2025-06-09
根际微生物群在植物生长中发挥着关键作用，但控制微生物群落以提高植物生产力仍然具有挑战性。微生物分泌的胞外高分子聚合物被认为与促进植物生长有关，但其如何塑造土壤微生物-微生物以及植物-微生物互作关系并影响作物健康生长仍不明确。近日，南京工业大学徐虹教授/谷益安副教授团队在环境科学与生态学领域的顶刊ISMEJournal（影响因子11.2）上发表题为“Plant growth-promotion triggered by extracellular polymer is associated with facilitation of bacterial cross-feeding networks of the rhizosphere”的文章，通过实验证实γ-聚谷氨酸可通过诱导根际芽孢杆菌和假单胞菌形成代谢互养网络促进作物对钾元素的吸收，为利用微生物衍生的复杂底物作为催化剂提高农业生产力提供了新的思路。
本研究中微生物扩增子测序及部分分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
研究方法
本研究以番茄为实验植物，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）作为处理物质。
1.实验材料与样本处理：设置不同剂量的γ-PGA处理组，以及对照组（无γ-PGA处理），观察其对番茄生长和根际细菌群落的影响。
2.土壤条件：分别在灭菌土壤（无微生物）和未灭菌土壤（有微生物）中进行实验，以评估微生物群落对植物生长的影响。
3.微生物移植实验：通过将γ-PGA处理过的土壤微生物群落移植到未处理的土壤中，进一步研究γ-PGA对微生物群落结构和植物生长的长期影响。
图1 整体实验示意图
研究结果
1、确定γ-PGA是否会通过影响根际微生物组的组成
研究发现，γ-PGA的施用增加了番茄植株的生物量，以及磷（P）、氮（N)和钾（K)含量（图2A)，其中500mg/kg和1000mg/kg的γ-PGA处理效果最为显著。具体而言，1000mg/kg的γ-PGA使番茄植株的生物量、氮、磷和钾含量分别增加了183.5%、21.8%、27.8%和43.6%。尽管γ-PGA应用对根际细菌多样性（shannon)没有显著影响，但它明显改变了微生物组组成，且较高的γ-PGA浓度与更大的变化相关（图2B-C)。同时发现γ-PGA显著提高了未消毒土壤中番茄植株的生物量和N、P、K含量（图2D)。
图2 γ-PGA通过塑造根际微生物群落组成促进植物生长
2、γ-PGA条件下的微生物群对番茄植物生物量、磷、氮、钾含量及根际细菌群落组成的影响
为了进一步验证γ-PGA诱导的微生物组变化与植物生长促进之间的因果关系，进行了土壤调节实验（图3A)。实验发现，在土壤调节实验结束时，γ-PGA对土壤细菌群落组成有显著影响（图3B）。尽管在微生物群移植实验结束时，γ-PGA调节的微生物组对番茄植株中的氮或磷含量没有显著影响，但它显著增加了番茄的生物量和钾（图3C）。并且相对于对照处理仅具有改变根际细菌群落的β多样性的趋势（图3D）。此外，与水条件下的对照移植物相比，经γ-PGA土壤调节富集的所有zOTUs假单胞菌在经γ-PGA调节的根际微生物群中的相对丰度更高（图3E-F）。综上所述，施用γ-PGA可能通过改变根际微生物群落组成和潜在功能来增加植物钾含量和生物量。
图3 γ-PGA条件下的微生物群对番茄植物生物量、磷、氮、钾含量及根际细菌群落组成的影响
3、γ-PGA通过丰富两种钾溶性假单胞菌菌株促进植物生长。
