贝莱斯芽孢杆菌HR6-1通过调控根际土壤健康与根系代谢网络增强土壤栽培番茄的耐盐性

《Resources Environment and Sustainability》：Bacillus velezensis HR6-1 enhances salt tolerance of soil-cultivated tomatoes via modulating rhizosphere soil health and root metabolic networks

　　

土壤盐渍化严重抑制番茄生长与产量，阻碍番茄可持续生产。既往研究已证实植物促生根际细菌（PGPR）贝莱斯芽孢杆菌HR6-1可缓解基质栽培番茄的盐胁迫，但HR6-1在土壤栽培体系中的调控机制仍不明确，从而限制了其在盐渍土中的实际应用。为此，研究人员采用多组学方法解析HR6-1介导土壤栽培番茄耐盐性的调控机制。在理化层面，HR6-1可通过降低土壤pH和电导率（EC）、维持有效养分并提高土壤酶活性来改善盐渍根际土壤性质，从而缓解根际界面的盐胁迫。与此同时，HR6-1通过增强抗氧化能力、减轻膜损伤、维持Na⁺/K⁺稳态，并提高氮、磷、木质素和褪黑素的积累，改善了盐胁迫下根系的生理表现。转录组学与代谢组学分析进一步表明，HR6-1调控了多个核心耐盐通路，包括木质素和褪黑素生物合成、生长素/赤霉素信号传导以及抗氧化防御，并伴随离子转运和胁迫响应关键基因的上调。此外，HR6-1通过调节番茄根系分泌物〔腺嘌呤、蔗糖和氨基酸等〕，重塑了盐胁迫下的根际微生物群落，从而招募假单胞菌属（Pseudomonas）和诺卡放线菌属（Nocardiopsis）等有益微生物类群。基因组学、转录组学及体外功能测定进一步验证了HR6-1在高盐胁迫下的促生与盐适应能力。本研究系统阐明了HR6-1增强番茄耐盐性的多层级调控机制，并为盐渍土中番茄可持续栽培提供了有前景的生物学策略，但仍需进一步开展田间验证。

该论文发表于《Resources Environment and Sustainability》，聚焦植物促生根际细菌（PGPR）在盐渍土农业中的应用机理。研究背景在于，土壤盐渍化已成为制约全球农业生产的重要非生物胁迫，番茄作为典型盐敏感作物，在高盐环境中容易发生渗透胁迫、离子毒害和氧化损伤，进而出现养分吸收受阻、根系活力下降和产量降低等问题。尽管芽孢杆菌属（Bacillus）因兼具耐盐性、促生性和根际定殖能力而被视为重要微生物资源，但既有研究多集中于地上部表型改善，缺乏对“土壤—根系—微生物”整体互作网络的系统揭示。此前研究已证实贝莱斯芽孢杆菌HR6-1可缓解基质栽培番茄的盐害，但其在更接近生产实际的土壤栽培体系中，究竟如何通过调节根系生理、代谢重编程、根际土壤性质与微生物群落来提高耐盐性，尚未明确。因此，本研究围绕这一关键科学问题展开，旨在为盐渍土番茄绿色生产提供理论基础与菌剂应用依据。

为解析这一过程，研究人员以土壤栽培番茄为对象，设置未接种未盐胁迫、仅接种HR6-1、仅盐胁迫、接种并盐胁迫4个处理，系统比较HR6-1对根系和根际环境的影响。研究结果表明，HR6-1不仅能够直接提升番茄在盐胁迫下的生长和根系抗逆能力，还可通过改善根际土壤健康、调节根系分泌物组成并重塑有益微生物群落，实现对宿主耐盐性的多层次增强。进一步结合根转录组、根代谢组、根际宏基因组以及菌株基因组和菌体转录组分析，研究人员确认HR6-1介导的耐盐机制涉及离子稳态维持、抗氧化防御增强、木质素与褪黑素合成促进、激素信号调节以及有益微生物招募等关键环节。总体而言，论文得出的核心结论是：HR6-1通过同时作用于植物根系内部生理代谢网络和外部根际生态环境，系统性增强土壤栽培番茄的耐盐性。这一发现的重要意义在于，为植物促生根际细菌在盐渍土改良和设施园艺可持续生产中的应用提供了较为完整的机制框架。

