根際促生菌研究進(jìn)展及其在藥用植物上的應(yīng)用*

張智慧，趙振玲，金 航，張金渝，楊天梅，李凌飛

(1．云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植物研究所，云南昆明 650231;2．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201)

當(dāng)代根際微生態(tài)系統(tǒng)理論認(rèn)為根際是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物質(zhì)和能量交換的結(jié)點(diǎn)，而根際微生物正是根際微生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。根際微生物區(qū)系主要以細(xì)菌為主，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)、防治病害、增加作物產(chǎn)量的有益微生物被稱為根際促生菌 (plant growth－promoting rhizobacteria，PGPR)。PGPR種類繁多，廣泛存在于植物根系中，可以提高許多農(nóng)作物的產(chǎn)量［1－5］;抑 制 植 物 病 原 菌［6－8］; 改 良 土 壤 結(jié)構(gòu)［9－10］;對(duì)受重金屬污染的土壤也具有一定的修復(fù)能力［11］等。

鑒于PGPR存在的普遍性和對(duì)植物生長(zhǎng)的特殊作用，以及藥用植物在人類生活中的重要性，藥用植物的PGPR研究受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。分離和篩選藥用植物的PGPR，研究PGPR對(duì)藥用植物生長(zhǎng)和主要有效成分的影響，以及對(duì)病原菌的抑制作用，探討PGPR對(duì)中藥材道地性的影響機(jī)制，對(duì)實(shí)現(xiàn)中藥材產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定可控具有重要的理論和實(shí)踐意義。本文介紹了PGPR的研究進(jìn)展，以及PGPR在藥用植物領(lǐng)域的研究成果，并探討了PGPR在藥用植物栽培中的應(yīng)用，以期為中藥材規(guī)范化種植研究提供參考。

1 PGPR的研究進(jìn)展

1.1 對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用

1.1.1 固氮、解磷作用

PGPR可將空氣中的分子氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，供自身和植物利用，改善植物的氮素營(yíng)養(yǎng)，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有固氮作用的PGPR有Azorhizobium、Azotobacter、Bacillus和Rhizobium等屬［12－13］。另外，土壤中存在大量難以被植物直接吸收利用的磷，而在植物根際普遍存在能溶磷和解磷的細(xì)菌，包括Enterobacter、Nitrobacter、Pseudomonas和Serratia等屬［8，13－14］，它們通過釋放大量有機(jī)酸或磷酸酶，溶解無機(jī)磷或降解有機(jī)磷，從而加速土壤中無效磷的有效化，以利于植物對(duì)磷的吸收和利用。

1.1.2 調(diào)節(jié)植物激素水平

PGPR可以通過調(diào)節(jié)植物激素 (生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素和乙烯)水平來促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。吲哚乙酸 (IAA)是與植物相關(guān)細(xì)菌產(chǎn)生的、研究最廣泛的植物激素，IAA產(chǎn)生細(xì)菌主要包括Azospirillumbrasilense、Aerorrvonas veronii、Comamonas acidovorans、和Rhizobium leguminosarum等種［8］。此外，某些PGPR可以通過產(chǎn)生1－羧基－1－氨基環(huán)丙烷 (1－aminocyclopropane－1－carboxylate deaminase，ACC)脫氨酶將植物乙烯的合成前體ACC分解成為丁酮酸和氨，從而抑制乙烯的生成，促進(jìn)植物快速生長(zhǎng)發(fā)育，提高抗逆性［15］。Achromobacter、Agrobacterium、Bacillus、 和Burkholderia等屬的細(xì)菌均具有 ACC脫氨酶活性［8，15］。

1.1.3 產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物 (volatile organic compounds，VOCs)

PGPR還可以通過產(chǎn)生VOCs來促進(jìn)植物生長(zhǎng)。Ryu等研究發(fā)現(xiàn)，一些PGPR釋放出一種混合VOCs，特別是2，3 －丁二醇 (2，3－butanediol)和3－羥基－2－丁酮 (acetoin)，能促進(jìn)擬南芥的生長(zhǎng)，并且證實(shí)PGPR產(chǎn)生的VOCs是一種調(diào)控植物與微生物相互作用的信號(hào)分子，當(dāng)VOCs積累到一定濃度時(shí)就可觸發(fā)植物的生長(zhǎng)反應(yīng)［16］。

1.2 PGPR的生物防治作用

1.2.1 分泌抗生素

許多PGPR可以合成抗生素抑制周圍其它微生物的繁衍。已經(jīng)分離檢測(cè)到由PGPR產(chǎn)生的抗生素有吩嗪 (phenazines)、藤黃綠膿菌素 (pyoluteorin)、硝吡咯菌素 (pyrrolnitrin)、2，4－二乙酰藤黃酚 (2，4－diacetylphloroglulinol)、粘液菌素酰胺(viscosinamide)和張力蛋白 (tensin)等，這些物質(zhì)都可在很大程度上抑制各種病原真菌［8］。

