北京大学现代农业研究院罗晓团队揭示野生大豆内生菌的耐盐调控新机制，为大豆抗逆育种开辟新路径

2025年12月29日，国际知名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了北京大学现代农业研究院罗晓课题组的研究成果——“Reprogramming of Gene Transcripts and Metabolites by the Wild Soybean Endophyte Pseudomonas sp. 77S3 Improves Soybean Salt Tolerance”。该研究从耐盐野生大豆中成功分离鉴定出一株高效促生耐盐内生菌Pseudomonas sp. 77S3，阐明了该菌株通过调控氮代谢重编程及离子平衡增强大豆耐盐性的分子机制，明确了硝酸盐转运蛋白NRT1.5在此过程中的核心调控作用。研究开发的77S3菌剂兼具稳定性与实用性，为盐碱地大豆高产提供了新的解决方案，也为植物与微生物互作介导的抗逆育种提供了重要理论依据和种质资源。

大豆作为全球重要的油料作物和蛋白来源，在保障粮食安全与农业可持续发展中占据关键地位。然而，我国大豆对外依存度长期居高不下，而土壤盐渍化已成为制约大豆种植面积扩张与产量提升的关键瓶颈。开发绿色高效的耐盐改良技术，推动盐碱地大豆种植，是破解大豆产业“卡脖子”难题的重要路径。植物内生菌作为定殖于植物体内的有益微生物，在促进植物生长、增强抗逆性等方面发挥重要作用。野生大豆作为栽培大豆的近缘祖先，长期生长在恶劣环境中，进化出强大的抗逆能力，其体内蕴藏着丰富的功能内生菌资源，但其介导大豆耐盐的核心分子机制，尤其是氮代谢重编程与耐盐性的关联，长期以来尚未明确。罗晓团队瞄准这一重要方向，历时多年开展野生大豆内生菌资源挖掘与功能解析，最终取得突破性进展。

一、野生大豆内生菌资源挖掘：筛选获得高效耐盐促生菌株Pseudomonas sp. 77S3

研究团队从山东东营盐碱地生长的耐盐野生大豆的根、茎、叶组织中分离纯化得到80株内生菌，其中假单胞菌属（Pseudomonas）是优势类群。为筛选出具有强耐盐性和促生潜力的菌株，研究团队进行了多轮严苛筛选：1）盐耐受性筛选：在含200-500 mM NaCl、pH=9.0的极端条件下，测试菌株生长能力，发现来自77号野生大豆种质的10株菌株表现出优异的耐盐耐碱特性；2）促生功能筛选：通过种子萌发实验和幼苗生长实验，发现菌株77S3对大豆萌发率、芽长、株高及生物量的提升效果最为显著；3）菌株鉴定：结合形态学特征、生理生化特性、16S rRNA 基因序列分析及全基因组测序，确认77S3为Pseudomonas oryzihabitans。进一步的功能验证表明，77S3具备完整的植物促生特性：具有固氮能力、能高效溶解土壤中的难溶性磷和钾、可合成吲哚乙酸（IAA）、能产生铁载体，增强植物对铁元素的吸收（图1）。

图1. 耐盐内生菌株假单胞菌Pseudomonas sp. 77S3的分离与鉴定      (Plant Biotechnol. J., 2025)

二、Pseudomonas sp. 77S3重塑根系微环境提高大豆耐盐性

研究团队证实，Pseudomonas sp. 77S3在正常及盐胁迫条件下，不仅能提升大豆耐盐性，还能促进营养吸收与光合作用（图2A-B）。为明确77S3在大豆体内的互作模式，研究团队构建RFP荧光标记菌株，通过激光共聚焦显微镜观察发现，77S3主要聚集于大豆根的分生区和伸长区，形成致密的细菌聚集区（图2D）。接种后20天仍能在根系中检测到强荧光信号，表明77S3能在大豆体内长期稳定定殖，与宿主形成持久共生关系（图2D）。离子含量检测进一步揭示，77S3接种可显著降低大豆根系 Na⁺积累，优化Na⁺/K⁺平衡：盐胁迫下，对照组大豆根系Na⁺含量显著升高、Na⁺/K⁺比失衡，而77S3接种组能维持较低Na⁺水平和稳定的Na⁺/K⁺比（图2E），有效减轻离子毒害，保护细胞正常生理功能，这一发现为解析内生菌-宿主互作介导的耐盐机制提供了直接生理证据。

图2. Pseudomonas sp. 77S3应用效果、定殖特性及离子平衡调控作用             (Plant Biotechnol. J., 2025)

