从重度盐碱区玉米根际土壤中分离得到的耐盐促生肠杆菌Enterobacter asburiae LL-1：全基因组功能解析及其对盐胁迫下玉米的促生效应

《Plant Physiology and Biochemistry》：Salt-tolerant growth-promoting bacterium Enterobacter asburiae LL-1 isolated from rhizosphere soil of severely saline-alkali regions: Functional analysis of its genome and growth-promoting effect on maize under salt stress

　　

研究人员从重度盐碱区生长的玉米根际土壤中分离得到一株耐盐细菌Enterobacter asburiae LL-1。该菌株表现出多重植物促生特性，包括溶磷、固氮及吲哚-3-乙酸（IAA）合成能力，并具有突出的耐盐性（最高耐受1500 mmol/L NaCl）。盆栽试验表明，接种LL-1显著缓解了盐胁迫对玉米生长的抑制作用，具体表现为株高、根长、根生物量及叶片叶绿素含量增加。此外，接种LL-1降低了Na+积累，促进K+吸收，提高抗氧化酶（过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD）活性，并提升脯氨酸（Pro）水平，从而减轻氧化损伤。在分子水平上，LL-1上调了玉米抗氧化酶基因（ZmSOD4、ZmCAT2、ZmAPX2）及耐盐基因（ZmNHX1、ZmNHX2、ZmDREB2A）的表达。基因组分析鉴定出多个可能参与耐盐（如nhaA、nhaB、maeN）及植物促生的功能基因。结果表明，E. asburiae LL-1通过协同调控离子稳态、抗氧化能力、光合作用及胁迫响应基因表达，增强玉米耐盐性。本研究为作物根际促生菌（PGPR）介导的耐盐机制研究提供了极具潜力的微生物资源及相关证据。

研究背景与意义

盐胁迫已成为制约全球农业可持续发展的关键环境问题。据统计，全球约10%的陆地面积和50%的灌溉区面临盐分威胁，导致农作物减产及每年约120亿美元的经济损失。中国近四分之一的耕地受盐胁迫影响，其中东北地区作为世界三大“黄金玉米带”之一，也是盐碱地集中分布区，高盐环境严重抑制玉米生长发育，成为当地玉米产业发展的重大瓶颈。植物根际促生菌（PGPR）被认为是缓解非生物胁迫的有效途径，但目前针对Enterobacter属菌株在盐胁迫下对玉米生长调控的功能潜力及分子机制研究仍十分有限。为此，研究人员从黑龙江省绥化市重度盐碱区玉米根际土壤中筛选分离耐盐促生菌株，结合全基因组测序与盆栽试验，系统解析其对盐胁迫下玉米的生理代谢及分子调控机制，为盐碱地生物改良与玉米抗逆栽培提供理论依据与微生物资源。

主要技术方法

研究人员于2024年采集黑龙江省绥化市重度盐碱区玉米根际土壤样本，分离纯化菌株并进行形态学观察与革兰氏染色。采用16S rRNA基因测序结合平均核苷酸一致性（ANI）与数字DNA-DNA杂交（dDDH）分析进行菌种鉴定。利用Nanopore与Illumina双平台对菌株进行全基因组测序，经质控组装后进行基因预测与功能注释（GO、KEGG、eggNOG数据库）。选用东北主栽玉米品种先玉335（XY335）与郑单958（ZD958）进行盆栽试验，设置对照、盐胁迫、接种LL-1及盐胁迫+接种LL-1处理。测定植株生长指标、光合色素、离子含量、氧化损伤指标（MDA、REC、H₂O₂、O₂^-）、抗氧化酶活性及渗透调节物质（脯氨酸）含量。采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析玉米耐盐及抗氧化基因表达，以及菌株耐盐相关基因的转录响应。

研究结果

3.1 Enterobacter asburiae LL-1表现出高浓度NaCl耐受性

菌株LL-1为革兰氏阴性短杆菌，菌落呈白色不透明、边缘整齐。该菌株具备溶磷、固氮及IAA合成（42.35 mg/L）能力，可在高达1500 mmol/L NaCl及pH 5-11范围内生长。基于16S rRNA系统发育分析及ANI（98.43%）、dDDH（88.80%）结果，将其鉴定为Enterobacter asburiae。

