2025-06-09
根際微生物群在植物生長中發揮著關鍵作用，但控制微生物群落以提高植物生產力仍然具有挑戰性。微生物分泌的胞外高分子聚合物被認為與促進植物生長有關，但其如何塑造土壤微生物-微生物以及植物-微生物互作關系并影響作物健康生長仍不明確。近日，南京工業大學徐虹教授/谷益安副教授團隊在環境科學與生態學領域的頂刊ISMEJournal（影響因子11.2）上(shang)發表題為(wei)“Plant growth-promotion triggered by extracellular polymer is associated with facilitation of bacterial cross-feeding networks of the rhizosphere”的(de)文章，通(tong)過(guo)實驗證實γ-聚(ju)谷氨酸可通(tong)過(guo)誘導根(gen)際芽孢桿菌和假單(dan)胞菌形成代謝互養網絡促進作物對鉀元(yuan)素的(de)吸收，為(wei)利(li)用微生(sheng)物衍(yan)生(sheng)的(de)復雜底物作為(wei)催化劑(ji)提高農(nong)業生(sheng)產力提供了新的(de)思路。
本研究中微生物擴增子測序及部分分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究方法
本研究以番茄為實驗植物，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）作為處理物質。
1.實驗材料與樣本處理：設置不(bu)同劑(ji)量的(de)(de)γ-PGA處理組(zu)(zu)，以及對照組(zu)(zu)（無γ-PGA處理），觀察其對番茄生長和根際細菌群(qun)落(luo)的(de)(de)影響。
2.土壤條件：分別在(zai)滅(mie)菌(jun)土壤（無微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)）和未滅(mie)菌(jun)土壤（有微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)）中進行實驗，以評估(gu)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群落對植物(wu)(wu)生(sheng)(sheng)(sheng)長的影響。
3.微生物移植實驗：通(tong)過將γ-PGA處理過的土壤(rang)(rang)微生物群(qun)落(luo)移植到未(wei)處理的土壤(rang)(rang)中，進一步研究(jiu)γ-PGA對微生物群(qun)落(luo)結(jie)構和植物生長的長期(qi)影響。
圖(tu)1 整體(ti)實驗示(shi)意(yi)圖(tu)
研究結果
1、確定γ-PGA是否會通過影響根際微生物組的組成
研(yan)究發現，γ-PGA的施用增加(jia)了番茄植株的生物(wu)(wu)量(liang)，以及(ji)磷(lin)（P）、氮(dan)（N)和鉀（K)含(han)量(liang)（圖2A)，其中(zhong)500mg/kg和1000mg/kg的γ-PGA處(chu)理效果最為顯(xian)(xian)著(zhu)。具體而言(yan)，1000mg/kg的γ-PGA使番茄植株的生物(wu)(wu)量(liang)、氮(dan)、磷(lin)和鉀含(han)量(liang)分別增加(jia)了183.5%、21.8%、27.8%和43.6%。盡管γ-PGA應用對根(gen)際(ji)細(xi)菌多樣性（shannon)沒有顯(xian)(xian)著(zhu)影響，但(dan)它明顯(xian)(xian)改變了微生物(wu)(wu)組組成，且較高的γ-PGA濃(nong)度與更大(da)的變化相(xiang)關（圖2B-C)。同時發現γ-PGA顯(xian)(xian)著(zhu)提高了未(wei)消毒土壤中(zhong)番茄植株的生物(wu)(wu)量(liang)和N、P、K含(han)量(liang)（圖2D)。
圖2 γ-PGA通過塑(su)造根際微(wei)生物(wu)群落(luo)組成(cheng)促(cu)進植物(wu)生長
2、γ-PGA條件下的微生物群對番茄植物生物量、磷、氮、鉀含量及根際細菌群落組成的影響
