Yao等人，2023年。

数据可用性

本研究生成的所有测序数据已存放在NCBI序列读取档案（SRA）中，BioProject编号为PRJNA1321698。具体而言，纯Rhodopseudomonas palustris培养物的16S rRNA序列的编号为SRR35298119。土壤微生物群落16S rRNA测序数据的编号为SRR35333770–SRR35333793。nifH-RNA测序数据的编号为SRR35428836–SRR35428857。

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报告的工作。

致谢

本工作得到了海南省重点研发计划（ZDYF2024XDNY273）、海南省外国专家计划（编号G20230607005E）和中国农业大学2115人才发展计划的支持。