植物根際促生菌作用機(jī)理研究進(jìn)展

田 婧， 李 邵， 馬 寧， 連青龍， 魯少尉， 鮑順淑

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125)

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植物根際促生菌作用機(jī)理研究進(jìn)展

田 婧， 李 邵， 馬 寧， 連青龍， 魯少尉， 鮑順淑*

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125)

摘要介紹了植物根際促生菌(PGPR)的概念與種類，綜述了PGPR通過固氮、溶磷、產(chǎn)生嗜鐵素、調(diào)控植物激素發(fā)揮的直接作用機(jī)理，以及作為生防制劑的間接作用機(jī)理，并闡述了PGPR在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞植物根際促生菌(PGPR)；根際；固氮；溶磷

根際的概念最早由德國微生物學(xué)家Hiltner提出，是指受植物根系活動的影響，在物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上不同于土體的那部分微域土區(qū)，根際范圍很小，一般指離根軸表面數(shù)毫米之內(nèi)[1]。根際土壤微生物包括細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和病毒等，其中細(xì)菌的種類和數(shù)量最多。

植物根系分泌物直接影響著根際微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)。植物根際有一些有害病原微生物與非寄生性根際有害微生物，致使植物的根系或幼苗發(fā)育不良、生長緩慢。但大多數(shù)根際微生物對植物無害或?qū)χ参锷L有促進(jìn)作用，它們在植物根際的生命活動中，由呼吸作用放出二氧化碳或代謝產(chǎn)酸，有助于難溶礦物質(zhì)的溶解，增加植物對礦質(zhì)元素的吸收，分泌生長刺激素類物質(zhì)促進(jìn)植物生長。筆者綜述了PGPR促進(jìn)植物生長的作用機(jī)理，并闡述了PGPR在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，旨在為PGPR的研究與應(yīng)用提供參考。

1PGPR的概念與種類

PGPR是指自由生活在土壤或附生于植物根系的一類可促進(jìn)植物生長及其對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和利用，并能抑制有害生物的有益細(xì)菌[2]。目前，已鑒定出20多個種屬的PGPR 菌株，主要種類包括芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)和農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)等[3-4]。

2PGPR的作用機(jī)理

PGPR促進(jìn)植物生長的機(jī)理可分為直接作用和間接作用。其中，直接作用是指PGPR可合成某些對植物生長發(fā)育有直接作用的物質(zhì)(如生長素)或改變土壤中某些無效元素的形態(tài)，使之被植物有效化吸收(如固氮、溶磷)；間接作用是指某些PGPR可抑制或減輕土傳病害的發(fā)生，并通過誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性提高植物自身對疾病的防衛(wèi)機(jī)制，從而降低對植物生長發(fā)育及產(chǎn)量收獲的不良影響[5]。該分類是比較主流且全面的分類方式。

PGPR的作用機(jī)理也有另外的分類方式，一類是誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性以抵御生物性脅迫，另一類是誘導(dǎo)植物提高耐受力以抵御非生物脅迫。前者是指PGPR能產(chǎn)生抵抗多種病原菌的抗生素類物質(zhì)或毒素，幫助植物抵抗生物類侵害，包括病原細(xì)菌、真菌、病毒及線蟲等；后者是指PGPR能幫助植物忍受多種環(huán)境脅迫，包括干旱、鹽分、重金屬、肥力低下或過剩等[6]。