在技术方法方面，研究主要采用多组学整合与生理生态测定相结合的策略。样本来源为河南农业大学毛庄科教园温室表层土壤以及番茄品种Ailsa Craig。研究人员开展了根系生理指标、离子与养分含量、褪黑素和木质素含量测定，分析根际土壤理化性质与酶活性；利用根转录组测序（RNA-seq）、根代谢组与根系分泌物超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）分析、根际土壤宏基因组测序，结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）和相关性分析，解析植物—微生物互作机制；同时对HR6-1开展全基因组测序、菌体转录组分析、体外促生功能测定及根际定殖能力检测，以验证其促生与耐盐潜力。

在研究结果部分，论文首先在“B. velezensis HR6-1 inoculation improved the growth and physiological characteristics of soil-cultivated tomatoes under salt stress”中表明，盐胁迫显著抑制番茄生长，而HR6-1接种后，植株生长受抑程度降低，根系相对电导率（REL）和丙二醛（MDA）含量下降，说明膜损伤和氧化伤害减轻；同时根系活力、脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等活性提高，表明HR6-1增强了根系抗氧化防御。此外，接种处理降低了Na⁺积累，提高了K⁺、总氮和总磷含量，并降低Na⁺/K⁺比值，说明其有助于维持离子稳态和营养吸收。

在“B. velezensis HR6-1 inoculation improved the chemistry properties and enzyme activities of tomato rhizosphere soil under salt stress”中，研究显示HR6-1对正常条件下根际土壤理化性质影响不显著，但在盐胁迫下可显著缓冲土壤pH升高和EC增加，并维持碱解氮、有效磷、速效钾含量。同时，酸性磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶和脲酶活性提高，说明HR6-1改善了盐渍根际土壤的养分供给与生化活性，从根际环境层面为番茄耐盐提供支撑。

在“Influence of HR6-1 inoculation on rhizospheric soil microbial community”中，宏基因组结果表明细菌是根际微生物群落的主体，HR6-1接种提高了放线菌门（Actinomycetota）、厚壁菌门（Bacillota）和拟杆菌门（Bacteroidota）等有益类群的相对丰度。在属水平上，盐胁迫下接种处理进一步提高了Nocardiopsis和Pseudomonas等潜在促生与耐盐相关菌群的丰度，说明HR6-1能够重塑根际微生物群落组成。

在“Effects of HR6-1 inoculation on root exudate composition of tomato seedlings”中，研究鉴定出大量差异根系分泌物，并发现HR6-1接种与盐胁迫共同影响分泌物谱。46种共同上调的分泌物中包含脂类和氨基酸，部分物质如腺嘌呤和蔗糖在接种条件下富集，并与Pseudomonas、Nocardiopsis等有益菌属显著相关。该结果表明，HR6-1可能通过改变根系分泌物信号，促进特定有益微生物在根际募集。

在“RNA-seq analysis of tomato roots”中，研究人员通过根转录组分析鉴定到大量差异表达基因（DEGs），并通过WGCNA筛选出与根鲜重、K⁺、总氮、Na⁺、脯氨酸和抗氧化酶活性相关的关键模块。多个模块富集于植物激素信号转导、苯丙烷生物合成和内质网蛋白加工等通路。进一步鉴定的枢纽基因包括CBL互作蛋白激酶（CIPK）、过氧化物酶（POD）、热激蛋白HSP17.4、细胞色素P450 94A2样蛋白（CYP94A2）以及离子转运相关基因，提示HR6-1通过调节胁迫响应和离子转运关键基因增强根系耐盐能力。

在“Characterization of tomato root metabolome and functional annotation of differential metabolites”中，根代谢组共鉴定3893种代谢物。差异代谢物（DAMs）富集于氨基糖和核苷酸糖代谢、黄酮和黄酮醇生物合成、抗坏血酸与醛酸代谢、核黄素代谢等通路，表明HR6-1显著影响糖代谢、抗氧化代谢及次生代谢，并对氨基酸相关代谢过程具有调控作用。

在“Integrated transcriptome and metabolome analysis”中，整合分析显示，“苯丙烷生物合成”是各比较组中最显著富集的共同通路，“植物激素信号转导”和“二萜类生物合成”也在关键处理中显著富集，说明HR6-1诱导的耐盐性具有明显的转录—代谢协同重编程特征。

