论文标题：Auxin-Producing Bacteria Used as Microbial Biostimulants Improve the Growth of Tomato (Solanum lycopersicum L.) Seedlings in Hydroponic Systems

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-6284/13/3/32

期刊名： BioTech

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一、引言

全球气候变化、耕地资源萎缩、水资源短缺及人口持续增长，正对世界粮食生产构成多重压力。极端天气频发导致作物减产甚至绝收，而传统土壤栽培还面临着土传病害、连作障碍和土壤退化等固有问题。在此背景下，水培系统作为一种不受土地限制、水资源利用高效的替代栽培方式，正受到越来越多的关注。然而，当前水培农业仍高度依赖化学肥料，尤其是氮肥的大量投入不仅推高了生产成本——2021年以来化肥价格上涨达78.6%，还带来了N₂O排放增加等环境问题。如何在维持水培高产优势的同时减少化肥依赖、降低环境足迹，成为可持续园艺生产亟需解决的关键问题。

植物促生菌为这一困境提供了潜在的解决方案。这类有益微生物能够通过固氮、溶磷、产铁载体及合成植物激素等多种机制促进植物生长。其中，产吲哚乙酸（IAA）的细菌尤其引人注目——IAA作为一类重要的植物生长激素，可刺激根系伸长和侧根发生，从而扩大养分吸收面积。已有研究证明，在水培系统中接种产IAA的固氮螺菌可促进水稻和萝卜的根系发育，但针对芽孢杆菌在水培条件下产IAA及其对番茄生长影响的研究尚属空白。此外，现有水培接种研究多聚焦于成熟植株或移栽后期，针对幼苗早期阶段的系统研究相对匮乏。

本研究以意大利地方番茄品种“Canestrino di Lucca”为材料，选取7株产IAA的内生细菌（含固氮螺菌属、芽孢杆菌属和共生甲基杆菌）及两组混合菌剂，系统评估它们在水培条件下对番茄种子萌发、幼苗存活及根茎生长的促进效应。研究同时开发了一种新型金属网梳水培共培养装置，旨在为植物-微生物互作的早期研究提供一种简便、可复制的技术平台。

二、材料与方法

研究选用7株已知具有产IAA能力的内生细菌，包括固氮螺菌属3株（Azospirillum baldaniorum Sp245、A. brasilense Sp7、A. brasilense Cd）、芽孢杆菌属3株（Bacillus amyloliquefaciens、B. licheniformis、B. subtilis 101BS）及共生甲基杆菌1株（Methylobacterium symbioticum SB0023/3T），同时设置两组混合菌剂（MIX A含3株固氮螺菌+甲基杆菌；MIX B含3株芽孢杆菌）。番茄种子经表面灭菌后，放置于自行设计的金属网梳上，在含琼脂的水培养基中萌发5天（T0–T5）。萌发后转移至水培罐中进行3天驯化（T5–T8），随后加入菌悬液（终浓度1×10? CFU/80 mL）共培养10天（T8–T18）。为匹配不同菌株的代谢特性，研究分别设置了两种霍格兰营养液：无氮配方（HN）用于固氮菌类（固氮螺菌属和甲基杆菌），全营养配方（HT）用于芽孢杆菌属。两种配方均添加1.5 g/L的L-色氨酸以诱导IAA合成。实验结束时（T18），测定幼苗根长、茎长及存活率，并利用Salkowski试剂对植株根茎进行原位染色以定性检测IAA分布，同时通过分光光度法定量测定营养液中IAA浓度。

三、分析与结果

（1）新型共培养系统的有效性验证

本研究设计的金属网梳结构在整个实验周期中表现出良好的操作便利性。该装置使10株幼苗可一次性整体转移，避免了逐一操作对幼嫩根系的机械损伤。在此条件下，Canestrino番茄种子的萌发率达到77%，虽略低于厂商标注的90%土壤萌发率，但鉴于本实验采用的非标准基质（水-琼脂+金属网梳）对种子而言具有一定“胁迫性”，这一结果已属理想，表明该装置未对萌发造成实质性的负面影响。

（2）存活率的显著提升

在共培养10天后（T18），所有菌剂处理组的幼苗存活率均显著高于未接种对照。其中，A. baldaniorum Sp245表现最优，存活率达98.5%；固氮菌组（含MIX A）平均存活率为95.6%，而对应的无氮对照（C?）仅为50%。芽孢杆菌组平均存活率为89.9%，全营养对照（C_b）为66.1%。这一差异在处理组与对照之间达到统计学显著水平（p ≤ 0.05），表明产IAA菌剂在幼苗早期阶段发挥了重要的保护与促生作用，尤其是在无氮胁迫条件下效果更为突出。

