在全球农业可持续发展的大背景下，西北地区黄土高原和荒漠的大量贫瘠碱性黄土一直是制约作物生产力提升的科学难题。传统农业依赖大量外源肥料投入，不仅成本高昂，还可能对环境造成负面影响。

近日，中国科学院西北生态环境资源研究院王若愚研究员团队与奥地利国家技术研究院的Angela Sessitsch教授和 GünterBrader教授合作，采用多学科交叉的研究方法，系统研究了固体颗粒微生物菌剂（由贝莱斯芽孢杆菌 Bacillus velezensis与粘土材料组成）在贫瘠碱性黄土中的应用效果。相关论文发表于《微生物研究》。

近年来，微生物菌剂作为一种植物促生菌（PGPB）的应用形式，因其在改善土壤质量、提高作物抗性和产量方面的潜力受到广泛关注。然而，微生物菌剂在大田应用条件下，尤其是针对玉米的生理、分子及代谢响应机制，尚未得到系统研究。

该研究设置了在减施氮肥与不施磷肥的不同处理条件下，通过田间试验、微生物群落分析、转录组测序和结构方程模型等多种手段，深入探讨了微生物菌剂在低外源肥料施用下，如何通过调控根际微生物群落和玉米基因应答，改善土壤质量和促进玉米生长的机制。

研究结果显示，减半氮肥显著提高了贝莱斯芽孢杆菌在玉米根际的定殖能力，而不施氮肥或全量施用氮肥都会导致其定殖量下降。这一发现表明，优化氮素管理可以最大化微生物菌剂的促生效应与作物增产潜力。

此外，微生物菌剂的施用显著改变了根际微生物群落结构。通过对玉米根、叶和籽粒进行转录组分析，研究团队发现，在抽穗期和生殖阶段早期，根中脂肪酸合成与氮磷吸收转运和代谢、叶片光合作用、籽粒淀粉合成和发育等相关基因的表达水平显著上调，生长发育及生产力相关的代谢通路显著富集。结构方程模型分析进一步表明，微生物多样性和植物基因表达的提升分别可解释45%的土壤质量变化和69%的产量变化。

该研究为微生物菌剂在改善贫瘠土壤和促进作物生长的应用领域提供了新的机制解释，进一步证明了微生物菌剂在可持续农业中的巨大应用潜力。通过优化氮素管理与微生物菌剂的协同应用，可以在减少外源肥料投入的同时，显著提升土壤质量和作物产量，为黄土高原地区乃至全球类似生态脆弱区的农业可持续发展提供了重要的理论依据和技术支持。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2025.128194

微生物菌剂在低氮低磷碱性土壤中提高玉米产量作用机制示意图。西北生态环境资源研究院供图。

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