2.1直接作用

2.1.1固氮。氮是植物生長最重要的必需養(yǎng)分之一，是每個活細(xì)胞的組成部分。地球上2/3的氮素都是通過生物固氮的形式存在，生物固氮是指微生物將空氣中的氮?dú)膺€原為氨，為植物生長提供氮素營養(yǎng)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高效利用生物固定的氮素可大幅減少人工氮肥使用量，有助于緩解土壤環(huán)境污染，發(fā)展可持續(xù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。根據(jù)固氮方式不同可分為自生固氮、共生固氮和聯(lián)合共生固氮3種，其中共生固氮效率最高。自生固氮的微生物大多利用光能或化能固定氮素，如紅螺菌、紅硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌等，該類細(xì)菌固氮效率相對較低，固氮量也較少；共生固氮最典型的是根瘤菌屬細(xì)菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體系；聯(lián)合固氮的菌種雖然與植物根系關(guān)系密切，但不形成類似根瘤的特異化結(jié)構(gòu)，只是聚集在根系表面或通過植物根部傷口定殖到根系內(nèi)部，該類固氮菌易受到環(huán)境影響[7]。PGPR為豆科植物固氮，根瘤菌家族屬于蛋白菌，侵染豆科植物根系后與之形成共生關(guān)系，寄主與共生體之間是一種復(fù)雜的相互關(guān)系，形成結(jié)節(jié)或小瘤。PGPR也可為非豆科植物固氮，但需要通過一種雙組分結(jié)構(gòu)的金屬酶——固氮酶復(fù)合體來實現(xiàn)。其中，固氮酶還原酶為鐵蛋白組分，提供電子具有高還原力，將N2變?yōu)镹H3；固氮酶為金屬輔因子蛋白組分，基于不同的金屬輔因子，固氮系統(tǒng)可被分為鉬型、釩型和鐵型3種[8-9]。不同種屬的細(xì)菌中，固氮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同，但以鉬型固氮酶居多。

2.1.2溶磷。磷是僅次于氮的植物生長必需養(yǎng)分，在植物的糖類代謝、蛋白質(zhì)代謝和脂肪代謝中起重要作用。植物所利用的磷素主要來源于土壤，土壤中存在有機(jī)態(tài)磷和無機(jī)態(tài)磷，植物通常以正磷酸鹽(磷酸氫根或磷酸二氫根)的形式吸收磷元素，土壤中約95%的磷為無效磷。為提高作物產(chǎn)量，人工施入的大量可溶性磷肥又極易被土壤中金屬陽離子結(jié)合，經(jīng)化學(xué)沉淀固定形成難溶的磷酸鹽在土壤中積累起來。溶磷微生物不但能分解植物無效態(tài)磷轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的形態(tài)，還能分泌一些生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，促進(jìn)植物根系生長，增強(qiáng)植株的抗病能力[10-11]。因此，近年來從植物根際土壤中篩選出高效溶磷菌，用以活化土壤中難溶性磷，減少化肥施用量，成為提高土壤磷利用率的研究熱點。植物根圍存在多種溶磷微生物，其中溶磷細(xì)菌被認(rèn)為是有希望的生物肥料，包括固氮菌屬、芽孢桿菌屬、拜葉林克氏菌屬、伯克氏菌屬、腸桿菌屬、歐文氏菌屬、黃桿菌屬、細(xì)桿菌屬、假單胞菌屬、根瘤菌屬和沙雷氏菌屬。

2.1.3產(chǎn)生嗜鐵素。嗜鐵素也叫鐵載體，是微生物和部分作物在低鐵應(yīng)激條件下產(chǎn)生的一種能夠高效率結(jié)合Fe3+的低分子量有機(jī)化合物。嗜鐵素合成與轉(zhuǎn)運(yùn)通常在缺鐵的情況下高效表達(dá)，與Fe3+結(jié)合能力非常強(qiáng)且具有特異性，能從各種水溶性和非水溶性的化合物中奪走Fe3+[12]。嗜鐵素按照其螯合基團(tuán)特性可分為3類，包括氧肟酸類、兒茶酚類、檸檬酸型，產(chǎn)生嗜鐵素的微生物包括細(xì)菌和真菌。嗜鐵素既是依賴受體的高親和性鐵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，可作為生長因子或萌發(fā)因子，也可作為抗生素或毒力因子[13]。首先是植物營養(yǎng)學(xué)功能，鐵是植物必需的微量元素，鐵元素在原核和真核生物的生命活動中具有不可替代的功能。嗜鐵素可活化土壤中難溶的鐵，提高鐵的溶解性、移動性和有效性，校正植物缺鐵失綠。許多研究認(rèn)為微生物鐵載體與Fe3+的螯合物可直接被植物吸收，并推測這種機(jī)理是植物抗鐵脅迫的第三機(jī)理[14]。其次是生物防治功能，PGPR分泌嗜鐵素是其控制真菌病害的一種主要機(jī)制，依靠高親和鐵的螯合體產(chǎn)物嗜鐵素與病原菌競爭鐵離子，使得病原菌缺乏鐵元素而不能生長繁殖，進(jìn)而達(dá)到控制植物病害的目的[13]。此外，還有載體功能，嗜鐵素進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)是在受體蛋白的介導(dǎo)下完成，以載體的形式與某些抗微生物的藥物分子連接，使藥物更易進(jìn)入靶向微生物體內(nèi)，從而更有效地殺死靶向病原菌，這是一種特洛伊木馬式的策略，這一功能對醫(yī)藥界研發(fā)具有重要意義[15]。

