结合宏基因组学和代谢组学分析，揭示了三种芽孢杆菌对黄瓜（Cucumis sativus L.）根际微环境及植物生长的影响

《Plant and Soil》：Combined metagenomic and metabolomic analyses reveal the effects of three Bacillus spp. on the rhizosphere microenvironment and plant growth of Cucumis sativus L.

植物促生菌（PGPR）对黄瓜生长的促进机制及微生物群落重构研究，通过单株与组合接种试验，评估Bacillus pumilus JZ38和Bacillus albus JZ264的溶磷溶钾及IAA分泌特性，结合宏基因组学、代谢组学及LefSe分析，揭示菌群结构重塑、激素信号激活及代谢途径优化协同促进植物生长的机制。

　　

摘要

目的

促进植物生长的根际细菌（PGPR）对提高农业生产力至关重要。本研究旨在通过苗期和田间试验评估三种预先选定的PGPR菌株的促生长效果，并阐明它们在调节根际微环境以促进植物生长方面的作用机制。

方法

从根际土壤中分离出三种Bacillus菌株（JZ31、JZ38、JZ264），以黄瓜（Cucumis sativus L.）作为模式植物，对其进行单独或联合接种实验。研究了这些菌株的核心PGPR特性，包括磷酸盐溶解、钾盐溶解以及吲哚-3-乙酸的分泌能力。同时测量了植物的养分吸收情况、生长参数以及根际微生物的α-和β-多样性。通过整合宏基因组学和代谢组学分析进行了功能分析，并利用LefSe和MetagenomeSeq技术鉴定微生物生物标志物。相关性分析将代谢物与植物-微生物相互作用联系起来。

结果

所有三种菌株均表现出典型的PGPR特性，并直接促进了黄瓜的养分吸收和生长。单独接种每种菌株均导致了根际微生物群落的显著重组。这些菌株选择性地富集了与养分分解、植物生长促进和生物防治相关的有益微生物，同时抑制了潜在的病原体和其他有害微生物。功能注释显示，接种这些菌株特异性激活了与群体感应、基因表达、激素信号传导和养分代谢相关的通路，从而促进了根际养分循环和微环境的优化。相关性分析确定了介导这些菌株调控植物-微生物相互作用的关键代谢物。

结论

本研究表明，这三种Bacillus菌株通过多种机制促进植物生长，包括重塑根际微生物群落结构、激活有益代谢通路以及通过特定代谢物调节植物-微生物相互作用。B. pumilus JZ38和Bacillus albus JZ264作为单一根际接种剂时，在促进黄瓜生长和产量方面表现出最高的效力。这些发现深化了人们对PGPR介导的根际调控机制的理解，为开发靶向微生物肥料提供了理论基础。