研究背景
大豆是全球最重要的蛋白质和植物油来源，其稳定生产对保障粮食安全至关重要。然而，土壤盐渍化作为一种日益严峻的全球性环境问题，严重制约着大豆的生长、发育和产量。盐胁迫会破坏土壤结构、干扰植物的水分吸收和离子平衡，最终导致生理代谢紊乱。传统的改良盐渍化土壤的方法，如大水漫灌和过量施肥，不仅成本高昂，还可能引发次生盐渍化和环境污染等问题。因此，开发环境友好且高效的生物学策略来提升大豆的耐盐性，已成为农业可持续发展的迫切需求。植物内生菌是生活在植物组织内部而不引起病害的微生物，它们与宿主长期协同进化，形成了一套精密的互惠共生关系。从极端环境（如盐碱地）中生长的野生植物中分离功能强大的内生菌，并将其“引回”现代栽培作物中，被认为是挖掘作物抗逆潜力、实现农业绿色发展的一条极具前景的途径。然而，尽管人们已经认识到有益内生菌的巨大潜力，但其如何从分子层面系统性地“调教”或“重编程”宿主植物以应对盐胁迫，其背后的精细调控网络仍亟待解析。
论文概要
北京大学现代农学院、山东省现代农业实验室（潍坊）的Xiao Luo团队在《Plant Biotechnology Journal》发表题为“Reprogramming of Gene Transcripts and Metabolites by the Wild Soybean Endophyte Pseudomonas sp. 77S3 Improves Soybean Salt Tolerance”的论文。该研究从耐盐野生大豆中分离出一株性能卓越的内生假单胞菌77S3，并系统揭示了其通过重编程大豆的转录和代谢网络，特别是“劫持”并优化宿主的氮素代谢，从而显著提升栽培大豆耐盐性的分子机制。研究首次从功能上证实，硝酸盐转运蛋白NRT1.5是这一内生菌介导的耐盐过程中不可或缺的关键枢纽。
主要研究结果介绍
筛选并鉴定出多功能促生内生菌Pseudomonas sp. 77S3 为了寻找能够帮助大豆抵御盐胁迫的“微生物伙伴”，研究团队首先从山东东营盐碱地的野生大豆资源中，分离并筛选了一批内生细菌。经过严格的耐盐性评估，一株被命名为Pseudomonas sp. 77S3的菌株脱颖而出。该菌株不仅自身具有极强的耐盐碱能力（能在500 mM NaCl和pH 9.0的环境下旺盛生长），还展现出多种卓越的植物生长促进（PGP）潜能（图1）。生化和基因组分析证实，77S3菌株具备固氮、溶解磷、溶解钾、合成铁载体以及产生生长素（IAA）等多种“助农”功能，使其成为一个极具应用潜力的候选菌株。
内生菌77S3显著提升栽培大豆的生长和耐盐性 为了验证77S3的实际应用效果，研究人员将其接种到栽培大豆上，并在正常和盐胁迫（150 mM NaCl）条件下进行盆栽试验。结果显示，无论是新鲜菌悬液还是发酵制成的冻干菌粉，接种77S3均能显著促进大豆的生长。在盐胁迫下，接种77S3的大豆表现出顽强的生命力，其株高、根长、生物量和叶绿素含量均显著高于未接种的对照组，叶片枯萎和脱落现象也大为减轻（图2, 3A, B）。 深入的生理机制分析发现，77S3的这种保护作用与其调节植物体内的离子平衡密切相关。在盐胁迫下，接种77S3的大豆根部能够显著减少有毒钠离子（Na⁺）的积累，从而维持了较低的Na⁺/K⁺比值，有效缓解了盐胁迫造成的离子毒害（图3E）。通过共聚焦显微镜观察，研究人员还发现，带有红色荧光标记的77S3菌株能够稳定地定殖于大豆根部的根尖分生区和伸长区，形成了紧密的互作关系，为发挥其功能奠定了物理基础（图3D）。