2.1.4調(diào)控植物激素。各種作物根圍分離的微生物群中，80%具有合成與釋放生長素作為次生代謝物質(zhì)的能力[16]。根際細(xì)菌分泌的吲哚乙酸(IAA)可參與眾多植物的發(fā)育過程，植物內(nèi)源IAA庫也會因獲取土壤細(xì)菌分泌IAA而發(fā)生改變。IAA也作為一種互惠信號分子，影響微生物的基因表達(dá)。IAA影響植物生長發(fā)育及防衛(wèi)反應(yīng)，IAA下調(diào)信號與植物對病原體細(xì)菌防衛(wèi)機(jī)制相關(guān)。PGPR生成的IAA可能通過改變植物的生長素庫來干預(yù)植物的生理過程，細(xì)菌IAA促進(jìn)根系表面積和根長增加，更有效地吸收土壤養(yǎng)分；還可使植物細(xì)胞壁松弛滲出更多的根系分泌物為PGPR提供一些額外的養(yǎng)分，互利共生[17]。細(xì)菌性IAA作為植物與微生物互作的效應(yīng)分子，參與發(fā)病機(jī)制和植物激發(fā)。色氨酸是調(diào)節(jié)IAA合成水平的重要前體分子，色氨酸與其前體氨基苯甲酸鹽存在反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)而間接調(diào)節(jié)IAA合成[18]。

乙烯是植物生長和發(fā)育十分重要的代謝物，也是一種植物激素，幾乎所有植物都內(nèi)源生成，尤其是受到各種生物性或非生物脅迫時，誘導(dǎo)一系列植物生理變化。脅迫條件下，乙烯作為逆境激素存在，鹽、干旱、淹水、重金屬或病原體入侵，內(nèi)源乙烯含量顯著升高，加速衰老，全面抑制植物生長發(fā)育[19]。高濃度乙烯誘導(dǎo)落葉和其他細(xì)胞過程，進(jìn)而造成作物減產(chǎn)，而PGPR產(chǎn)生的酶包括ACC脫氨酶，通過降低乙烯水平來促進(jìn)逆境下植物生長。具有ACC脫氨酶活性的菌株已被鑒定出很多，這些根際細(xì)菌吸收乙烯前體ACC并轉(zhuǎn)化成2-氧代丁酸和氨，ACC水解保持細(xì)菌較低的ACC濃度，允許從植物向細(xì)菌持續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)ACC，否則，乙烯會由ACC轉(zhuǎn)化而來，進(jìn)而引起植物脅迫應(yīng)激響應(yīng)，包括生長抑制[20]。