为了验证富含γ-PGA条件下的微生物群落的细菌对植物生长促进效果，在微生物移植实验结束时从这些处理样本中分离出了161个独特的细菌菌株。成功获得了四个分离物（图4A)，其中菌株L20和L16在定性和定量测试中均表现出高钾溶解能力。另一项温室实验表明，硝化还原菌L16和蒙特利尔菌L20生物接种剂都能增加番茄的生物量和钾含量（图4B和4C)。因此，这两种假单胞菌属可能在解释γ-PGA补充剂促进植物生长的效果方面更为重要。
图4 通过γ-PGA条件下的微生物群移植富集溶钾细菌
4、硝化还原菌L16和蒙特利尔菌L20的钾（K）溶解机制
由于细菌的k-增溶作用通常归因于酸化作用，首先测试了硝化还原菌L16和蒙特利尔菌L20是否改变了其生长介质的pH，以及这是否与k-增溶作用有关。实验发现，耗尽生长介质的pH值明显下降，尤其是硝化还原菌L16，蒙特利尔菌L20的程度较轻，表明酸化（图5A）。pH的降低是由于硝化还原菌L16产生草酸和丙酮酸，蒙特利尔菌L20产生草酸、丙酮酸和乳酸（图5B和5C）。硝基还原剂硝化还原菌L16的生长导致生长培养基中速效钾水平升高，当生长培养基被缓冲至pH7时，这种效应显著降低，防止了酸化。这表明，硝化还原菌L16通过酸化周围环境和释放矿物K中的结合K离子来促进有机酸的溶解。相反，缓冲生长介质对蒙特利尔菌L20的溶解K效率没有显著影响(图5D)，这表明有机酸的产生并不是这种细菌k-溶解作用的关键机制。
图5 通过γ-PGA富集的细菌的钾溶化机制
5、γ-PGA通过刺激微生物群，特别是芽孢杆菌种类， 间接丰富了两种K-溶剂化假单胞菌株
为了测试γ-PGA是否直接促进了硝化还原菌L16和蒙特利尔菌L20的生长，以γ-PGA作为唯一碳源培养这两种细菌，并测量了废培养基中的γ-PGA含量。结果发现，无论是硝化还原菌L16还是蒙特利尔菌L20，其γ-PGA含量均未显著增加。蒙特利尔菌L20菌株能够利用γ-PGA促进自身生长（图6A-B），这表明它们必定间接受益于γ-PGA的应用。为了验证这些间接益处是否由特定途径介导，测量了其他分离微生物在以γ-PGA为唯一碳源时的生长情况。发现γ-PGA显著促进了161种独特的根际细菌中的35种的生长（图6C）。
图6 γ-PGA通过刺激芽孢杆菌群落增加了P. nitroreducens L16和P. monteilii L20的密度。
6、硝化还原菌L16与蒙特利尔菌L20之间的代谢相互作用
在共培养中，发现硝化还原菌L16和蒙特利尔菌L20的联合K-溶解效率分别比单独培养的硝化还原菌L16或蒙特利尔菌L20高8.2%和12.4%（图7A）。这两个物种还具有潜在的交互作用，硝化还原菌L16的生长明显被蒙特利尔菌L20的代谢物促进（图7C-D）。代谢组学分析发现甘油醛、L-2-羟基戊二酸和3-羟基己酸由蒙特利尔菌L20大量产生，并且这些相同的化合物被硝化还原菌L16从上清液中显著还原，表明它们对交叉取食相互作用的重要性（图7E），3-羟基癸酸对硝基还原剂硝化还原菌L16的交饲效应进一步通过化学标准实验证实。
图7 氮还原假单胞菌L16与蒙特利尔假单胞菌L20之间的代谢相互作用。
研究结论
结果表明，由微生物产生的胞外聚合物（γ -PGA）这种化合物通过促进根际细菌之间的交叉取食网络对植物有益，突出了利用微生物衍生的复杂底物作为催化剂提高农业生产力的机会。
其中施用聚γ -谷氨酸增加了P. nitroreducens L16（硝化假单胞菌L16）和P. monteilii L20（蒙特利尔假单胞菌L20）丰度，这两种细菌分别通过分泌溶钾丙酮酸和螯钾铁载体促进番茄钾同化。虽然这两种假单胞菌都不能直接代谢γ-PGA，但γ-PGA的施用促进了芽孢杆菌的生长，而芽孢杆菌产生的代谢物又能促进P. nitroreducens L16和P. monteilii L20的生长，使植物促生菌之间产生共生的交叉取食作用。
