兰州大学熊友才课题组揭示根际促生菌根和丛枝菌根真菌共接种促进旱地小麦应对干旱胁迫的机制

责编 | 王一

丛枝菌根真菌 (AMF) 可与多达80%的陆生植物建立共生关系，并可作为生物调节剂，通过增加根系面积、改善根际土壤、防御氧化损伤、提高叶绿素含量、光合速率、气体交换特征和提高水分利用效率等机制帮助宿主植物克服干旱胁迫。同时，可大量产生ACC-脱氨酶的PGPR物种可以帮助植物增强生长激素的分泌，促进植物在胁迫条件下的生长。前人研究表明AMF与PGPR双接种可以增加有机酸、可溶性糖、活性氧清除物质和抗氧化酶的合成，降低水分胁迫下植物的Na+水平，防止植物病原体，提高作物产量。然而，双接种是否可以帮助旱地作物抵抗干旱胁迫，促进增产尚不清楚。

近日，兰州大学生态学院、草地农业生态系统国家重点实验室熊友才教授课题组在Plant and Soil发表题为Moisture‑ and period‑dependent interactive effects of plant growth‑promoting rhizobacteria and AM fungus on water use and yield formation in dryland wheat研究论文，揭示了植物根际促生菌 (PGPR) 和丛枝菌根真菌 (AMF) 双接种协助旱地小麦建立干旱胁迫适应机制，促进旱地小麦的水分利用效率和产量增加，是一种很有前景的应对干旱条件的解决方案。

研究人员基于盆栽实验在充足水分 (WW; 80%田间持水量) 、中度水分胁迫 (MWS; 50%的田间持水量) 和重度水分胁迫 (SWS; 35% 田间持水量) 三种水分梯度下，将AMF和PGPR单独或联合添加到小麦的根际土壤中，以不添加AMF和PGPR为对照。在小麦发育的三个阶段 （分蘖期、开花期和收获前) 分别测定小麦植株ACC激素积累量、菌根定殖率、微生物生物碳、微生物生物氮、小麦叶片的叶绿素含量和胡萝卜素含量以及光合作用和气体交换特征，并对这些指标进行了主成分分析 (PCA) 。

图为(a) 丛枝菌根真菌 (AMF) 和植物根际促生菌 (PGPR) 共接种 (AMF-PGPR)、仅接种 PGPR 或 AMF 以及空白对照（未接种）对小麦植株生长的影响；(b) 筛选 PGPR 分离物以产生 1-氨基环丙烷-1-羧酸 (ACC) 脱氨酶:1. 解淀粉芽孢杆菌2. 巨大芽孢杆菌3. 地衣芽孢杆菌4. 谷氨酸棒杆菌；(c)小麦根部菌根定殖的光学显微照片

结果表明，在中 (MWS) 、重度干旱胁迫 (SWS) 下，与对照 (不添加，CK) 相比，PGPR和AMF处理的水分利用效率分别提高27.9 ~ 34.3%和20 ~ 22.1%，产量分别提高20.03 ~ 30.77%和12.13 ~ 34.34%。与MWS和SWS处理单次接种的平均值相比，AMF和PGPR共接种显著提高了11.12 ~ 27.77%和18.26 ~ 21.68%的生物量水分利用效率。产量水分利用效率和生物量水分利用效率变化趋势相似。特别是上述参数随发育阶段延长而显著增强 (p <0.05) 。ACC脱氨酶显著降低了MWS和SWS处理中ACC的积累，增强了AMF根系定殖，提高了三个发育阶段根际微生物生物量碳氮水平。此外，AMF-PGPR共接种提高了开花期叶绿素和类胡萝卜素含量，降低了采收前期叶绿素和类胡萝卜素含量。在整个生长季节，水分吸收和根系活动的增强都提高了光合特性。

图为三个发育阶段（分蘖期、开花期和收获前)不同接种处理下（AMF-PGPR共接种、只有PGPR或AMF和对照(未接种)）不同水环境处理的主成分分析

综上所述，该研究揭示了AMF-PGPR共接种通过刺激微生物机制 (如ACC脱氨酶活性) 和植物叶片生理机制 (如叶绿素类胡萝卜素含量、光合机制和气体交换属性) 帮助旱地小麦建立干旱胁迫适应机制，有助于提高旱地小麦根系活性和水分利用效率。这项工作使 AMF-PGPR共接种技术有可能成为半干旱地区的生产者和发展中国家的农民实现可持续作物种植方法的合理方法。

兰州大学生态学院草地农业生态系统国家重点实验室熊友才教授为该论文通讯作者，其实验室硕士研究生Muhammad Maqsood Ur Rehman、甘肃省科学院生物研究所甘肃省微生物资源开发与应用重点实验室祝英研究员为该论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金项目 、甘肃省科学院应用开发项目 、甘肃省科学院优秀青年基金项目 和“111”计划项目 等项目的资助。

https://doi.org/10.1007/s11104-022-05641-9