（3）IAA产量与根茎生长的差异化促进

Salkowski原位染色显示，所有菌剂处理组的番茄根茎均呈现不同程度的粉红色，而对照组完全无色，定性证实了IAA的合成与积累。定量分析进一步表明，固氮菌组的IAA产量显著高于芽孢杆菌组：A. baldaniorum Sp245产IAA达29.23 mg/L，A. brasilense Cd为19.61 mg/L，MIX A为24.42 mg/L；而芽孢杆菌组IAA产量均在2.63～4.03 mg/L之间。如图1所示，固氮菌组对根的促进作用显著优于芽孢杆菌组。 A. baldaniorum Sp245诱导根长达86.92 mm（对照为14.97 mm），增幅达481%，A. brasilense Cd和MIX A分别诱导根长51.67 mm和70.55 mm；而芽孢杆菌组对根的促进作用较弱（根长29.99～46.38 mm，对照为17.99 mm），但在茎生长方面表现突出，B. amyloliquefaciens诱导茎长达89.02 mm（对照为53.97 mm），B. licheniformis和MIX B分别为80.55 mm和55.96 mm。回归分析显示，在固氮菌组中IAA产量与根长呈高度正相关（R² = 0.6965），而在芽孢杆菌组中未呈现显著相关性。值得注意的是，混合菌剂MIX A和MIX B均诱导出更为均衡的根茎比（接近1:1），而单一菌株处理则倾向于偏向某一器官的发育。

图1 不同菌剂处理下番茄幼苗的根长与茎长

四、讨论

综合上述结果，本研究可凝练出以下核心认识：固氮螺菌属凭借高效的IAA合成能力与生物固氮功能，在无氮胁迫下显著驱动根系生长；芽孢杆菌属虽IAA产量较低，但对茎生长的促进作用更为突出，提示其可能涉及赤霉素等其他激素的协同机制，表明不同菌株的功能分化可根据栽培目标进行针对性选择。混合菌剂（MIX A和MIX B）诱导出比多数单一菌株更为均衡的根茎发育模式，且存活率表现优异，验证了多菌株组合通过功能互补产生协同增效的潜力。此外，本研究首次将2020年新描述的共生甲基杆菌应用于水培体系，证实其具有促生活性，为该菌株拓展了应用场景。在方法层面，金属网梳水培共培养系统提供了一种简便、低成本的研究平台，支持5日龄幼苗的直接接种，为解析植物-微生物早期互作机制开辟了新途径。不过，当前研究仅限于幼苗早期阶段（18天以内），促生效应是否延续至全生育期尚不明确，且IAA定量仅针对营养液而非植物组织内部，菌株定殖动态也有待进一步监测。

五、展望与结论

未来研究可将实验周期延长至全生育期以追踪菌剂对产量和果实品质的最终影响，利用荧光标记或分子探针监测菌株定殖动态以揭示竞争与协同规律，针对不同作物优化菌剂配方以探索该系统的通用性边界，并联合代谢组学与转录组学系统解析植物-微生物互作的分子调控网络。本研究通过开发新型水培共培养装置，系统评估了7株产IAA内生菌及两组混合菌剂对“Canestrino di Lucca”番茄幼苗早期生长的促进效应，发现固氮螺菌属凭借高效产IAA能力显著驱动根系发育，芽孢杆菌属则通过其他激素路径促进茎生长，而混合菌剂展现出更均衡的促生效果和更高的幼苗存活率，这一成果不仅为水培番茄微生物肥料开发提供了菌种资源与理论依据，也为植物-微生物互作研究提供了灵活可靠的技术平台。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Massimo Negrini

期刊发表范围涵盖生物制药领域, 通过培育转基因植物、动物或水生生物来解决农业中食品的生产或质量问题，以及在医学领域中采用的新方法；在环境领域中的应用，旨在维护生物多样性并清除污染物；开发能够生产有用化学物质或销毁有害/污染化学物质的生物体或酶；生物信息学方法；以及与生物技术领域中的伦理、哲学和监管方面相关的论文。被ESCI、Scopus、PubMed、PMC等多个权威数据库收录。在JCR Biotechnology and Applied Microbiology 类别排名中位居Q2.

2025 Impact Factor：3.6

2025 CiteScore：5.6

Time to First Decision：20.7 Days

Acceptance to Publication：3.2 Days