基于泡叶藻的生物刺激剂通过调控玉米根系分泌物重塑根际细菌群落促进植物健康

本研究针对植物生物刺激剂作用机制不明确的问题，探讨了泡叶藻提取物（ANE）对玉米根际微生物群落的影响。研究发现ANE处理通过改变根系分泌物化学成分（如苯并噁唑类化合物DIMBOA和MBOA），显著促进假单胞菌CHA0的集群运动性和抗菌基因表达，并增加根际有益菌群丰度。该研究揭示了ANE通过植物-微生物互作调控根际微环境的新机制，为开发绿色农业投入品提供了重要理论依据。

　　

随着全球人口预计到2050年达到97亿，粮食安全面临严峻挑战。传统农业生产依赖化肥农药，但这些化学制剂对环境和健康的负面影响日益凸显，长期使用还会破坏土壤微生物群落结构。植物根际微生物组作为土壤-植物系统的关键组成部分，通过促进有机质分解、养分活化、固氮等过程直接影响植物健康。然而，如何通过天然手段调控根际微环境仍是农业领域的重大挑战。

海藻提取物作为植物生物刺激剂在农业中的应用已有数十年历史，其中泡叶藻（Ascophyllum nodosum）提取物（ANE）因其促进植物生长和增强抗逆性的效果备受关注。研究表明ANE能提高多种作物对盐胁迫、干旱胁迫的耐受性，并增强对病原菌的抵抗力。但迄今为止，其作用机制仍不明确，特别是对根际微生物群落的影响尚未系统研究。

发表在《BMC Plant Biology》的这项研究首次从根际微生物调控的角度揭示了ANE的作用机制。研究团队通过水培和土培实验，采用根际灌浇和叶面喷施两种方式处理玉米植株，运用16S rRNA测序技术分析细菌群落结构，通过液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）分析根系分泌物化学成分，并结合假单胞菌CHA0的基因表达实验，系统阐述了ANE如何通过改变根系分泌物组成来重塑根际微生物群落。

关键技术方法包括：采用16S rRNA基因V3/V4区测序分析根际土壤细菌群落结构；使用液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）进行根系分泌物非靶向代谢组学分析；通过游泳板实验测定细菌趋化性；采用定量RT-PCR技术检测假单胞菌CHA0中chemotaxis（cheA、cheW、cheV）、pyoverdine（pvdS）、pyrrolnitrin（prnD）和hydrogen cyanide（hcnA）合成相关基因的表达水平。

根际分泌物促进假单胞菌运动性

研究发现，经0.01% ANE根处理的玉米根系分泌物显著促进了Pseudomonas protegens CHA0的集群运动，细菌移动距离达到75毫米，而对照组仅为68毫米。值得注意的是，直接使用ANE处理而不含根系分泌物并未产生类似效果，表明ANE是通过改变植物分泌物成分间接影响细菌行为。

基因表达调控机制

qRT-PCR分析显示，ANE处理显著上调了CHA0菌株多个关键基因的表达。根处理0.01% ANE（T2）使chemotaxis基因cheW表达上调2倍，pyoverdine合成基因pvdS表达上调5.4倍，hydrogen cyanide合成基因hcnA表达上调11倍。叶面喷施0.1% ANE（T4）也表现出类似效果。这些基因涉及细菌趋化性、铁载体合成和抗菌物质产生，表明ANE通过调控多重代谢途径增强细菌的根际定殖能力。

根际细菌群落结构变化

土培实验显示，0.01% ANE根处理（T2）使可培养细菌菌落形成单位（CFU）数量增加约2倍。16S测序分析表明，ANE处理显著改变了根际细菌群落组成，其中Chryseolinea菌属在叶面喷施0.01% ANE处理下增加22倍，Phycisphaera在根处理0.01% ANE下增加6.4倍。其他有益菌属包括Novosphingobium（固氮作用）、Quadrisphaera（抗菌活性）、Kitasatospora（抗真菌和杀线虫化合物合成）等也显著增加。

根系分泌物化学组成变化

LC-HRMS分析发现，ANE处理显著改变了根系分泌物的化学特征。PLS-DA分析显示不同处理组的根提取物样品形成明显聚类，与对照组分离。关键差异化合物被鉴定为苯并噁唑类化合物，包括2,4-二羟基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮（DIMBOA）和6-甲氧基苯并噁唑啉酮（MBOA）。定量分析表明，0.01% ANE根处理使DIMBOA和MBOA在根中的浓度分别提高1.4倍和1.76倍。

研究结论表明，Ascophyllum nodosum提取物通过改变玉米根系分泌物的化学成分，特别是增加苯并噁唑类化合物DIMBOA和MBOA的积累，进而影响根际细菌群落结构和功能。这些化学变化增强了有益细菌如Pseudomonas protegens CHA0的趋化运动和抗菌基因表达，最终形成更有利于植物健康的根际微环境。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了海藻生物刺激剂通过植物-微生物互作调控根际环境的作用机制，为开发基于微生物组管理的农业技术提供了新思路。研究结果表明，植物生物刺激剂不仅能直接促进植物生长，还能通过间接调控根际微生物群落发挥更广泛的生态功能，这对减少农业对化学投入品的依赖、发展可持续农业具有重要实践价值。