在“Correlation analysis of DAMs and DEGs related to lignin and melatonin biosynthesis”中，研究发现木质素合成通路中多个关键酶编码基因，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4-单加氧酶（C4H）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）、阿魏酸5-羟化酶（F5H）、咖啡酸3-O-甲基转移酶（COMT）和肉桂醇脱氢酶（CAD）在HR6-1处理下表达增强，相关代谢物丰度及木质素含量升高。与此同时，褪黑素生物合成相关变化表明HR6-1提高了褪黑素积累。该部分结果说明，HR6-1通过促进细胞壁加固和抗逆信号分子积累，提高番茄根系适应盐胁迫的能力。

在“Correlation analysis of DAMs and DEGs associated with auxin and gibberellin”中，研究显示HR6-1提高了吲哚-3-乙酰胺（IAM）丰度和生长素合成相关YUCCA基因表达，并调节AUX/IAA、ARF、GH3、SAUR等生长素信号基因；同时影响赤霉素（GA）代谢与信号，改变GA₁、GA₁₂、GA₄₄等代谢物丰度及GA20ox、GA3ox、GA2ox、PIF3、PIF4等相关基因表达。该结果表明，HR6-1参与调控根系激素平衡及其信号传递，从而协调生长与抗逆响应。

在“Genome and functional characterization of B. velezensis HR6-1”中，基因组测序表明HR6-1具有完整环状染色体，编码大量与根际定殖、趋化、鞭毛运动、胞外多糖合成、IAA合成、氮代谢、铁载体生成以及养分分解相关基因。体外功能实验进一步验证其具有产生IAA、分泌相关酶类和适应盐胁迫的能力。随后在菌株RNA-seq分析中发现，高盐条件诱导了与鞭毛装配、细菌趋化、细胞运动、IAA生物合成、养分利用、Na⁺/K⁺泵、渗透调节和抗氧化防御相关基因的表达上调。结合根际定殖实验，说明HR6-1在盐环境中仍能维持定殖和促生功能，是其发挥生物学效应的重要基础。

讨论部分围绕“菌株自身耐盐与促生潜力—番茄根系耐盐响应—根际生态调控”三条主线展开。研究指出，HR6-1具备IAA、铁载体和多种分解酶相关功能基础，并在高盐条件下激活耐盐和定殖相关基因，因此能够在盐渍环境中稳定存活并发挥作用。对植物而言，HR6-1通过减轻氧化损伤、维持Na⁺/K⁺平衡、提升氮磷积累和根系活力，直接改善了根系的生理状态；同时通过改善土壤pH、EC、速效养分和酶活性，优化了根际环境。更进一步，HR6-1改变根系分泌物构成，促进Pseudomonas和Nocardiopsis等有益菌富集，形成有利于耐盐的微生物生态网络。在分子层面，HR6-1诱导番茄根系中与木质素、褪黑素、生长素和赤霉素途径相关的转录和代谢重编程，反映出其作用并非单一途径调节，而是跨越营养、离子、激素、次生代谢与微生态多个层面的整合调控。论文也指出，部分机制仍需进一步通过田间试验和后续验证加以确认。

研究结论部分可译为：总之，本研究系统阐明了贝莱斯芽孢杆菌HR6-1增强番茄幼苗耐盐性的作用机制。在生理层面，HR6-1接种增强了抗氧化系统，提高了木质素和褪黑素含量，维持了根系离子与养分稳态，最终缓解了盐胁迫对番茄生长的抑制。此外，HR6-1通过稳定土壤理化指标和水解酶活性改善盐渍土性质，调节番茄根系分泌物，并通过富集有益微生物重构根际微生物群落。在分子层面，HR6-1激活了与木质素和褪黑素生物合成、激素信号转导及抗氧化调控相关的关键通路，从而触发番茄根系的转录与代谢重编程。基因组—转录组特征分析及体外功能鉴定进一步揭示了HR6-1在盐胁迫下的促生潜力。综合来看，这些发现表明HR6-1在提高番茄耐盐性方面发挥整合调控作用，为植物促生根际细菌在盐渍土改良和可持续农业生产中的应用提供了理论依据。未来研究将进一步验证HR6-1在不同天然盐渍土环境和季节条件下提升耐盐性的稳定效果及田间适用性。