三、Pseudomonas sp. 77S3介导转录与代谢重编程优化资源分配提高大豆耐盐性

为系统解析77S3调控大豆耐盐性的分子机制，研究团队对接种与未接种 77S3的大豆根系进行了转录组（RNA-seq）和代谢组（LC-MS/MS）联合分析，全面揭示了77S3介导的分子重编程网络。转录组分析，表明77S3显著重塑了大豆的盐胁迫转录响应，77S3接种组特有的上调基因富集于氮代谢、苯丙烷生物合成等与营养重分配、离子平衡调控通路；特有下调基因主要涉及一些耗能过程，表明77S3通过优化资源分配增强耐盐性（图3）。联合代谢组数据则证实，黄酮类化合物等抗氧化物质与渗透保护剂含量显著提升，进一步强化了大豆的抗逆能力。研究团队进一步锁定氮代谢相关基因是网络中的核心节点（图3），这些基因的表达与黄酮类、氨基酸类代谢物的积累高度相关，明确了氮代谢重编程是77S3介导大豆耐盐性的核心调控途径。

图3. Pseudomonas sp. 77S3通过重编程大豆的转录与代谢调控网络，调控其在正常和盐胁迫条件下的生理响应 (Plant Biotechnol. J., 2025)

四、Pseudomonas sp. 77S3提高大豆耐盐性依赖NRT1.5

基于多组学分析结果，研究团队聚焦于关键硝酸盐转运蛋白NRT1.5。盐胁迫下77S3接种能显著上调大豆根系NRT1.5的表达水平（图4A），表明NRT1.5参与77S3介导的盐胁迫响应。通过RNAi技术构建了NRT1.5沉默的nrt1.5（图4B）。盐胁迫下，77S3接种能显著提高野生型大豆的生物量、降低Na⁺积累，但对nrt1.5突变体无显著效果（图4C-F）。77S3接种促进对照植株氮素从根系向地上部转运，使茎/根氮含量比提高，而nrt1.5突变体的氮分配模式无显著改变（图4G-I）。这些结果证实，NRT1.5是77S3介导大豆耐盐性、离子平衡和氮素重分配的必需基因，其功能缺失会削弱或阻断77S3的抗逆调控作用。

图4. Pseudomonas sp. 77S3介导的耐盐性依赖GmNRT1.5             (Plant Biotechnol. J., 2025)

综合以上研究结果，罗晓团队提出了Pseudomonas sp. 77S3增强大豆耐盐性的分子机制模型（图5）：77S3接种通过驱动以NRT1.5为核心的氮代谢重编程，显著激活NRT1.5等硝酸盐转运体及NR、NIR等氮代谢关键酶的表达，不仅高效促进氮素吸收与根-冠转运，优化碳氮平衡，为大豆耐盐提供坚实的物质和能量基础，还借助NRT1.5介导的离子转运调控，有效降低根系Na⁺积累，维持稳定的Na⁺/K⁺平衡，减轻离子毒害；同时，77S3接种还能诱导谷胱甘肽等抗氧化酶基因表达，促进黄酮类、白藜芦醇等非酶抗氧化物质积累，高效清除盐胁迫产生的ROS以减轻氧化损伤，并通过促进生长素合成、调节乙烯和ABA信号通路优化根系结构，多维度协同增强植株对盐胁迫的适应性，而这一系列耐盐调控机制的核心均依赖于NRT1.5的关键介导作用。

图5. 内生菌Pseudomonas sp. 77S3 提升大豆耐盐性的工作模型       (Plant Biotechnol. J., 2025)

本研究首次揭示内生菌通过氮代谢重编程增强大豆耐盐性的核心作用，并阐明NRT1.5在此过程中的关键调控机制。同时，研究成功筛选出一株兼具高耐盐性、强促生性和优异应用稳定性的微生物菌株77S3，该菌株已获国家发明专利授权（ZL202310918701.2）。值得关注的是，该菌株发酵冻干菌粉在4℃长期储存后仍保持高活力，其新鲜菌液与发酵冻干制剂均能显著提升大豆耐盐性，表现出突出的稳定性与应用潜力。该菌剂在盐碱地大豆种植中具有广阔的推广前景。这项研究为大豆抗逆育种提供了新的分子靶点，也为盐碱地资源开发与利用提供了绿色高效的微生物解决方案，对提升我国大豆自给率、保障粮食安全具有重要的理论与实践意义。

本研究通讯作者为北京大学现代农业研究院罗晓研究员。共同第一作者包括该院原科研助理张婉莹（现为南京农业大学博士研究生）、宋成阳，以及北京大学博士研究生王天祺。助理研究员刘秀林、方义生、朱雅茜、郑娜，科研助理马晓飞，硕士研究生颜竹，实验室访问学者朱丹副教授（青岛农业大学）参与了研究工作。深圳市微智生物科技有限公司肖俊川为发酵冻干菌粉的制备提供了重要支持。本研究还得到北京大学现代农业研究院秦国臣研究员及邓兴旺教授等人的帮助，并获国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者工程等项目资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70514