為了進(jin)(jin)一步(bu)驗(yan)(yan)證γ-PGA誘導的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組(zu)(zu)(zu)變化與植(zhi)物(wu)(wu)生(sheng)(sheng)(sheng)長促進(jin)(jin)之間的(de)因(yin)果關系，進(jin)(jin)行了土(tu)(tu)壤(rang)調(diao)節(jie)實(shi)驗(yan)(yan)（圖3A)。實(shi)驗(yan)(yan)發現，在(zai)土(tu)(tu)壤(rang)調(diao)節(jie)實(shi)驗(yan)(yan)結(jie)束時，γ-PGA對(dui)土(tu)(tu)壤(rang)細(xi)(xi)菌群(qun)(qun)落組(zu)(zu)(zu)成(cheng)(cheng)有(you)顯著影響（圖3B）。盡管(guan)在(zai)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群(qun)(qun)移植(zhi)實(shi)驗(yan)(yan)結(jie)束時，γ-PGA調(diao)節(jie)的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組(zu)(zu)(zu)對(dui)番茄植(zhi)株中(zhong)的(de)氮(dan)或磷含量沒有(you)顯著影響，但它顯著增(zeng)加了番茄的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)量和(he)鉀（圖3C）。并且相(xiang)對(dui)于對(dui)照處理僅具有(you)改變根(gen)際(ji)細(xi)(xi)菌群(qun)(qun)落的(de)β多樣性的(de)趨勢(shi)（圖3D）。此外，與水條件下(xia)的(de)對(dui)照移植(zhi)物(wu)(wu)相(xiang)比(bi)，經γ-PGA土(tu)(tu)壤(rang)調(diao)節(jie)富集(ji)的(de)所有(you)zOTUs假單胞菌在(zai)經γ-PGA調(diao)節(jie)的(de)根(gen)際(ji)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群(qun)(qun)中(zhong)的(de)相(xiang)對(dui)豐度更高（圖3E-F）。綜上所述(shu)，施用(yong)γ-PGA可(ke)能通過改變根(gen)際(ji)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群(qun)(qun)落組(zu)(zu)(zu)成(cheng)(cheng)和(he)潛在(zai)功能來增(zeng)加植(zhi)物(wu)(wu)鉀含量和(he)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)量。
圖3 γ-PGA條件(jian)下的微生物群對番茄植物生物量、磷、氮、鉀含量及根際細菌群落組成的影響(xiang)
3、γ-PGA通過豐富兩種鉀溶性假單胞菌菌株促進植物生長。
為了(le)驗(yan)證富含γ-PGA條件(jian)下的(de)(de)微生物(wu)(wu)群落的(de)(de)細菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)對植物(wu)(wu)生長促進效果(guo)，在(zai)微生物(wu)(wu)移植實驗(yan)結束(shu)時從這些處理樣本(ben)中(zhong)(zhong)分離出了(le)161個(ge)獨(du)特的(de)(de)細菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)株。成功(gong)獲得了(le)四個(ge)分離物(wu)(wu)（圖4A)，其中(zhong)(zhong)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)株L20和L16在(zai)定(ding)性和定(ding)量測試中(zhong)(zhong)均(jun)表(biao)現出高(gao)鉀(jia)溶解能(neng)力。另一項溫(wen)室實驗(yan)表(biao)明，硝化還原(yuan)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)L16和蒙(meng)特利爾(er)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)L20生物(wu)(wu)接種(zhong)劑都(dou)能(neng)增加(jia)番茄的(de)(de)生物(wu)(wu)量和鉀(jia)含量（圖4B和4C)。因此，這兩(liang)種(zhong)假單胞菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)屬可能(neng)在(zai)解釋γ-PGA補(bu)充劑促進植物(wu)(wu)生長的(de)(de)效果(guo)方面(mian)更(geng)為重要。
圖4 通過γ-PGA條(tiao)件下的(de)微生(sheng)物群(qun)移植(zhi)富集(ji)溶鉀細菌
4、硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20的鉀（K）溶解機制
