根瘤菌属日本慢生根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）菌株作用下大豆不同器官间氮、碳同位素分配特征

《Plants》：Isotopic Nitrogen and Carbon Allocation Among Soybean Plant Parts Under Impact of Bradyrhizobium japonicum Strains

　　

在不利环境与气候条件下，植物如何调控氮（N）和碳（C）在不同器官间的分配，仍然是一个重要挑战，尽管这一过程直接影响植物残体及农产品的利用价值。因此，本研究旨在通过稳定同位素比值考察两种成熟组不同的大豆品种——Merlin 和 Laulema——在接种不同固氮日本慢生根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）菌株后的氮和碳动态。研究人员在盛花期（R2）和完全成熟期（R8）分析了大豆各器官中的氮、碳含量及其同位素比值。结果表明，大豆品种与所选 B. japonicum 菌株总体上具有良好的相容性，每株最多可形成 32 个根瘤；然而，根瘤数量存在显著差异。从生理学角度看，大豆品种与固氮菌株均可显著影响根、地上部、茎、荚和种子等不同器官中的氮稳定同位素比值，两品种在不同器官间的 δ（¹⁵N）变化趋势相似。相比之下，碳稳定同位素组成的主要差异表现于品种间，而较少受处理措施影响。开花期根和地上部的氮含量较高，至成熟期根中氮含量下降约 2 倍、地上部生物量中下降约 5 倍，反映出为支持种子形成而发生了广泛的氮再转运。从农艺学角度看，接种后的 Merlin 产量最高，超过 3 t ha^?1。然而，共生作用对较低产的 Laulema 也具有增产效果，使其产量可接近高产品种。大豆接种不仅影响了植株内部同位素的再分配，也被证明是提高种子氮含量的有效措施，其中 AGF78 菌株形成根瘤数量最多，并使种子中氮含量显著提高，其次为 SEMIA5079，效果最弱的是 RF10。

该论文发表于《Plants》，聚焦于冷凉温带有机栽培条件下大豆—根瘤菌共生体系中氮、碳在植株不同器官间的分配规律。研究背景在于，欧洲推动蛋白作物发展的背景下，大豆在较冷地区的扩种具有现实需求，但低温、长日照及土著高效根瘤菌缺乏等因素限制了生物固氮（BNF，生物固氮）效率与产量形成。尽管已有研究证明接种可改善冷凉气候下大豆生产表现，但不同日本慢生根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）菌株如何影响大豆体内氮、碳积累及其稳定同位素分配，尤其是在不同成熟型品种中的表现，仍缺乏系统认识。稳定同位素天然丰度分析可追踪元素来源、转运与分配过程，因此该研究旨在阐明接种处理是否改变大豆不同器官中的氮、碳含量及 δ（¹⁵N）和 δ（¹³C）特征，并比较其在两个品种中的差异，为冷凉地区有机大豆生产和菌剂筛选提供依据。

研究人员在立陶宛农业与林业研究中心有机管理试验田中，设置随机区组试验，比较两个大豆品种 Laulema 与 Merlin 在未接种对照、施用有机颗粒肥以及接种 3 种商品化 B. japonicum 菌株条件下的生长表现。研究结论表明，接种显著影响了氮在不同器官间的再分配过程，且这种影响在成熟期最为明显；与品种相比，处理方式及菌株类型对 δ（¹⁵N）的解释度更高，而 δ（¹³C）更多反映品种固有的生理与发育差异。AGF78 和 SEMIA5079 表现出更优的结瘤与促氮积累能力，尤其能提高种子氮含量，并促进低产品种 Laulema 的产量接近高产品种 Merlin。该研究的重要意义在于证明了稳定同位素方法能够有效揭示共生固氮背景下大豆体内氮、碳分配机制，并说明在北欧冷凉地区，通过针对性接种高效菌株可减少对合成矿质氮肥的依赖，提升有机大豆生产力与蛋白产出。

