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）上發表題為“Plant growth-promotion triggered by extracellular polymer is associated with facilitation of bacterial cross-feeding networks of the rhizosphere”的文章，通過實驗證實γ-聚谷氨酸可通過誘導根際芽孢桿菌和假單胞菌形成代謝互養網絡促進作物對鉀元素的吸收，為利用微生物衍生的復雜底物作為催化劑提高農業生產力提供了新的思路。
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：設置不同劑量的γ-PGA處理組，以及對照組（無γ-PGA處理），觀察其對番茄生長和根際細菌群落的影響。
2.土壤條件：分別在滅菌土壤（無微生物）和未滅菌土壤（有微生物）中進行實驗，以評估微生物群落對植物生長的影響。
3.微生物移植實驗：通過將γ-PGA處理過的土壤微生物群落移植到未處理的土壤中，進一步研究γ-PGA對微生物群落結構和植物生長的長期影響。
圖1 整體實驗示意圖
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
研究發現，γ-PGA的施用增加了番茄植株的生物量，以及磷（P）、氮（N)和鉀（K)含量（圖2A)，其中500mg/kg和1000mg/kg的γ-PGA處理效果最為顯著。具體而言，1000mg/kg的γ-PGA使番茄植株的生物量、氮、磷和鉀含量分別增加了183.5%、21.8%、27.8%和43.6%。盡管γ-PGA應用對根際細菌多樣性（shannon)沒有顯著影響，但它明顯改變了微生物組組成，且較高的γ-PGA濃度與更大的變化相關（圖2B-C)。同時發現γ-PGA顯著提高了未消毒土壤中番茄植株的生物量和N、P、K含量（圖2D)。
圖2 γ-PGA通過塑造根際微生物群落組成促進植物生長
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
為了進一步驗證γ-PGA誘導的微生物組變化與植物生長促進之間的因果關系，進行了土壤調節實驗（圖3A)。實驗發現，在土壤調節實驗結束時，γ-PGA對土壤細菌群落組成有顯著影響（圖3B）。盡管在微生物群移植實驗結束時，γ-PGA調節的微生物組對番茄植株中的氮或磷含量沒有顯著影響，但它顯著增加了番茄的生物量和鉀（圖3C）。并且相對于對照處理僅具有改變根際細菌群落的β多樣性的趨勢（圖3D）。此外，與水條件下的對照移植物相比，經γ-PGA土壤調節富集的所有zOTUs假單胞菌在經γ-PGA調節的根際微生物群中的相對豐度更高（圖3E-F）。綜上所述，施用γ-PGA可能通過改變根際微生物群落組成和潛在功能來增加植物鉀含量和生物量。
圖3 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
3、γ-PGA通過豐富兩種鉀溶性假單胞菌菌株促進植物生長。
為了驗證富含γ-PGA條件下的微生物群落的細菌對植物生長促進效果，在微生物移植實驗結束時從這些處理樣本中分離出了161個獨特的細菌菌株。成功獲得了四個分離物（圖4A)，其中菌株L20和L16在定性和定量測試中均表現出高鉀溶解能力。另一項溫室實驗表明，硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20生物接種劑都能增加番茄的生物量和鉀含量（圖4B和4C)。因此，這兩種假單胞菌屬可能在解釋γ-PGA補充劑促進植物生長的效果方面更為重要。
圖4 通過γ-PGA條件下的微生物群移植富集溶鉀細菌
4、硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20的鉀（K）溶解機制
由于細菌的k-增溶作用通常歸因于酸化作用，首先測試了硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20是否改變了其生長介質的pH，以及這是否與k-增溶作用有關。實驗發現，耗盡生長介質的pH值明顯下降，尤其是硝化還原菌L16，蒙特利爾菌L20的程度較輕，表明酸化（圖5A）。pH的降低是由于硝化還原菌L16產生草酸和丙酮酸，蒙特利爾菌L20產生草酸、丙酮酸和乳酸（圖5B和5C）。硝基還原劑硝化還原菌L16的生長導致生長培養基中速效鉀水平升高，當生長培養基被緩沖至pH7時，這種效應顯著降低，防止了酸化。這表明，硝化還原菌L16通過酸化周圍環境和釋放礦物K中的結合K離子來促進有機酸的溶解。相反，緩沖生長介質對蒙特利爾菌L20的溶解K效率沒有顯著影響(圖5D)，這表明有機酸的產生并不是這種細菌k-溶解作用的關鍵機制。
圖5 通過γ-PGA富集的細菌的鉀溶化機制
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
為了測試γ-PGA是否直接促進了硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20的生長，以γ-PGA作為唯一碳源培養這兩種細菌，并測量了廢培養基中的γ-PGA含量。結果發現，無論是硝化還原菌L16還是蒙特利爾菌L20，其γ-PGA含量均未顯著增加。蒙特利爾菌L20菌株能夠利用γ-PGA促進自身生長（圖6A-B），這表明它們必定間接受益于γ-PGA的應用。為了驗證這些間接益處是否由特定途徑介導，測量了其他分離微生物在以γ-PGA為唯一碳源時的生長情況。發現γ-PGA顯著促進了161種獨特的根際細菌中的35種的生長（圖6C）。
圖6 γ-PGA通過刺激芽孢桿菌群落增加了P. nitroreducens L16和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
在共培養中，發現硝化還原菌L16和蒙特利爾菌L20的聯合K-溶解效率分別比單獨培養的硝化還原菌L16或蒙特利爾菌L20高8.2%和12.4%（圖7A）。這兩個物種還具有潛在的交互作用，硝化還原菌L16的生長明顯被蒙特利爾菌L20的代謝物促進（圖7C-D）。代謝組學分析發現甘油醛、L-2-羥基戊二酸和3-羥基己酸由蒙特利爾菌L20大量產生，并且這些相同的化合物被硝化還原菌L16從上清液中顯著還原，表明它們對交叉取食相互作用的重要性（圖7E），3-羥基癸酸對硝基還原劑硝化還原菌L16的交飼效應進一步通過化學標準實驗證實。
圖7 氮還原假單胞菌L16與蒙特利爾假單胞菌L20之間的代謝相互作用。
研究結論
結果表明，由微生物產生的胞外聚合物（γ -PGA）這種化合物通過促進根際細菌之間的交叉取食網絡對植物有益，突出了利用微生物衍生的復雜底物作為催化劑提高農業生產力的機會。
其中施用聚γ -谷氨酸增加了P. nitroreducens L16（硝化假單胞菌L16）和P. monteilii L20（蒙特利爾假單胞菌L20）豐度，這兩種細菌分別通過分泌溶鉀丙酮酸和螯鉀鐵載體促進番茄鉀同化。雖然這兩種假單胞菌都不能直接代謝γ-PGA，但γ-PGA的施用促進了芽孢桿菌的生長，而芽孢桿菌產生的代謝物又能促進P. nitroreducens L16和P. monteilii L20的生長，使植物促生菌之間產生共生的交叉取食作用。