由于細(xi)菌(jun)(jun)的(de)(de)(de)(de)k-增(zeng)溶作(zuo)用通常歸因于酸(suan)化(hua)(hua)作(zuo)用，首(shou)先測試了(le)硝化(hua)(hua)還(huan)原菌(jun)(jun)L16和蒙(meng)特(te)利爾菌(jun)(jun)L20是(shi)否改變了(le)其(qi)生(sheng)長(chang)介質的(de)(de)(de)(de)pH，以及(ji)這(zhe)(zhe)(zhe)是(shi)否與k-增(zeng)溶作(zuo)用有(you)(you)關。實驗發現，耗盡生(sheng)長(chang)介質的(de)(de)(de)(de)pH值明(ming)顯下降，尤其(qi)是(shi)硝化(hua)(hua)還(huan)原菌(jun)(jun)L16，蒙(meng)特(te)利爾菌(jun)(jun)L20的(de)(de)(de)(de)程(cheng)度較輕，表明(ming)酸(suan)化(hua)(hua)（圖5A）。pH的(de)(de)(de)(de)降低是(shi)由于硝化(hua)(hua)還(huan)原菌(jun)(jun)L16產(chan)生(sheng)草(cao)酸(suan)和丙酮酸(suan)，蒙(meng)特(te)利爾菌(jun)(jun)L20產(chan)生(sheng)草(cao)酸(suan)、丙酮酸(suan)和乳(ru)酸(suan)（圖5B和5C）。硝基(ji)還(huan)原劑硝化(hua)(hua)還(huan)原菌(jun)(jun)L16的(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)導致生(sheng)長(chang)培養基(ji)中速效鉀水平升高，當生(sheng)長(chang)培養基(ji)被緩沖至pH7時，這(zhe)(zhe)(zhe)種效應(ying)顯著(zhu)降低，防止了(le)酸(suan)化(hua)(hua)。這(zhe)(zhe)(zhe)表明(ming)，硝化(hua)(hua)還(huan)原菌(jun)(jun)L16通過(guo)酸(suan)化(hua)(hua)周圍環境和釋放礦物(wu)K中的(de)(de)(de)(de)結合K離(li)子來促進有(you)(you)機酸(suan)的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)。相(xiang)反，緩沖生(sheng)長(chang)介質對蒙(meng)特(te)利爾菌(jun)(jun)L20的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)K效率沒有(you)(you)顯著(zhu)影響(xiang)(圖5D)，這(zhe)(zhe)(zhe)表明(ming)有(you)(you)機酸(suan)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)并不是(shi)這(zhe)(zhe)(zhe)種細(xi)菌(jun)(jun)k-溶解(jie)作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)關鍵機制。
圖5 通(tong)過γ-PGA富集(ji)的細菌的鉀溶(rong)化機制(zhi)
5、γ-PGA通過刺激微生物群，特別是芽孢桿菌種類， 間接豐富了兩種K-溶劑化假單胞菌株
為(wei)了(le)測試γ-PGA是(shi)否直接促(cu)進了(le)硝(xiao)化還原菌(jun)(jun)L16和蒙(meng)特(te)(te)利(li)(li)爾(er)菌(jun)(jun)L20的生長(chang)，以(yi)γ-PGA作(zuo)為(wei)唯一(yi)碳(tan)(tan)源培(pei)養(yang)這兩種(zhong)(zhong)細菌(jun)(jun)，并(bing)測量(liang)了(le)廢(fei)培(pei)養(yang)基中(zhong)的γ-PGA含量(liang)。結(jie)果發(fa)現(xian)(xian)，無(wu)論是(shi)硝(xiao)化還原菌(jun)(jun)L16還是(shi)蒙(meng)特(te)(te)利(li)(li)爾(er)菌(jun)(jun)L20，其γ-PGA含量(liang)均未(wei)顯著增加。蒙(meng)特(te)(te)利(li)(li)爾(er)菌(jun)(jun)L20菌(jun)(jun)株(zhu)能夠利(li)(li)用(yong)γ-PGA促(cu)進自(zi)身生長(chang)（圖(tu)6A-B），這表明它們必定間接受益于γ-PGA的應用(yong)。為(wei)了(le)驗證這些間接益處(chu)是(shi)否由特(te)(te)定途徑介導，測量(liang)了(le)其他分(fen)離微生物在(zai)以(yi)γ-PGA為(wei)唯一(yi)碳(tan)(tan)源時的生長(chang)情況(kuang)。發(fa)現(xian)(xian)γ-PGA顯著促(cu)進了(le)161種(zhong)(zhong)獨特(te)(te)的根際(ji)細菌(jun)(jun)中(zhong)的35種(zhong)(zhong)的生長(chang)（圖(tu)6C）。