2.2間接作用應(yīng)用微生物控制病害是一種環(huán)境友好型的生物防治措施。PGPR間接生理作用主要是作為生防制劑，其生防活性包括營養(yǎng)競爭、小生境形成、誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性和抗真菌代謝物，其中抗真菌代謝物是指氰化氫、吩嗪、硝吡咯菌素、2,4-二乙?；g苯三酚、藤黃綠菌素、粘質(zhì)酰胺和張力蛋白等[21]。一些根際細(xì)菌與植物根系互作還會引起植物對某些致病細(xì)菌、真菌或病毒產(chǎn)生抗性，這種現(xiàn)象即誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(ISR)，ISR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要依賴于感應(yīng)植物激素茉莉酸和乙烯。PGPR的某些組分可獨(dú)立誘導(dǎo)植物抗性，如脂多糖、鞭毛、嗜鐵素、環(huán)狀脂肽、2,4-二乙酰基間苯三酚、高絲氨酸內(nèi)酯，揮發(fā)成分如3-羥基-2-丁酮、2,3-丁二醇等[22]。PGPR等生防菌通過在植物根際或植物體內(nèi)高密度定殖，兼有抑制植物病原菌和根際有害微生物，以及促進(jìn)植物生長并增加作物產(chǎn)量的作用，更重要的是誘導(dǎo)植物抗性，從而提高植物整體的抗病能力[23]。

3PGPR的應(yīng)用

在過分依賴化肥和農(nóng)藥以期追求農(nóng)作物增產(chǎn)的時代背景下，人們也逐漸意識到生態(tài)保護(hù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性。同時，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用仍有較大阻力，作物單產(chǎn)繼續(xù)提高的潛力空間不斷縮小。土壤環(huán)境復(fù)雜多變，作物種植經(jīng)常難以達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量及較高的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。隨著PGPR作用機(jī)理研究的深入，PGPR的應(yīng)用也越來越多。很多在露地或設(shè)施的種植研究都報道了PGPR對各種作物增產(chǎn)、增效的多重功能。由于氣候因素對PGPR的應(yīng)用效果影響較大，在環(huán)境相對可控的設(shè)施栽培中應(yīng)用PGPR，其生物效率和經(jīng)濟(jì)效益均更高。PGPR的開發(fā)與應(yīng)用對創(chuàng)造良好的根際生態(tài)環(huán)境、改善土坡理化性質(zhì)、提高土坡的供肥能力和對環(huán)境資源的有效利用、降低作物對化肥的依賴、抑制病蟲害的發(fā)生及減少農(nóng)藥污染等具有重要作用[3]。PGPR在多種作物生產(chǎn)上應(yīng)用表現(xiàn)出對植物生長的廣譜促進(jìn)功效，生物調(diào)節(jié)潛力巨大，一些PGPR被開發(fā)成多功能的生物菌劑或生物肥料，凈化土壤環(huán)境，也可作為生物農(nóng)藥，防治多種植物病原體。

目前，PGPR優(yōu)良菌株已有商業(yè)活菌制劑問世，但接種后

的應(yīng)用效果主要取決于PGPR在植物根部的實際定殖情況。這些制劑的生產(chǎn)效率還有待深入研究，根據(jù)土壤條件進(jìn)行馴化，今后將用于部分替換化學(xué)肥料，減少殺蟲劑和人工生長調(diào)節(jié)劑的使用，服務(wù)于可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)。

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Research Progress of the Action Mechanism of Plant Growth-promoting Rhinoacteria

TIAN Jing,LI Shao,MA Ning, BAO Shun-shu*et al

(Institute of Protected Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Engineering,Beijing 100125)

AbstractWe introduced the concept and types of plant growth-promoting rhinoacteria (PGPR),reviewed the direct mechanism of PGPR by means of nitrogen fixation, phosphate solubilization,siderophore producing,plant hormones regulation,as well as the indirect mechanism as bio-control agents.Finally,the application of PGPR in agricultural production was elaborated.

Key wordsPlant growth-promoting rhinoacteria; Rhizosphere; Nitrogen fixation; Phosphate solubilization

基金項目國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203002)。

作者簡介田婧(1983- )，女，山西平遙人，工程師，博士，從事設(shè)施園藝作物栽培技術(shù)與工藝研究。*通訊作者，高級工程師，博士，從事設(shè)施園藝研究。

收稿日期2016-03-13

中圖分類號S 144

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-001-02