水培是城市农业的一种形式，允许在有限的空间内种植园艺作物以满足食物需求，特别是在城市地区。此外，水培系统中的作物种植经常暴露在非生物和生物胁迫下。

众所周知，非生物胁迫，包括恶劣的温度和湿度、盐度、矿物质缺乏或过量以及缺乏光照强度，会影响植物的生长并诱导植物的代谢变化。

同样，在水培系统中培养植物时连续使用相同的营养液会由于化感化学物质的积累而抑制植物生长，从而导致植物细胞中的氧化损伤和脂质过氧化。

几种植物病原体可以通过循环水系统入侵并感染在水培系统中生长的菠菜、草莓和西红柿。另一项研究表明，在水培系统中生长的生菜被土壤传播的病原体感染，导致根和叶受损。

在水培系统中改善植物生长和对生物和非生物胁迫的防御的一种可能方法是利用称为植物生长促进细菌的有利细菌。众所周知，PGPB具有与植物相关的三个关键性状，包括生物刺激剂、生物肥料和生物保护剂。

这些细菌可以通过上调植物激素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯和脱落酸来刺激植物生长。常用的PGPB物种包括假单胞菌属、芽孢杆菌属和不动杆菌属。

迄今为止，已经报道了PGPB用于各种水培栽培系统中种植的植物。PGPB的利用促进了营养膜技术、室内垂直NFT以及深水养殖中生菜品种的生长。另一项研究表明，将PGPB应用于浮动水培系统可增强生菜的生长和盐胁迫耐受性。

然而，这些水培实验尚未利用代谢组学分析方法全面分析PGPB接种对植物代谢变化的影响。代谢组学分析可以全面了解植物在生长和对生物和非生物刺激的反应方面的代谢。

此前，我们研究了 NFT 水培系统中 PGPB 接种对生菜的影响。结果表明，PGPB促进了生菜的生长并刺激了植物防御酶和化合物。

然而，尚未解决 PGPB 接种对 NFT 水培系统中生长的植物代谢物谱的影响的全面分析。本研究旨在利用代谢组学分析方法，探讨伦氏假单胞菌 UB 53 和米氏假单胞菌 UB 54 在 NFT 水培系统中生长时如何影响生菜的生长和代谢变化。

1. 材料与方法

1.1. PGPB菌株和培养基

本研究中应用的PGPB菌株，均来自Brawijaya大学农学院植物病害实验室的培养物。将细菌在28°C和125rpm的轨道振荡器中的营养肉汤培养基中培养3天。然后收获细菌细胞并设置为密度为 109CFU毫升−1.

1.2. 温室NFT水培实验

温室NFT水培实验包括3个处理：（1）不含PGPB的对照植物，（2）用P. lundensis UB 53处理的植物，以及（3）用P. migulae UB 54处理的植物，它们以完全随机的设计排列，有6次重复。

本试验选择了大急流城的生菜品种。用2%次氯酸钠灭菌3分钟，并用蒸馏水冲洗3次。相反，将对照浸泡在无菌蒸馏水中，将种子浸泡在细菌悬浮液中30分钟，然后播种在托盘中的浇水岩棉上。

播种12天后，将幼苗移植到NFT水培沟壑系统。用电导率为1200的AB混合溶液冲洗沟渠，与细菌悬浮液混合，对照组除外，未混合。在种植后35天，收获生菜并进行农艺参数测量。

1.3. 莴苣叶和根中IAA的测量

使用研钵和研杵，将 0.5 g 样品在液氮中研磨，然后与 5 mL 的 0.05 M 磷酸盐缓冲溶液混合。随后，将 500 μL 提取物放入 Salkowski 管中并与 50 μL MnCl 混合，10 μL MgSO4，1500μL PBS和500μLl色氨酸，然后在37°C下孵育30分钟。

然后掺入体积为 2.5 mL 的 Salkowski 试剂，并在室温下孵育 15 分钟，从而形成稳定的粉红色。使用分光光度计，在530nm处测定悬浮液的吸光度，并使用IAA标准曲线进行估计。

1.4. 通过气相色谱-质谱分析进行代谢分析

使用氮气流蒸发从预冷甲醇中提取样品获得的上清液。干燥的样品用50μL盐酸甲氧胺的吡啶溶液甲氧基化，并在30°C孵育120分钟。

鉴定出的代谢物作为 Xcalibur 软件的原始数据获得，并与美国国家标准与技术研究院、MS Search 2.2 和 Wiley 数据库中的质谱图和保留指数进行比较。

2. 数据分析

使用 Microsoft Excel 分析了 Xcalibur 软件显示的原始数据，并使用 Metaboanalyst 5.0 评估了热图、主成分分析、偏最小二乘法和代谢途径分析。开放文库 PubChem、植物代谢网络数据库和 KEGG 用于鉴定代谢物的类别和代谢途径。

