東北地理所在植物促生菌調控大豆耐堿機制研究方面取得進展
大豆 (Glycine max(L.) Merr.)作為一種重要的全球性的糧食作物，為人類提供優質的植物蛋白和油脂產品的同時，也是動物的飼料來源。由于中國人的飲食習慣，對大豆油及大豆制品的熱衷，使得對大豆的需求呈現逐年遞增趨勢，約80%的大豆需要進口。堿脅迫是大豆生長發育的主要限制因素之一，嚴重影響大豆的生產和產量。黑龍江省有可開發蘇打鹽堿地1500萬畝，提高大豆耐堿能力，擴大大豆種植面積，對于提高我國大豆總產量，緩解大豆對外依存度，保證我國糧食安全，具有十分重要的現實意義。因此，急需解析大豆響應堿脅迫的分子機制。近年來，關于植物響應堿脅迫的研究雖已取得一定進展，但植物促生菌（plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）能否以及如何增強大豆的耐堿性仍有待探索。
東北地理所大豆抗逆育種學科組孟凡立研究員團隊與農田分子生態學科組于鎮華副研究員團隊聯合攻關，成功分離出一株耐堿的克雷伯氏屬菌株B7，系統揭示了其通過分泌丙酮酸激活大豆根系L-蘋果酸合成，從而增強大豆耐堿性的新機制，并在鹽堿地田間試驗中實現大豆增產33.19%。該成果為解析微生物介導的大豆耐堿分子機制提供了理論依據，也為利用微生物提升大豆耐堿性及鹽堿地產能提升提供了新思路與菌種資源。
兩個團隊成員從山東東營鹽堿地的堿蓬根系中，成功分離并鑒定出一株耐堿的克雷伯氏屬菌株（Klebsiella sp.），命名為B7。該菌株可在pH高達10.0的環境中正常生長。代謝組分析顯示，堿脅迫會促使菌株B7分泌大量丙酮酸。這些丙酮酸被大豆根系吸收后，激活根部L-蘋果酸合成通路，提升該通路上相關基因的表達水平和關鍵酶活性，從而促進L-蘋果酸的合成與積累。功能驗證結果顯示，過表達大豆L-蘋果酸合成通路中的關鍵基因和外源施加L-蘋果酸，均可顯著提高大豆苗期的耐堿性。與對照組相比，在中重度蘇打鹽堿地（pH 9.2—9.5）大豆田苗期根際接種菌株B7，產量提升33.19%。進一步分析表明，接種菌株B7能夠重塑大豆根際土壤微生物群落結構，顯著提升包括藍細菌在內的多種抗逆相關有益微生物的相對豐度。該研究首次系統闡明了植物促生菌在大豆應答堿脅迫中的重要作用，揭示了耐堿菌株B7通過代謝產物丙酮酸，調控宿主蘋果酸合成與積累、增強耐堿能力并實現產量提升的分子機制。菌株B7在蘇打鹽堿地大豆生產中具有良好的應用潛力，為實現鹽堿地大豆產能提升提供理論支持與微生物資源（圖1）。
相關研究成果發表在中國科學院一區Top期刊《Journal of Integrative Plant Biology》（IF：11.4）上。東北地理所博士后曹英雪博士、李洋博士、東北農業大學聯合培養碩士研究生姜懿珈為該論文共同第一作者，東北地理所孟凡立研究員和于鎮華副研究員為該論文共同通訊作者。該研究得到了中國科學院重大科技任務、黑龍江省自然科學基金（JQ2023C008）、國家自然科學基金（32172032）、中國科學院創新團隊（2023CXTD01）及吉林省與中國科學院科技合作高技術產業化專項資金項目（2024SYHZ0050）的聯合資助。
論文信息：Yingxue Cao, Yijia Jiang, Yang Li, Yong Long, Siyu Huang, Hongwei Li, Miao Yang, Mingyu Yang, Yuecheng Tang, Bo Zhang, Zhongming Fang, Ming Yuan, Zhenhua Yu* and Fanli Meng*. Klebsiella sp. strain B7 enhances alkaline tolerance by secreting pyruvic acid to accelerate L-malic acid accumulation in soybean. DO1:10.1111/jipb.70188
論文鏈接：http://doi.org/10.1111/jipb.70188
圖1 B7通過分泌丙酮酸調控宿主蘋果酸合成與積累、增強耐堿能力的工作模型
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