叶面与土壤联合接种促生菌的协同效应：有机酸分泌与氮循环调控增强甘蔗生理与根际生态

《Biology and Fertility of Soils》：Synergistic effects from combining foliar and soil inoculation of plant growth promoting microbes: enhanced sugarcane physiology and rhizosphere modulation via organic acid exudation and nitrogen - cycling

为应对集约化农业对可持续管理的迫切需求，研究人员研究了联合接种植物促生菌（PGPB）对甘蔗生长和氮素利用的影响。研究发现，叶面喷施Azospirillum brasilense (Ab) 与土壤施用Nitrospirillum amazonense (Na) 的协同处理，能通过调节根际有机酸分泌（如乙酸、乳酸）和关键氮循环功能基因（如降低amoA, nirK, nosZ丰度）的活性，显著提高甘蔗光合速率、羧化效率、水分利用效率、生物量和15N肥料回收率，并降低氮素损失。该研究为利用兼容的微生物菌剂实现甘蔗可持续增产提供了一种有前景的策略。

　　

随着全球人口增长和对可再生能源需求的增加，甘蔗（Saccharum officinarum L.）作为生物能源和工业原料的战略作物，其重要性日益凸显。然而，甘蔗的高养分需求和长生长周期，使得其集约化栽培对合成肥料的依赖成为一大挑战，这既增加了生产成本，也带来了潜在的环境风险。如何在提高生产力的同时，减少对化肥的依赖并降低环境影响，是现代农业可持续性面临的核心问题。植物促生菌（Plant Growth-Promoting Bacteria, PGPB）因其能够固定大气氮、促进植物生长、改善养分吸收等能力，被视为一种有前景的生物解决方案。其中，Azospirillum brasilense 和 Nitrospirillum amazonense 是两种在禾本科作物中研究较多的固氮促生菌。传统的微生物接种多通过种子或土壤进行，而叶面接种作为一种替代途径，其对植物生理、根际微生态乃至土壤氮循环的深层影响，尤其在甘蔗体系中，尚不明确。为了阐明这些问题，来自国内科研团队的研究人员在《Biology and Fertility of Soils》期刊上发表了一项研究，旨在评估叶面与土壤联合接种这两种PGPB对甘蔗生理性能、氮素利用效率、根际有机酸分泌及微生物群落的综合影响。

为了回答这些问题，研究人员在巴西圣保罗州立大学农学院的温室中进行了一项控制试验。他们设计了四个处理：不接种的对照、单独叶面接种A. brasilense (Ab)、单独土壤接种N. amazonense (Na) 以及两者联合接种 (Ab+Na)。研究采用了多种技术方法，包括：利用气体交换系统测量甘蔗叶片的光合生理参数（如净光合速率、气孔导度、水分利用效率等）；通过¹⁵N标记的硫酸铵进行氮肥去向示踪，分析甘蔗各器官和土壤中的氮素累积与回收；采用高效液相色谱（HPLC）定量分析根际土壤中的有机酸（如乙酸、乳酸、琥珀酸等）；利用实时荧光定量PCR（qPCR）技术测定根际土壤中与总微生物（16S rRNA）、固氮（nifH）、硝化（amoA-AOA/AOB）和反硝化（nirK, nosZ）相关的功能基因的绝对丰度；通过16S rRNA基因扩增子测序（使用Illumina MiSeq平台）结合DADA2、PICRUSt2和广义联合属性建模（GJAM）等生物信息学方法，全面解析了根际微生物群落的结构、功能和与植物性状的关联。

N循环功能基因（实时荧光定量PCR）

通过qPCR分析发现，与对照相比，接种处理显著降低了与硝化（amoA-AOA, amoA-AOB）和反硝化（nirK, nosZ）过程相关的功能基因丰度，表明氮素损失的潜力降低。然而，联合接种（Ab+Na）处理中这些基因的丰度高于单独接种，推测可能是由于该处理下更高的有机酸分泌刺激了土壤有机质矿化，导致可利用氮增加。此外，只有Ab和Ab+Na处理增加了固氮基因nifH的丰度，表明生物固氮潜力增强，这主要与A. brasilense有关。

气体交换

生理测量结果显示，所有接种处理均提高了甘蔗的净光合速率、羧化效率和水分子利用效率，其中Ab+Na处理的效果最为显著。这些改善表明接种PGPB增强了甘蔗的光合碳同化能力和水分利用经济性。

¹⁵N肥料在土壤-植物系统中的去向、氮素积累和植物生物量

利用¹⁵N示踪技术发现，Ab+Na处理促进了甘蔗根、根茎和叶片中更多的氮素（包括来自肥料的¹⁵N和总氮）积累，并显著提高了¹⁵N肥料的回收率。同时，Ab和Ab+Na处理显著降低了氮素损失。生物量数据也证实，Ab和Ab+Na处理增加了根、根茎和总植物干重。

有机酸定量

HPLC分析显示，Ab+Na处理导致根际土壤中多种有机酸（如乙酸、乳酸、琥珀酸、丙酸和苹果酸）的浓度最高。有机酸是根际碳流和微生物互作的关键介质，其增加可能与微生物活性和养分动员增强有关。

微生物群落组成

基于16S rRNA基因测序的非度量多维尺度分析（NMDS）表明，接种处理显著改变了根际微生物群落结构，其中Ab+Na处理形成了独特且更均匀的群落谱。通过GJAM模型进一步分析发现，接种（尤其是单接种）降低了优势菌属（如Pseudarthrobacter）的相对丰度，同时丰富了许多稀有分类单元。关联分析揭示，特定微生物类群（聚类C3）与植物生物量性状和有机酸谱呈正相关，表明存在植物驱动的微生物筛选过程。值得注意的是，优势属Pseudarthrobacter的丰度与氮素损失及硝化、反硝化基因丰度正相关，而与植物生长性状负相关。

该研究的结论强调了联合接种策略的协同优势。叶面喷施A. brasilense与土壤接种N. amazonense的组合，通过协调的生理和微生物机制，最有效地改善了甘蔗的氮素利用效率并修饰了根际功能。在生理层面，这体现在最高的光合速率、羧化效率、水分利用效率、生物量和氮素积累。在分子和生态层面，这种改善与根际有机酸分泌的增加、固氮潜力（nifH）的增强、硝化与反硝化潜力（amoA, nirK, nosZ）的抑制，以及向更均匀且富含有益关联类群的微生物群落结构的转变密切相关。研究结果表明，Pseudarthrobacter等优势土著菌可能与氮素损失途径关联更紧，而接种干预能够重塑群落，富集那些与植物生长正相关的稀有类群。这些发现从机制上阐释了PGPB，特别是联合接种，如何通过调控“植物生理-根际分泌物-微生物功能”的级联反应，来提升作物表现和氮素可持续性。该研究为开发基于兼容微生物菌剂的叶面接种技术，以实现甘蔗等作物的可持续集约化生产提供了重要的理论依据和实践启示。