圖6 γ-PGA通(tong)過(guo)刺(ci)激芽孢桿(gan)菌群(qun)落(luo)增加了P. nitroreducens L16和(he)P. monteilii L20的密度。
6、硝化還原菌L16與蒙特利爾菌L20之間的代謝相互作用
在(zai)共培養中，發現硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)(yuan)菌(jun)L16和蒙(meng)特(te)(te)利(li)爾(er)(er)菌(jun)L20的聯合K-溶解效率分別(bie)比(bi)單獨培養的硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)(yuan)菌(jun)L16或蒙(meng)特(te)(te)利(li)爾(er)(er)菌(jun)L20高8.2%和12.4%（圖(tu)7A）。這(zhe)兩(liang)個物種還具(ju)有潛在(zai)的交互(hu)作(zuo)用，硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)(yuan)菌(jun)L16的生(sheng)(sheng)長明(ming)顯(xian)被(bei)蒙(meng)特(te)(te)利(li)爾(er)(er)菌(jun)L20的代謝物促進（圖(tu)7C-D）。代謝組學(xue)分析發現甘油醛、L-2-羥(qian)基(ji)戊(wu)二酸和3-羥(qian)基(ji)己酸由蒙(meng)特(te)(te)利(li)爾(er)(er)菌(jun)L20大量產生(sheng)(sheng)，并且這(zhe)些相(xiang)同(tong)的化(hua)(hua)(hua)合物被(bei)硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)(yuan)菌(jun)L16從上清液中顯(xian)著還原(yuan)(yuan)，表明(ming)它(ta)們(men)對(dui)交叉取食(shi)相(xiang)互(hu)作(zuo)用的重要(yao)性（圖(tu)7E），3-羥(qian)基(ji)癸酸對(dui)硝(xiao)基(ji)還原(yuan)(yuan)劑硝(xiao)化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)(yuan)菌(jun)L16的交飼效應進一步通過化(hua)(hua)(hua)學(xue)標準實驗證實。
圖7 氮還(huan)原假單胞菌L16與蒙特利爾假單胞菌L20之間的代謝(xie)相互作用(yong)。
研究結論
結果(guo)表明，由微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)產生(sheng)(sheng)的(de)胞外聚合物(wu)（γ -PGA）這(zhe)種化(hua)合物(wu)通(tong)過促進根際細菌之間的(de)交叉取(qu)食網絡(luo)對植物(wu)有(you)益，突出了利用微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)衍(yan)生(sheng)(sheng)的(de)復(fu)雜底(di)物(wu)作為催化(hua)劑提高農業生(sheng)(sheng)產力的(de)機會。
其(qi)中施用(yong)聚γ -谷(gu)氨酸增加(jia)了(le)P. nitroreducens L16（硝化假(jia)單(dan)胞菌(jun)(jun)L16）和(he)(he)P. monteilii L20（蒙(meng)特利爾假(jia)單(dan)胞菌(jun)(jun)L20）豐度(du)，這兩種細菌(jun)(jun)分別(bie)通過分泌溶(rong)鉀(jia)丙酮酸和(he)(he)螯(ao)鉀(jia)鐵載體(ti)促進(jin)番茄鉀(jia)同化。雖(sui)然這兩種假(jia)單(dan)胞菌(jun)(jun)都(dou)不能(neng)直接代謝(xie)(xie)γ-PGA，但γ-PGA的(de)施用(yong)促進(jin)了(le)芽孢桿(gan)菌(jun)(jun)的(de)生(sheng)(sheng)長，而芽孢桿(gan)菌(jun)(jun)產生(sheng)(sheng)的(de)代謝(xie)(xie)物又能(neng)促進(jin)P. nitroreducens L16和(he)(he)P. monteilii L20的(de)生(sheng)(sheng)長，使植物促生(sheng)(sheng)菌(jun)(jun)之(zhi)間產生(sheng)(sheng)共生(sheng)(sheng)的(de)交叉取(qu)食作用(yong)。
