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Highlights

•Multi-strain inoculants improve plant growth better than single-strain inoculants.

•Richness effects were clearly stronger than the Pseudomonas strains identity effects.

•Multi-strain inoculants enhance inoculants' abundance in the rhizosphere.

•Plant growth linked with plant hormones, siderophores and phosphorus solubilization.

亮点

•多菌株接种剂比单菌株接种剂更能促进植物生长。

•丰富度效应明显强于假单胞菌菌株身份效应。

•多菌株接种剂可增强根际接种剂的丰富度。

•植物生长与植物激素、铁载体和磷溶解有关。

Abstract

Plant-associated microbes play an important role in plant growth and development. While the introduction of beneficial microbes into the soil could improve plant production in low-input agricultural systems, real-world applications are still held back by poor survival and activity of the probiotic microbes. In this study, we used a biodiversity-ecosystem functioning (BEF) framework to specifically test how Pseudomonas community richness shapes the bacterial inoculant survival and functioning in terms of plant growth. To this end, we manipulated the richness of a probiotic Pseudomonas spp. bacterial community inoculant (1, 2, 4 or 8 strains per community) and compared diversity and strain identity effects on plant biomass production and nutrient assimilation in vivo with tomato. We found that increasing the richness of the bacterial inoculant enhanced the survival and abundance of Pseudomonas communities leading to higher accumulation of plant biomass and more efficient assimilation of nutrients into the plant tissue. Diversity effects were clearly stronger than the Pseudomonas strain identity effects and diversity-mediated plant growth promotion could be linked with increased production of plant hormones, siderophores and solubilization of phosphorus in vitro. Together these results suggest that multi-strain microbial inoculants can promote plant growth more reliably and effectively compared to single-strain inoculants.

摘要

植物相关微生物在植物生长发育中起着重要作用。虽然将有益微生物引入土壤可以提高低投入农业系统中的植物产量，但益生菌微生物的存活率和活性较差仍然阻碍了实际应用。在这项研究中，我们使用了生物多样性-生态系统功能 (BEF) 框架来专门测试假单胞菌群落丰富度如何影响细菌接种剂在植物生长方面的存活和功能。为此，我们操纵了益生菌假单胞菌属细菌群落接种剂的丰富度（每个群落 1、2、4 或 8 个菌株），并比较了多样性和菌株特性对植物生物量生产和番茄体内营养吸收的影响。我们发现，增加细菌接种剂的丰富度可增强假单胞菌群落的存活率和丰度，从而提高植物生物量的积累，并更有效地将营养物质吸收到植物组织中。多样性效应明显强于假单胞菌菌株同一性效应，多样性介导的植物生长促进作用可能与植物激素、铁载体的产生增加以及体外磷的溶解有关。这些结果表明，与单菌株接种剂相比，多菌株微生物接种剂可以更可靠、更有效地促进植物生长。

图 1. 番茄根际引入的益生菌假单胞菌群落密度。引入的假单胞菌群落密度估计为每克土壤中假单胞菌特异 phlD 基因拷贝数的丰度。面板 A 和 B 分别表示益生菌接种后 20 和 40 天（dpi）的假单胞菌密度。红色虚线显示对照处理（未接种假单胞菌的天然土壤）中的假单胞菌密度。y 轴上的数据以 log10 刻度表示，x 轴上的数据以 log2 刻度表示，以提高可读性。在所有面板中，每个点都对应不同的假单胞菌群落（单一栽培重复，八种基因型群落重复四次）。阴影区域显示拟合曲线的 95% 置信区间。 （关于本图例中颜色引用的解释，请读者参阅本文的网络版。）

图 2. 益生菌假单胞菌群落丰富度对植物生长和营养吸收的影响。植物生长促进作用（图 A）计算为益生菌与对照处理地上植物干重百分比的变化。图 BeE 表示假单胞菌群落丰富度与每克干植物组织氮 (B)、磷酸盐 (C)、钾 (D) 和铁 (E) 吸收量之间的关系。x 轴上的数据以 log2 刻度呈现，以提高可读性。在所有图中，每个点都对应不同的假单胞菌群落（单一栽培重复，八种基因型群落重复四次）。阴影区域显示拟合曲线的 95% 置信区间。

图 3. 假单胞菌群落丰富度对植物促生长性状体外表达的影响。面板表示生长素产生 (A)、赤霉素产生 (B)、铁载体产生 (C) 和磷溶解 (D)。x 轴上的数据以对数 2 刻度呈现，以便于阅读。在所有面板中，每个点都对应不同的假单胞菌群落（单一栽培重复，八基因型群落重复四次）。阴影区域显示拟合曲线的 95% 置信区间。

表 1 将体内观察到的植物生长促进（地上植物生物量的干重和营养吸收（植物组织中的氮 (N)、磷酸盐 (P)、钾 (K) 和铁 (Fe) 浓度）与假单胞菌群落丰度和植物生长促进性状的体外表达联系起来。向上的箭头表示所有模型中保留的解释变量的正向影响。