植物根际促生菌（PGPR）与γ-PGA联合施用缓解盐碱胁迫，促进作物生长

土壤盐碱化对资源和生态系统构成严重威胁，也成为限制植物生长和农业发展的重要因素。过量的盐离子不仅会对植物造成离子刺激和中毒，还会减少植物对其他营养物质的吸收，导致植物营养失衡，严重影响植物生长。植物根际促生菌和γ-聚谷氨酸的应用在提高植物在非生物胁迫下的耐受性方面具有潜在作用，曾文志等研究了植物根际促生菌（PGPR）和γ-PGA联合作用对盐胁迫下玉米生长和根际微生物群落的影响。

植物根际促生菌（PGPR）可以促使植物发展生理生化机制来抵抗盐胁迫，以应对盐胁迫的负面影响。这种机制主要包括：调节植物激素的浓度;增强抗氧化活性物质的含量，促进渗透调节物质的产生，调节1-氨基环丙烷-1-羧酸酯（ACC）脱氨酶的活性，产生细胞外多糖，调节耐药性相关基因和盐相关蛋白质的表达然而，土壤中的外源植物根际促生菌（PGPR）容易受到土壤和天气等因素的影响，造成部分损失。

γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种最初在纳豆中发现的聚合物。由于γ-PGA分子链上存在大量的侧链羧基，可以在分子内部或分子之间形成氢键，使其具有极强的保湿性和吸水性。这些特殊的化学性质使γ-PGA在农业中得到广泛应用，它可以作为肥料吸收剂、重金属吸附剂、饲料添加剂、保湿剂和药物缓释剂等，对人体和环境无害。因此，植物根际促生菌（PGPR）与γ-PGA协同合作在提高植物耐盐性方面的研究与应用逐渐受到关注。

1.实验材料

采集两种盐渍土在0-20 cm表层土壤上进行。将收集的土壤干燥 1-2 周，然后通过 2 毫米的筛子过滤以去除土壤中多余的杂质。将筛分后的土壤与蒸馏水以2：1（w：w）的比例混合，在120°C下高压灭菌20分钟（重复两次）以备后续使用。收集的土壤的基本性质如表1所示。

2.实验方法

在塑料罐中进行罐实验。填充土堆积密度和高度为1.45g/cm3和17厘米。用大约6公斤的土壤填充每个花盆。以M10为第一影响因素，包括对照组（CK）和接种M10（M10）的治疗组;以土壤盐碱化为第二影响因素，包括S1土壤盐渍化处理组（S1）和S2土壤盐渍化处理组（S2）；以材料γ-PGA为第三影响因素，包括无γ-PGA的处理组（γ0）和添加γ-PGA的处理组（γ1）。对上述3个因子进行了全因子实验设计。处理分组方案如表2所示。每个处理有6个重复，总共48个罐。

3. 玉米形态、生物量、养分、离子含量和气孔指标的测定

玉米萌发后第41天，测定株高、叶面积和气孔导度。对于株高，使用钢尺测量每次处理中的12株玉米;对于叶面积，选择5株在每次处理中生长一致的玉米植株，标记用于后续的植株测量，并分别测量长度和宽度;对于气孔导度，选择从顶部开始的第一个完全展开的叶子，并使用LI-600荧光气孔计测量距主茎15 cm处的气孔导度指标，避开叶片的主脉。主要参数包括气孔导度、蒸腾速率、实际光化学量子效率和电子转移速率。此外，选取6株生长一致的玉米植株，取出其地上部分，在105°C下干燥30分钟，然后在75°C下干燥至恒重，用于测量干重。对于干燥叶片，选取部分叶片进行总氮（TN）、全磷（TP）和钠离子（Na）和钾离子（K）含量的测定。对于地下部分，选择与植物地上部分相对应的玉米根系，冲洗土壤，获取根样，用于测量TN、TP、Na和K。

本研究表明，M10和γ-PGA联合施用在改善玉米生长（图1、图S1和表S1）和提高养分含量（图S2）方面具有非常显著的优势，特别是在S2盐胁迫下。一方面，芽孢杆菌有可能在盐胁迫下触发IAA、细胞分裂素和磷酸盐溶解，这些特性将全面作用于玉米的生长过程;另一方面，由于γ-PGA是一种可生物降解、无毒、多功能的生物聚合物，它可以促进土壤团聚体的形成，从而增强M10菌株在根系中的定植。

