鐵載體細(xì)菌對植物缺鐵性黃化病生物防治的研究現(xiàn)狀

朱芝宜 李培根 李林玉 琚淑明 南 楠

(徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

鐵在自然界中廣泛存在，尤其在土壤與地殼中，僅次于硅與鋁，居礦質(zhì)元素第三位，占土壤干重的4%～5%[1]。鐵在植物體內(nèi)含量占到0.01%，參與植物的新陳代謝與形態(tài)構(gòu)成，是植物維持生命活動不可缺少的必需元素。雖然土壤中鐵含量豐富，但大多數(shù)屬于植物難溶性鐵存在于原生礦物、粘粒、氫氧化物或氧化物中，植物無法有效吸收。研究顯示，土壤中滿足植物正常生長所需的有效鐵含量約是10-6M ～10-8M，但在鹽堿土壤中，植物有效態(tài)鐵(Fe2+)的含量往往達(dá)不到10～10mol·L-1[2]，從而導(dǎo)致植物缺鐵黃化。

植物缺鐵性黃化病是植物體內(nèi)鐵元素含量相對過低使葉片黃化，生長勢衰弱，甚至危害植物生存的一種病癥。近年來，隨著全球干旱逐漸加重，世界耕地鹽堿化面積逐漸擴(kuò)大，植物缺鐵性黃化病愈發(fā)嚴(yán)重。相關(guān)科研人員研發(fā)出多種技術(shù)來改善此病癥，如施用納米氧化鐵溶液、土壤局部酸化、叢枝菌根真菌定殖等，但總是出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)投入過高，易復(fù)發(fā)的情況，為此就需要找到一種生態(tài)、長效、經(jīng)濟(jì)的解決方式。近年來鐵載體細(xì)菌通過分泌鐵載體，絡(luò)合鐵元素，提高植物對鐵元素的吸收，這些在改善植物缺鐵性黃化病的研究多有報道。

1 鐵載體細(xì)菌的研究現(xiàn)狀

鐵載體細(xì)菌是指在缺鐵條件下，能夠分泌分子量低，特異性高，具有極強(qiáng)螯合Fe3+能力的小分子有機(jī)化合物(鐵載體)的細(xì)菌。其分泌物能夠?qū)⑼寥乐须y溶性的鐵(主要以氫氧化物或氧化物形式存在)轉(zhuǎn)變成可溶性鐵，從而被植物所利用。

1.1 鐵載體細(xì)菌的優(yōu)勢

在自然界中，幾乎所有好氧和兼性厭氧菌(包括細(xì)菌和真菌)都可以分泌鐵載體[3]，鐵載體具有極強(qiáng)的螯合Fe3+能力，可以溶解難溶性鐵，使得微生物有效地獲得鐵。一些研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以利用真菌和外源細(xì)菌鐵載體[4-5],而且分泌鐵載體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與真菌鐵載體相比具有競爭力，且細(xì)菌鐵載體比真菌鐵載體更具有多樣性[6]，所以在應(yīng)用上更多使用鐵載體細(xì)菌。

1.2 影響鐵載體細(xì)菌分泌鐵載體的因素

細(xì)菌對鐵載體的合成環(huán)境中鐵濃度的調(diào)節(jié)[7]，表現(xiàn)為低濃度鐵的促進(jìn)，高濃度鐵的抑制。除鐵離子外，鐵載體細(xì)菌分泌鐵載體也受環(huán)境中其他金屬離子濃度的影響。研究顯示，Cr、Pb 可誘導(dǎo)銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)分泌鐵載體[8]，Co2+可以促進(jìn)熒光假單胞菌分泌更多的鐵載體[9]。另外，鐵載體上的結(jié)合位點還可能被Cu2+、Zn2+、Co2+等重金屬離子占據(jù)，導(dǎo)致鐵載體無法運(yùn)輸鐵離子[10]。

由于鐵載體是由細(xì)菌分泌產(chǎn)生，因此，溫度、碳源、氮源等微生物正常生長所需要的因素也會影響鐵載體的合成。研究顯示，在果糖、甘露醇、葡萄糖充足的情況下，熒光假單胞菌菌株(Pyochelin)分泌量有所不同，發(fā)現(xiàn)碳源為甘露醇分泌量最大，其次為葡萄糖，最后為果糖[11]。殺鮭弧菌(Vibriosalmonicida)為一種水生細(xì)菌，研究發(fā)現(xiàn)只有在10℃以下的條件下，這種細(xì)菌才能夠分泌異羥肟酸型鐵載體。Calvente V發(fā)現(xiàn)紅酵母菌株以尿素作為氮源，PH接近8，C:N比為8∶1時，紅酵母酸(異羥肟酸鐵載體)增產(chǎn)70%。