对植物生长和 IAA 的数据进行方差分析，并使用 R 4.3.1 使用显着性水平为 5% 的最小显着性差异区分均值。

3. 结果

3.1. PGPB接种对NFT水培系统中生菜叶和根中IAA浓度的影响

两种PGPBs接种的生菜中IAA的浓度在叶片和 根系中均 显著高于对照组。这些结果表明，在NFT水培系统中生长时，接种P. lundensis UB 53和P. migulae UB 54增强了莴苣叶和根系中的IAA积累。

3.2. PGPB接种增强了NFT水培系统中生菜的生长

接种莴苣UB 53和莴苣的长度分别比对照高15.04 %和12.23 %。同样，这些处理导致更高的叶面积分别为 10.41 % 和 11.24 %， 而叶数分别比对照组高出12.77%和17.11%。 这些结果证明，当以 NFT 水培方式种植时，接种 PGPB 可以促进生菜的生长。

3.3. PGPB的接种改变了NFT水培系统中生长的生菜的代谢特征

热图聚类分析显示，接种莴苣根系代谢产物的积累存在明显差异，形成两个主要聚类。一个簇由两种PGPB处理组成，而另一个簇由未用PGPB处理的对照植物组成。

莴苣根样品中共发现58种代谢物，PGPB接种增强了几种必需代谢物的积累，特别是糖类、脂肪酸和有机酸基团。值得注意的是，接种P. migulae UB 54的莴苣中植物代谢物的积累高于其他处理。

4. 讨论

此前，我们发现两种 PGPB 菌株，即 P. lundensis UB 53 和 P. migulae UB 54，在 NFT 水培系统中生长时更有效地刺激生菜的生长和植物防御。然而，这种现象背后的潜在机制尚未得到研究。

在这项研究中，彻底分析了两种PGPB菌株接种对生菜生长的影响以及在NFT水培系统中培养时的代谢物谱。

促进植物生长的一个潜在因素是一种称为IAA的植物激素。这种激素在植物生长和发育过程中起着重要作用，包括形态发生、增加产量成分性状、生成发育和细胞分裂。

在这里，我们证明了接种 P. lundensis UB 53 和 P. migulae UB 54 增强了莴苣叶和根部的 IAA。这些结果与几项研究相当，表明假单胞菌属可以提高植物中IAA的浓度。假单胞菌属因其产生激素的能力而值得注意，特别是 IAA，植物可以利用这些激素来促进其生长。

先前已发现 P. migulae 可作为土壤中种植植物的生长促进剂。然而，它增强植物中IAA的能力以前没有被证明。这项研究提供了新的见解，即在NFT水培系统中生长时，P. migulae能够提高生菜中的IAA浓度。

据报道，P. lundensis 是致病性食源性细菌、肉类腐败细菌和碳氢化合物生物降解剂的拮抗剂。由于其在增强植物IAA中的作用尚未被报道，本研究证明了P. lundensis在增强植物IAA方面的新性状。

与土壤栽培系统相比，水培栽培系统根据植物生长阶段提供最佳量的必需养分。在这项研究中，我们已经证明，即使在最佳施肥制度条件下，PGPB仍然能够提高植物的生长性能。

本研究证实，在NFT水培系统中栽培的生菜上接种P. lundensis UB 53和P. migulae UB 54可显著促进植物生长，如株长、根长、叶数、叶面积、鲜根和干根重以及鲜和干枝重量所证明的那样。

如前所述，这些促进生长的影响可以通过这些细菌增强植物中IAA产生的能力来解释。PGPB产生的IAA可以促进植物的生长和发育，例如侧器官的形成，形态发生，细胞伸长，细胞扩张和细胞分裂。

几项研究表明，P. migulae促进了在土壤介质中生长的几种植物的生长。因此，我们的研究支持了 P. migulae 在 NFT 水培系统中栽培的生菜中作为 PGPB 的作用，这在以前从未报道过。

已知 P. lundensis 具有作为拮抗剂和生物降解剂的活性，但尚未报道其作为植物生长促进剂的能力。因此，本研究证明了 P. lundensis 作为植物生长促进剂的新特性，特别是在促进 NFT 水培系统中的生菜生长方面。

5. 结论

综上所述，本研究观察到 P. lundensis UB 53 和 P. migulae UB 54 在提高植物 IAA 产量和促进 NFT 水培系统中生菜生长方面的新性状。PGPB，特别是 P. migulae UB 54 的接种增强了几种必需代谢物的积累，特别是糖、脂肪酸和有机酸基团。

PGPB接种影响了12条代谢途径，其中5条途径具有主导作用，包括α-亚麻酸代谢、肌醇磷酸盐代谢、丙酮酸代谢、硫代谢和磷脂酰肌醇信号系统。此外，肌醇和乙酸在生菜和PGPB相互作用的代谢途径中起着至关重要的作用。