离子的积累基于生物量乘以离子浓度，这更好地表明了植物修复效率。M10和γ-PGA的联合施用显著降低了Na在根叶中的积累，特别是在S2土壤下（图S3），并增加了生物量（图1和图S1）。M10和γ-PGA的联合施用提高了玉米盐碱度修复效率。

图 1.植物根际促生菌（PGPR）和γ-PGA对植物指标的影响

盐度降低了土壤中的微生物多样性（图2）。盐度和钠对微生物生物量碳有极其不利的影响，对微生物的生长和种群产生不利影响，并最终降低微生物活性，这也是盐胁迫下CK和M10处理中独特OUT数量减少的原因（图3).与未接种菌株相比，菌株M10可以增加S2土壤盐碱化条件下微生物群落的多样性（图2），这可能是由于M10对根系的定植。此外，虽然添加γ-PGA对S1和S2土壤条件下的微生物多样性没有显著影响（图2），但它增加了M10菌株中独特的OTU（图3）。可能是由于γ-PGA的帮助，在菌株M10处理中，独特的OUT数量增加了。PCoA表明，菌株M10、γ-PGA和盐都能影响根际土壤细菌群落结构（图4和S6）。在菌株M10和γ-PGA的联合处理中，玉米生长指标和养分含量最高。

图 3.植物根际促生菌（PGPR）和γ-PGA对不同治疗中常见和独特OTU数量的影响。

图 4.植物根际促生菌（PGPR）和γ-PGA对玉米根际微生物群落结构的影响

在我们的实验中，从门和物种分类水平区分了不同处理下的重要优势物种。在门分类水平上，厚壁菌门在8个处理中的差异极为明显（P<0.01）。在S2土壤盐渍化条件下，菌株M10和γ-PGA在一定程度上显著提高了玉米根际土壤厚壁菌门的比例（图5）。本实验中的M10菌株被确定为厚壁菌门下芽孢杆菌属的菌株。

1. γ-PGA与水的结合增加了根际土壤粘度，这一特性增强了菌株M10的富集。

2.  γ-PGA可以提高潜在植物生长促进细菌（PGPB）的相对丰度，这与我们的发现一致。

3.  M10和γ-PGA联合施用显著提高了玉米根际土壤中Bacillus_firmus_g_Bacillus和Bacillus_selenatarsenatis种的比例（图6）。

4.  接种 Bacillus firmus SW5可以通过产生渗透调节物质、减少活性氧的产生、激活抗氧化防御系统和介导对非生物胁迫（包括高盐）的耐受性来调节大豆植物在盐胁迫下的生长，其次，该物种的一些菌株具有很强的耐碱性。

因此，M10和γ-PGA的联合应用可以促进有益细菌的富集，改变微生物群落的结构，从而有助于提高对盐胁迫的抵抗力。

图 7.与玉米根钾指标相关的核心贡献菌株的可视化

土壤中高度相互关联的微生物群落在调节土壤功能方面起着至关重要的作用，这些微生物在土壤养分循环和植物相互作用中至关重要。因此，为了全面、系统地了解根际微生物群落帮助植物适应不同盐碱环境的反馈机制，本研究利用分子生态网络分析，分析了与上述5种植物生长指标显著相关的玉米关键微生物菌株（图6、图7）以及中心微生物菌株之间的相互作用（图8）。结果表明，与S1土壤盐分相比，S2土壤盐分中与植物生长指标直接相关的菌株数量显著增加（图9）菌株M10接种和γ-PGA施用显著增加了生态网络中与玉米生长指标直接相关的菌株数量（图9），M10和γ-PGA的联合应用可以通过细菌群落之间的合作提高对盐水环境的抵抗力。

图 9.不同处理下关键微生物种类与植物主要生长指标的交互生态网络

1、PGPR和γ-PGA联合施用可显著提高株高、叶面积干重、TN和TP积累，抑制盐胁迫下叶系和根系对Na的吸收。

2、PGPR和γ-PGA联合施用可显著丰富厚壁菌门的比例，促进了植物对盐胁迫的抗性、养分吸收和生长。

3、PGPR和γ-PGA联合施用可刺激与植物生长因子直接相关的菌株数量，对植物生长的价值高于单独施用M10。

Effects of PGPR and γ-PGA on maize growth and rhizosphere microbial community in saline soil