作者采用的主要技术方法包括：在立陶宛 Akademija 有机农田开展田间随机完全区组试验，样本来源为 2024 年生长季种植的 Laulema（0000 组）与 Merlin（000 组）大豆；设置未接种对照、颗粒有机肥处理及 3 种 B. japonicum 商品菌剂接种处理；于盛花期（R2）和完全成熟期（R8）分器官采集样品；利用元素分析仪联用同位素比值质谱仪（IRMS，同位素比值质谱）测定 N、C 含量及 δ（¹⁵N）、δ（¹³C）；结合单因素方差分析和双因素方差分析评估菌株、品种及其互作效应，并据植株密度估算单位面积氮、碳积累量。

在结果部分，论文首先报告了不同处理对盛花期与成熟期大豆氮稳定同位素比值及氮含量的影响。研究显示，接种植株均形成根瘤，说明供试菌株与两个品种总体相容，但根瘤数量存在显著菌株差异。AGF78 在两个品种中均形成最多根瘤，RF10 最少，单株最高达 32 个，但根瘤干重处理间差异不显著。盛花期时，地上部 δ（¹⁵N）在处理间存在统计学差异，而根部 δ（¹⁵N）变化不明显；多数接种处理降低了地上部氮同位素比值，仅 RF10 在两品种中均表现出高于对照的趋势。所有处理中地上部 δ（¹⁵N）均高于根，表明根向地上部转运过程中存在同位素分馏，但接种处理中的这种分馏弱于对照。氮含量方面，盛花期地上部总体差异不大，Merlin 接种 RF10 时地上部氮含量最高；Laulema 根部氮含量显著低于 Merlin。

在完全成熟期，氮动态模式发生明显改变。根部 δ（¹⁵N）在接种处理中高于对照和施肥处理，其中 AGF78 与 SEMIA5079 效应最强；而茎和荚的 δ（¹⁵N）在接种处理中显著降低，种子中该差异更为突出。这说明成熟期不同器官间的氮来源与分配格局已发生重构，且接种增强了根与地上繁殖器官之间的同位素判别。与此同时，根中氮含量降至开花期的一半左右，茎和荚中氮含量也降至较低水平，而种子氮含量最高，反映营养器官中的氮大量向籽粒再转运。

在“品种与处理对氮同位素特征的影响”部分，研究人员通过双因素方差分析指出：盛花期根部 δ（¹⁵N）不受显著影响，但地上部 δ（¹⁵N）同时受处理和品种影响，且处理解释的变异更大；菌株与品种互作不显著。成熟期时，根、茎和荚的 δ（¹⁵N）主要受处理影响，而种子 δ（¹⁵N）同时受菌株、品种及二者互作影响，说明种子作为主要库器官，其氮获取与分配更具品种特异性。论文据此总结，不同器官对氮同位素信号的响应具有明显器官特异性，种子最敏感。

在“氮积累及品种和处理对氮含量的影响”部分，研究人员进一步比较了单位面积氮、碳积累量。盛花期根部累积氮差异最大，SEMIA5079 处理在 Merlin 和 Laulema 中均达到最高值，而施肥与 RF10 处理最低。地上部总氮及各器官碳积累量未表现出显著统计差异，但均值趋势支持接种具有促进作用。成熟期根部总氮差异减小，而种子中的差异最突出：Merlin 接种 AGF78 时种子氮显著升高；Laulema 中施肥对种子总氮总体呈负面影响，接种虽未显著提高，但呈上升趋势。双因素分析进一步表明，盛花期根氮浓度受菌株、品种及互作共同影响，地上部氮主要受菌株影响；成熟收获期根氮浓度同样受菌株、品种及互作影响，而茎荚和种子中的氮浓度主要受菌株影响。这些结果说明 B. japonicum 菌株是影响成熟期全株氮状态的重要因素。