1.2.2 與病原菌或有害微生物競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)和空間

PGPR可以搶先占據(jù)植物根際營(yíng)養(yǎng)豐富的有利位點(diǎn)，從而阻止和降低了病原菌或有害微生物在這些位點(diǎn)的生存和繁衍，其中最典型是鐵競(jìng)爭(zhēng)。PGPR通過分泌對(duì)Fe3+具有高親和力的鐵載體 (siderophore)，形成的Fe3+載體復(fù)合物，該復(fù)合物不能被大多數(shù)微生物尤其是病原微生物所利用，使得病原菌生存所需的鐵很快耗盡，從而使病原菌繁衍和侵染能力下降。而PGPR和植物可以吸收利用Fe3+載體復(fù)合物，所以不會(huì)受缺鐵的影響［8］。

1.2.3 誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性 (induced systemic resistance，ISR)

ISR是指由非致病菌 (主要是有益微生物，細(xì)菌和真菌等)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗病性，它與茉莉酸和乙烯的形成積累有密切聯(lián)系［7，17］。近年來，PGPR誘導(dǎo)植物產(chǎn)生ISR的研究日益增多，主要集中在 Pseudomonas和 Bacillus兩個(gè)屬的細(xì)菌上［18］。在菜豆、蘿卜、番茄、甘蔗、玉米和水稻等農(nóng)作物上均發(fā)現(xiàn)了此類誘導(dǎo)［7，19］。

2 PGPR在藥用植物上的研究狀況

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)PGPR在藥用植物上的研究越來越多，部分研究結(jié)果見表1。他們發(fā)現(xiàn)接種PGPR不僅可以促進(jìn)藥用植物的生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量，還可以提高其有效成分的含量，這類研究無疑對(duì)穩(wěn)定藥用植物入藥質(zhì)量、尋找新藥而言具有重要意義。此外，PGPR還可以作為某些藥用植物的生防菌。利用拮抗細(xì)菌來防治藥用植物的病害，不僅能克服使用農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染，避免農(nóng)藥造成的病原菌產(chǎn)生抗藥性等問題，還能最大程度地保證藥用植物使用的安全性。

表1 PGPR在藥用植物上的相關(guān)研究成果

續(xù)表

3 PGPR在藥用植物栽培上的應(yīng)用探討

3.1 PGPR在防治藥用植物連作障礙上的應(yīng)用

近幾年來藥用植物連作障礙問題日益突出，嚴(yán)重危害著藥用植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育和藥材品質(zhì)。土壤理化性質(zhì)劣變和土壤微生物結(jié)構(gòu)變化是連作障礙產(chǎn)生的重要原因之一，研究發(fā)現(xiàn)連作會(huì)導(dǎo)致土壤微生物組成顯著變化，微生物總數(shù)及細(xì)菌總數(shù)顯著減少［40］。目前，尚無綠色環(huán)保的方法可以有效緩解和解決連作障礙問題。而PGPR不僅可以改善土壤理化性質(zhì)，還具有提高植物對(duì)養(yǎng)分的吸收、抑制病原菌和誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性等作用。由此可見，隨著對(duì)PGPR和連作障礙有關(guān)問題的不斷深入研究，利用接種PGPR并結(jié)合其它有效措施來克服連作障礙，提高藥用植物品質(zhì)將具有十分巨大的潛力。

3.2 PGPR作為生物肥在藥用植物栽培中的應(yīng)用

為了滿足植物生存、生長(zhǎng)所需的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，施用工業(yè)化肥一直被認(rèn)為是增產(chǎn)的主要途徑。然而，隨著化肥使用量的增加，出現(xiàn)了過度施肥，導(dǎo)致肥效下降、利用率降低等現(xiàn)象。同時(shí)生產(chǎn)化肥成本高，非再生能源消耗量大，污染空氣、土壤及水質(zhì)，危害食品安全，破壞土壤結(jié)構(gòu)及微生物區(qū)系和多樣性等。無疑，PGPR作為一種生物肥，其使用可以從一定程度緩解或避免以上的問題。在歐洲和非洲，人們已經(jīng)成功地將固氮菌 (Azospirillum)應(yīng)用在了很多作物上［41］。隨著植物根際生態(tài)系統(tǒng)，特別是根際微生物相互作用等方面研究不斷拓展和深入，相信會(huì)有越來越多的PGPR作為生物肥被成功應(yīng)用。

4 結(jié)語

PGPR具有促進(jìn)藥用植物的生長(zhǎng)，增加植株對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分N、P、K等元素的吸收，提高藥用植物有效成分的含量，增強(qiáng)藥用植物的抗環(huán)境脅迫能力和抗病性等作用。而栽培藥用植物往往出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育不良，病蟲害嚴(yán)重，亂施化肥、使用農(nóng)藥造成的質(zhì)量不穩(wěn)定、農(nóng)殘超標(biāo)，連作造成的產(chǎn)量、質(zhì)量下降等問題，嚴(yán)重威脅了入藥的安全性、穩(wěn)定性、有效性。為此，我們可以借鑒農(nóng)作物PGPR研究的成果，研究PGPR對(duì)藥用植物病害的防治作用，藥用植物不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期PGPR的種群結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以及道地藥材與非道地藥材PGPR種群結(jié)構(gòu)的差異，同時(shí)將這些差異與藥材性狀、產(chǎn)量和有效成分等方面結(jié)合起來，從根際微生態(tài)環(huán)境的角度揭示道地藥材的科學(xué)內(nèi)涵，為中藥材規(guī)范化種植提供技術(shù)支撐，以期達(dá)到提高藥用植物質(zhì)量、增加產(chǎn)量，滿足人們用藥需要的目的。

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