枯草芽孢杆菌生物膜作为提高植物抗旱抗涝能力的生物刺激剂

帮助作物应对极端天气的亲和微生物

随着气候变化，热浪、缺水和突发洪水变得更加常见，农民面临在干旱与洪涝之间剧烈波动的天气条件下维持作物存活的压力。本研究探讨了生活在植物根部黏滑包膜中的有益土壤细菌，如何像微小的护卫一样，帮助一种叶菜——小白菜在干旱和洪涝双重胁迫下存活，同时将农业废弃物转化为有用资源。

为什么附着根系的细菌重要

许多作物的根部已经存在有益细菌群落。某些株系的Bacillus subtilis能够形成生物膜——一层薄而黏的结构，细菌在其中以保护性的基质群居生活。生物膜能帮助微生物抵抗恶劣环境并牢固附着在植物根上。研究者想知道，能形成生物膜的株系是否也能增强小白菜对两种主要威胁的抵御能力：缺水与过水。他们比较了三类B. subtilis：强生物膜形成株系（3A1）、一株天然分离的台湾株（WMA1），以及一株在实验室中失去大量生物膜形成能力的株（168）。

更强的根部伙伴造就更强壮的植株

首先，研究组证明株系3A1和WMA1在塑料表面形成的生物膜明显比168株厚，并且在小白菜根部的附着密度也远高于168，这些通过绿色荧光蛋白标记和显微镜观察得到证实。能形成生物膜的株系还能在含有ACC（植物代谢物，可转化为胁迫激素乙烯）的培养基上生长，表明它们产生ACC脱氨酶，这是一种已知能降低植物胁迫信号的酶。相比之下，生物膜差的168株无法利用ACC，提示其缺乏这一缓解胁迫的性状。

细菌包膜在干旱和洪涝期间发挥保护作用

为了测试这一机制对整株植物的影响，小白菜幼苗在两周内用稀释的细菌培养液或对照溶液灌溉，然后分别经受六天的缺水处理并恢复，或六天的淹水。接受3A1或WMA1处理的植株明显优于其他组。在干旱条件下，这些植株的鲜重和干重显著更高，茎叶更高，茎更粗，根更长，存活率也更高，相比之下用水、营养培养基或168株处理的植株表现较差。在洪涝条件下也出现了类似优势：3A1和WMA1处理的植株生长得更大更结实。叶片叶绿素荧光的测量（一种敏感的光合作用机构损伤指标）显示，经处理的植株在两种胁迫下光系统II的功能更稳定，意味着其捕光和光能利用能力得到更好保持。

黏液、酶和再利用果渣如何发挥作用

保护作用可追溯到若干相关联的机制。能形成生物膜的株系3A1和WMA1产生更多的黏性多糖（胞外多糖，EPS）和一种称为γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的天然聚合物，后者以保水和改善土壤结构著称。这些物质可能有助于在根部附近保持水分并稳定根周土壤。在受胁植株中，经这些株系处理的叶片还表现出两种关键抗氧化酶（过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）活性更高，这两种酶能清除在干旱和洪涝期间积累的有害活性氧分子。研究组进一步测试了农业废弃物能否增强该体系，方法是将细菌培养在富含果渣——果汁加工剩余果肉的培养基中。这一简单添加提高了EPS和γ-PGA的产量，并带来了更好的植株生长和胁迫耐受性，尤其在干旱条件下WMA1表现更为显著。

对未来农业的意义

简而言之，该研究表明，合适的根际细菌可以在植物根系周围形成保水的保护膜，抑制植物的胁迫信号，并增强其内部防御，从而使像小白菜这样的作物在土壤干燥或积水时都能更好地应对。将能形成生物膜的B. subtilis株系作为“生物刺激剂”使用，尤其在以低成本果渣培养时，可能为农户提供一种环保的手段，在气候更不可预测的情况下保护产量，同时回收农业副产物。农民不必仅依赖灌溉或化学品，可能很快就能动员这些微观帮手，在极端天气下保持作物更绿、更有韧性。

引用: Chen, YH., Liu, JY., Hwang, SG. et al. Biofilms of Bacillus subtilis as biostimulants for plant resilience to drought and flooding. Sci Rep 16, 6113 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36767-w

关键词: 植物胁迫, 益生细菌, 生物膜, 耐旱性, 可持续农业