1.3 鐵載體細(xì)菌的篩選方法

為篩選出高效能鐵載體細(xì)菌，實驗室常用目前應(yīng)用最廣泛的CAS檢測法，該方法簡單、準(zhǔn)確、可檢測多類鐵載體及產(chǎn)鐵載體能力的大小，適用于鐵載體細(xì)菌的初步篩選。CAS和HDTMA(十六烷基三甲基溴化銨)以及Fe3+混合后可以形成一種藍(lán)色復(fù)合物，而鐵載體能與Fe3+形成更穩(wěn)定的螯合物，使其顏色從藍(lán)色變?yōu)槌燃t色。因此，可根據(jù)平板上有無顯色變化及隨著時間顏色的變化程度來定性和定量地檢測供試材料產(chǎn)鐵載體的能力大小。此外，為獲得更為高效能鐵載體細(xì)菌，應(yīng)采用誘導(dǎo)方式。何苗利用紫外誘導(dǎo)、紫外氯化鋰復(fù)合誘導(dǎo)和硫酸二乙脂(DES)誘導(dǎo)，得到高產(chǎn)細(xì)菌菌種MX26-18，鐵載體產(chǎn)出量較原菌種提高32.9%,楊常娥利用在優(yōu)化條件碳氮比為3，初始PH8及裝液量82ml的MKB培養(yǎng)基，實現(xiàn)鐵載體高效誘導(dǎo)。

2 鐵載體細(xì)菌對防治植物缺鐵性黃化病的機(jī)理

植物黃化病主要是土壤中有效性鐵元素含量過低，提高土壤中的有效性鐵的含量，促進(jìn)植物對土壤鐵的吸收以及與其他細(xì)菌競爭是鐵載體細(xì)菌緩解植物缺鐵型黃化病的重要機(jī)制。

2.1 增加土壤鐵的有效性

在環(huán)境缺Fe的條件下，植物的根系會分泌出小分子化合物，如酚類、黃素等，而這些化合物對土壤微生物具有毒害脅迫作用，同時部分分泌物又可以作為某些微生物的碳源物質(zhì)，從而改變植物的根際微生物群落結(jié)構(gòu)，這些改變的微生物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而影響植物對鐵營養(yǎng)的吸收[12-13]。為了克服鐵有效性低的問題，許多微生物自身合成并且分泌高鐵載體。釋放到土壤中的高鐵載體具有極強(qiáng)的螯合Fe3+能力，使難溶性的鐵得以釋放出來，增加土壤中鐵的生物有效性[14]。

2.2 增加植物對土壤鐵的吸收

鐵載體與Fe3+的結(jié)合能力高且專一性強(qiáng)，可以從各種水溶性和非水溶性化合物中奪走其中的Fe3+[15]。鐵載體產(chǎn)生菌通過合成分泌鐵載體，到其細(xì)胞表面或細(xì)胞外部，借助配位基與Fe3+螯合，并且形成siderophore-Fe螯合物，極大地提高植物對根際及周圍土壤中Fe3+的吸收利用，從而保證植物正常生長。鐵載體憑借著親和性極高的攝鐵機(jī)制，極大的增加植物對土壤鐵的吸收量以維持正常的植物機(jī)體生命活動。

2.3 利用鐵載體細(xì)菌與其他細(xì)菌的競爭

鐵離子是酶合成的必需元素，電子傳遞的受體，所有生命有機(jī)體都需要從環(huán)境中獲取鐵離子來維持正常的生命活動。而病原菌無法利用Fe3+與鐵載體形成的螯合物，植物根際周圍的鐵被鐵載體結(jié)合，病原菌吸收不到足夠的鐵，生長繁殖受到阻礙,從而減輕對植物的危害,從而使其得以正常生長[16]。

3 結(jié)論與展望

近年來，鐵載體細(xì)菌在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域中都凸顯出其潛在價值，鐵載體細(xì)菌接種是促進(jìn)植物對Fe的吸收的重要一環(huán)，為防治植物缺鐵性黃化問題提供新的途徑，為植物缺鐵性黃化病的防治提供長期有效的方案，有重要的研究與應(yīng)用前景。從以上綜述可以看到，篩選出高效能的細(xì)菌菌種，利用影響因素進(jìn)行誘導(dǎo)將會是一個重要的研究課題。同時，篩選的鐵載體細(xì)菌接種到一個新的環(huán)境中，必然有一個本土化的過程，如何保證接種菌種成功定植，維持較長時間的競爭力是十分重要的，這仍需進(jìn)一步的去探討，其也是穩(wěn)定防治植物缺鐵性黃化病的關(guān)鍵所在。