在“不同大豆品种间碳变化”部分，论文显示碳稳定同位素比值、碳含量和碳氮比（C/N）具有明显的发育阶段与器官特异性。盛花期根和地上部间 δ（¹³C）差异较小，提示碳同化与转运过程中的同位素分馏有限，且处理与品种差别整体不大。至成熟期，根、茎和荚的碳含量与开花期相近，但 C/N 明显增加，表明氮因衰老和向种子再转运而减少。种子则具有较高碳含量和持续较低的 C/N，说明其是生殖阶段碳、氮共同汇聚的主要库。种子中的 δ（¹³C）低于营养器官，提示灌浆期间新同化碳或经代谢分馏的碳优先分配至种子。统计分析表明，δ（¹³C）主要受品种影响，特别是在种子中最显著；处理主效应多数不显著，仅在种子中观察到品种与处理互作效应。这表明碳同位素组成更多反映品种固有生理特征，如水分利用效率（WUE，水分利用效率）相关差异，而不是接种本身。

在“接种与未接种大豆的生产力参数”部分，研究人员比较了产量及籽粒性状。Merlin 的最高籽粒产量达到 315 g m^?2，折合 3150 kg ha^?1，为所有处理中最高。尽管 Laulema 整体产量较低，但接种后其产量可与 Merlin 相当，尤其是 SEMIA5079 处理效果突出。两品种间千粒重差异主要由遗传背景决定，Merlin 籽粒较小，而接种总体上增加了两品种的粒重。种子蛋白含量的提升最为显著，接种处理，尤其是 SEMIA5079 与 AGF78，均明显优于对照和施肥处理。由此可见，接种不仅影响元素分配，还直接改善了农艺产出和品质指标。

讨论部分围绕稳定同位素在解析植物体内元素流动中的价值展开。作者指出，豆科植物若主要依赖大气 N₂，其 δ（¹⁵N）通常接近 0‰；而有机肥来源氮往往具有更高且更可变的同位素特征。同一物种不同品种之间也会因遗传、生理和生态差异而产生同位素差别。该研究测得植物组织 δ（¹⁵N）总体变幅超过 5‰，δ（¹³C）变幅约 3‰，说明即使在天然丰度尺度下，接种效应仍足以区分不同处理。盛花期是根系活性、结瘤和固氮强度较高的关键时期，因此适于识别早期氮来源与转运特征。成熟期则体现了从营养器官向生殖器官再分配的后期过程。研究人员结合结果认为，AGF78 与 SEMIA5079 在结瘤和促进氮向籽粒积累方面最有效，而 RF10 的兼容性和促进效应较弱。对于碳而言，品种差异比管理措施更重要，提示成熟类型、生育历期和与水分利用相关的生理差异可能主导 δ（¹³C）变化。总体上，接种主要改变的是养分平衡与氮再分配，而非总碳储存量。

研究结论部分可译为：接种日本慢生根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）菌株能够形成有效根瘤，并影响大豆不同器官中的氮分配，尤其在成熟期表现突出。与大豆品种相比，处理方式及 B. japonicum 菌株类型对 δ（¹⁵N）变异的解释度更高。相反，δ（¹³C）的变异更多由品种决定，而接种或施肥对其影响总体较小，这反映了不同品种固有的生理与发育差异。因此，稳定同位素天然丰度分析是理解大豆体内氮、碳分配的稳健且信息丰富的方法。成熟期种子中的氮获取与分配存在明显的处理和品种特异性差异，而根、茎和荚中的碳、氮含量变化较小。接种在成熟期持续影响所有器官的氮浓度，其中种子差异最明显；在 Laulema 中种子氮含量提高约 12%–13%，在 Merlin 中提高约 24%–25%，以 AGF78 和 SEMIA5079 效果最佳。由此，接种可提升低产品种 Laulema 的产量，使其接近高产品种 Merlin。这些发现表明，策略性接种有助于缩小品种间产量差距，促进冷凉温带地区有机大豆栽培扩展；AGF78 和 SEMIA5079 在北欧气候条件下表现优越，可作为提高籽粒和蛋白产量、降低对合成矿质肥依赖的重要农学生态学基础。