多组学整合分析揭示77S3系统性重塑大豆根系的盐胁迫响应 为了从分子层面揭示77S3发挥作用的“黑匣子”，研究团队运用转录组学和代谢组学技术，对不同处理条件下（接种/不接种 × 盐胁迫/正常）的大豆根系进行了全面剖析。 转录组分析显示，接种77S3能够系统性地重编程大豆根系的基因表达网络以应对盐胁迫。与未接种的植物相比，接种77S3的植物在盐胁迫下特异性地上调了大量与氮代谢、抗氧化（谷胱甘肽代谢）、离子通道和植物激素信号转导相关的基因；同时，下调了核糖体生物合成等高耗能过程的基因。这表明77S3帮助大豆采取了一种更高效的“战时经济”策略：优化资源分配，优先保障关键的抗逆和营养吸收途径，同时减少不必要的能量消耗（图4）。 代谢组学分析的结果与转录组高度吻合，同样检测到在77S3接种后，与抗氧化、渗透调节相关的黄酮类、氨基酸类等代谢物发生了显著变化。
氮素代谢重塑是核心机制，硝酸盐转运蛋白NRT1.5是关键枢纽 通过对转录组和代谢组数据的整合分析，研究人员构建了一个基因-代谢物共表达网络。分析发现，“氮代谢”通路位于整个调控网络的中心位置，是77S3介导耐盐性的核心环节（图5）。在网络中，多个硝酸盐转运蛋白（如NRT1.1, NRT2.4, NRT1.5）和硝酸还原酶（NR）等关键基因扮演着枢纽（hub）角色。特别值得注意的是，硝酸盐转运蛋白NRT1.5，其已知在模式植物中负责将根部吸收的硝酸盐装载到木质部并长途运输至地上部分，在接种77S3的盐胁迫根系中表达被显著诱导上调。 生理实验也证实了氮素的重新分配：接种77S3后，盐胁迫下大豆根部的氮含量下降，而地上部分的氮含量则相应增加。这表明77S3促进了氮素从根部向地上部的转运，以保障光合作用等关键生理活动的进行。
功能验证确认NRT1.5在内生菌介导的耐盐性中不可或缺 为了最终确认NRT1.5的关键作用，研究团队利用RNA干扰（RNAi）技术构建了NRT1.5基因敲低的转基因毛状根。功能验证实验得出了决定性的结论：当NRT1.5的表达被抑制后，内生菌77S3带来的所有益处——包括促进生长、缓解盐胁迫症状、维持离子平衡以及优化氮素分配——几乎全部消失（图6）。这一强有力的遗传学证据无可辩驳地证明，NRT1.5是内生菌77S3介导大豆耐盐性机制中的一个核心且必需的分子元件。
全文总结与展望
本研究通过多组学整合分析和严谨的功能验证，系统地描绘了一幅内生菌助力大豆抗盐的精细分子蓝图（图7）。研究发现，源自耐盐野生大豆的内生菌Pseudomonas sp. 77S3，通过与栽培大豆建立共生关系，对宿主的生理代谢进行了系统性的“优化重编程”。其核心策略是“劫持”并增强了宿主以硝酸盐转运蛋白NRT1.5为枢纽的氮素代谢和长途运输系统，将宝贵的氮素资源更高效地从受胁迫的根部输送至地上部，保障了植物的整体生长。与此同时，77S3还通过调节植物激素信号、提升抗氧化能力和改善离子平衡等多条途径协同作战，共同构筑了一道抵御盐胁迫的坚固防线。
这项工作不仅为我们理解植物-微生物互作如何调控宿主环境适应性提供了全新的分子见解，也为利用有益微生物资源改良作物抗逆性提供了重要的理论依据和极具应用前景的菌种资源。Pseudomonas sp. 77S3及其冻干菌粉制剂的成功开发，展示了其作为一种可持续生物接种剂在盐碱地农业生产中应用的巨大潜力，为实现“藏粮于地、藏粮于技”提供了新的绿色方案。
研究团队与资助
本文的共同第一作者为北京大学现代农学院的Wanying Zhang、Chengyang Song和Tianqi Wang。通讯作者为北京大学现代农学院的Xiao Luo研究员。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山学者计划以及山东省自然科学基金等项目的资助。
DOI链接https://doi.org/10.1111/pbi.70514