3.2 Enterobacter asburiae LL-1菌株的基因组特征与功能注释

基因组为单条环状染色体，全长5,180,516 bp，GC含量54.21%，共预测4,477个编码基因。功能注释显示，基因组富含ABC转运蛋白、双组分信号系统及氨基酸合成通路基因。次级代谢产物基因簇预测发现肠杆菌素、气杆菌素及芳基多烯合成相关基因簇，提示其可能具备竞争定殖优势。

3.3 Enterobacter asburiae LL-1中植物促生与盐胁迫适应相关基因

基因组含有固氮（nifU）、铁转运（ABC.FEV.P/S）、多胺合成（speB）及鞭毛合成与趋化（flhE、fliA等）等促生相关基因。耐盐相关基因包括离子平衡调控（nhaA、trkA）、渗透保护剂合成与转运（betA、betB、proV）等。qRT-PCR证实，在100 mmol/L NaCl胁迫下，nhaA、nhaB、maeN、gltS、betA及sodA基因表达分别上调5.15、3.29、2.95、6.25、6.42及12.99倍。

3.4 LL-1接种对盐胁迫下玉米幼苗定殖与生长性状的影响

LL-1在玉米根表定殖密度达8.3-8.6 log₁₀(CFU·g^-1)，根内定殖密度为7.0-7.3 log₁₀(CFU·g^-1)，且盐胁迫未显著影响定殖效率。接种LL-1显著缓解盐胁迫导致的生长抑制，XY335与ZD958的株高、根长、根生物量等指标均显著提升。

3.5 Enterobacter asburiae LL-1调控盐胁迫下玉米离子失衡

盐胁迫导致玉米叶片Na⁺积累、K⁺下降及K⁺/Na⁺比降低。接种LL-1显著降低叶片Na⁺含量，提升K⁺含量，使XY335与ZD958的K⁺/Na⁺比分别恢复至对照水平的161.53%与83.02%。

3.6 LL-1菌株对盐胁迫下玉米幼苗光合系统的保护作用

盐胁迫显著降低光合色素含量及净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）。接种LL-1有效维持叶绿素与类胡萝卜素水平，并显著提升Pn、Tr与Gs，同时降低胞间CO₂浓度（Ci），改善光合效率。

3.7 Enterobacter asburiae LL-1降低玉米幼苗ROS积累

DAB与NBT染色显示，盐胁迫诱导H₂O₂与O₂^-大量积累。接种LL-1显著减少两种ROS积累，降低丙二醛（MDA）含量与相对电导率（REC），减轻膜脂过氧化损伤。

3.8 Enterobacter asburiae LL-1增强盐胁迫下玉米抗氧化能力

接种LL-1显著提高盐胁迫下玉米SOD、过氧化物酶（POD）、CAT及抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，并促进脯氨酸积累。聚类分析表明，接种LL-1使盐胁迫植株的生理状态恢复至接近对照水平。

3.9 Enterobacter asburiae LL-1通过激活玉米ROS相关基因增强抗氧化能力

盐胁迫下，接种LL-1显著上调液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因ZmNHX1、ZmNHX2及转录因子基因ZmDREB2A的表达。同时，抗氧化基因ZmSOD4、ZmCAT2、ZmAPX2在XY335与ZD958中分别上调1.46、2.14、1.36倍与1.61、1.57、1.46倍。

讨论与结论

讨论部分指出，LL-1的极端耐盐性（1500 mmol/L NaCl）优于多数已报道的耐盐PGPR，其基因组中丰富的离子转运、渗透调节及次级代谢产物合成基因为其环境适应性提供了分子基础。该菌株在盐胁迫下仍能高效定殖于玉米根际与根内，突破了传统PGPR在高盐环境下定殖受限的瓶颈。其促生机制涉及多重协同路径：通过溶磷、产IAA直接促进营养吸收与根系构型优化；通过调控Na⁺/K⁺稳态减轻离子毒害；通过激活抗氧化系统与脯氨酸合成缓解氧化损伤；通过上调ZmNHX1/2与ZmDREB2A等核心基因重构植物耐盐信号网络。值得注意的是，LL-1对基因型差异显著的XY335与ZD958均表现出稳定的促生效应，体现了其在生产应用中的广谱潜力。

结论部分总结，Enterobacter asburiae LL-1通过协同调控渗透平衡、离子稳态、活性氧清除、光合作用及防御基因表达，显著缓解盐胁迫对玉米的抑制。该菌株为盐碱地农业可持续发展提供了优异的微生物种质资源，但其田间长期稳定性与区域适应性仍需进一步验证。该研究发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。