根际促生细菌诱导植物产生干旱耐受性的生理机制

One of the proposed mechanisms by which plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) enhance plant growth is the production of phytohormones, particularly cytokinin (CTK). However, information is lacking on how the inoculation of CTK-producing PGPR alleviates water stress at drought conditions. By clue of CTK and according to the functional mechanism of PGPR and physiological drought, we infered that the PGPR could alleviate drought stress by influening the CTK synthesis and redistribution and interfering with the suppression of chlorophyll contents and photosystems suppression based on colonization in the rhizosphere soil and root surface at drought conditions. Considering the beneficial effects of CTK-producing PGPR at drought stress conditions, the bacterial isolates were screened using a bioassay for CTK production. Plant hormones produced by the bacterial isolates were quantitatively detected. Plant physiological responses to CTK-producing PGPR inoculation and the colonization characteristics in the rhizosphere soil at drought conditions were evaluated. We propose that the PGPR induced biological activity enhancement of rhizosphere soil, phytohormone and chlorophyll production, and stomatal changes, which enhanced tolerance to drought stress. The results of this study will provide scientific basis and technical support for afforestation and vegetation ecological restoration in arid environments.

产植物激素，尤其是细胞分裂素（CTK）是根际促生细菌（PGPR）促进植物生长的重要机理之一。然而，很少有将产CTK的PGPR应用到植物干旱耐受性中的研究报道。以CTK的功能机制为线索，结合PGPR的作用机理和植物的干旱生理分析，我们推测，如果PGPR能长期稳定的定殖在干旱的植物根际环境中，便可影响CTK在植物体内的合成及再分配，抑制光合色素分解，缓解抗氧化胁迫对光系统的损伤，从而影响植物的干旱逆境适应能力。为证实该推测，本研究拟利用生物学的筛选方法，结合CTK的定量检测结果，筛选产CTK的PGPR。针对此类PGPR，研究其在植物根际和根表的动态定殖特征，探索植物对干旱逆境下接种PGPR的生理响应特征。利用PGPR的生物学潜力（对土壤生物活性、植物激素、光合色素及气孔的调节功能），诱导植物产生干旱系统耐受性，提高植物在干旱环境中的适应能力，为干旱地区造林及植被恢复提供科学依据和技术支撑。

基于科学界广泛认可的根际效应现象，本项目以细胞分裂素（CTK）的功能机制为线索，创新性研究提出以“控制根际样品来源+激素定量检测+菌株干旱耐受性”为核心的植物根际促生细菌（PGPR）筛选技术，最终筛选确定4株干旱逆境下具有应用潜力的PGPR。分别鉴定为Bacillus cereus L90、B. subtilis Z77、B.fusiformis L106和Acinetobacter calcoaceticus X128。4株PGPR的16S rRNA基因序列提交到Genbank的编号分别为KC428751、KC428746、KC428752和KC428748，已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。在CTK合成、运输及再分配研究的基础上，从气孔和非气孔限制、光合色素合成分解、叶绿素荧光、干物质分配等角度系统揭示了PGPR 影响轻基质容器苗木干旱耐受性的生理机制。干旱环境下接种PGPR增加叶片中CTK含量6.49%~19.46%，抑制非气孔因素限制阶段叶绿色色素的分解，可促使根尖产生的ABA随水分运输到叶片中，促使叶片中ABA含量增加27.4%以上，而根部ABA含量降低17.6%以上。通过CTK和ABA的综合调节，有效延缓干旱胁迫下非气孔因素对林木光合作用的限制，这可能是PGPR提高林木干旱适应能力的主要原因。豆芽汁营养液稀释菌剂，吸附到交联聚丙烯酰胺中，可提高干旱逆境下微生物的有效活菌数，提高幅度达19.45%~664.05%。CLP-PGPR凝胶方式更有利于接种微生物的定殖存活，可改善造林苗木根际土壤的微生态环境，增强植物干旱耐受性的同时促进植物生长，提高造林成活率。该成果阐释了CTK合成、运输及再分配在PGPR提高林木干旱耐受性中的关键作用，这对制定干旱PGPR的筛选策略，提高林木干旱耐受性研究提供了重要依据。