鹽堿先鋒植物堿蓬內(nèi)生細(xì)菌研究進(jìn)展

張艷蕊，張安琪，張浩，張夢涵，徐雨欣，曲善民，苗陽陽

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系/黑龍江省寒區(qū)飼料資源高效利用與營養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大慶市 163319）

堿蓬（Suaeda salsa）是藜科（Chenopodiaceae）堿蓬屬（Suaeda）植物，是典型的真鹽生植物，是重要的鹽生植物資源，在世界范圍內(nèi)廣泛分布。堿蓬具有保護(hù)和改良土壤的生態(tài)功能，是極具利用價(jià)值的自然資源[1]。堿蓬是濱海鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)群落演替而來的先鋒物種，是植被建設(shè)過程中的重要植物[2]。

植物內(nèi)生菌（Endophyte）是指在特定時(shí)期或全部時(shí)期的一種生活在植物組織中的微生物，不會給植物帶來明顯的病害癥狀。它幾乎存在于所有植物中，分布廣泛、種類繁多，被內(nèi)生菌感染的植物生長迅速，能夠抵抗逆境和病害[3]。對植物內(nèi)生菌研究已經(jīng)成為我國微生物領(lǐng)域熱點(diǎn)問題之一，研究發(fā)現(xiàn)其主要包括內(nèi)生細(xì)菌、內(nèi)生真菌和內(nèi)生放線菌[4]，其中內(nèi)生細(xì)菌較為豐富。植物內(nèi)生細(xì)菌能在健康的植物組織中定殖，促進(jìn)植物生長，提高植物抗逆性[5]。本文就堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的種類、生物學(xué)作用、鹽堿土改良及其前景對堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的種類

堿蓬內(nèi)生細(xì)菌較豐富的分布于堿蓬的根、莖、葉組織，不同地區(qū)、不同部位及不同季節(jié)分離獲得的內(nèi)生細(xì)菌的種類和數(shù)量均存在差異。堿蓬種子中的微生物類群相對較少，堿蓬成熟后微生物的多樣性會有所提高。

堿蓬根、莖、葉組織中均有芽孢桿菌屬（Ba?cillus）和不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter），表明這兩個(gè)屬為堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的優(yōu)勢菌屬[6]，不動(dòng)桿菌屬和芽孢桿菌還具有解磷、解鉀和固氮作用[7]。芽孢桿菌屬中的枯草芽孢桿菌（Bacillusstutilis）可以提高作物抗性、促進(jìn)作物生長、改良土壤、改良作物品質(zhì)等[8]。堿蓬內(nèi)生中度嗜鹽菌具有良好的耐鹽堿性，稀有且種類豐富，包括鹽單胞菌科（Halomonadaceae）的嗜鉻桿菌屬（Chromohalobacter）、庫什尼婭屬（Kushneria）、鹽單胞菌屬（Halomo?nas）以及芽孢桿菌科（Bacillaceae）的芽孢桿菌屬（Bacillus）[9]。鹽單胞菌屬和不動(dòng)桿菌屬不僅具有較高耐鹽性，還具有促生、生防、降解有機(jī)污染物及抗氧化等功能[10]。假單胞菌屬（Pseudomo?nas）和芽孢桿菌屬都能產(chǎn)生吲哚乙酸或赤霉素[11]。堿蓬根系內(nèi)生細(xì)菌還有海細(xì)菌屬（Marinobacteri?um）、副球菌屬（Paracoccus）、游動(dòng)球菌屬（Pla?nococlus）、劉志恒菌屬（Zhihengliuella）[12]。

2 堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的生物學(xué)作用

2.1 固氮作用

氮是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一，氮形態(tài)對植物的生理代謝過程具有重要的影響[13]，但大多數(shù)植物不能直接利用分子態(tài)氮，一些細(xì)菌可以將這些分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化成結(jié)合態(tài)氮被植物利用。內(nèi)生固氮菌可以作為生物控制和植物生長促進(jìn)劑，對內(nèi)生固氮菌研究始于20世紀(jì)80年代，植物內(nèi)生細(xì)菌具有的固氮作用已被大量試驗(yàn)研究所證實(shí)[14-18]。王琦琦等[19]從木堿蓬根際分離獲得58株耐鹽微生物，其中有8株具有固氮活性。具有固氮活性的內(nèi)生菌可以產(chǎn)生固氮酶，固氮酶不僅能將氮還原成氨，還可以傳遞電子，從而固定空氣中的氮素傳遞給植物吸收利用[20]。

2.2 促生作用

一部分內(nèi)生細(xì)菌可分泌甲酸、乙酸、丙酸、乙醇酸、延胡索酸等多種有機(jī)酸，降低土壤pH值，將難溶性磷酸鹽和不溶鉀鹽溶解成為植物可吸收利用的磷、鉀鹽，提高土壤速效磷和鉀元素含量，促進(jìn)植株的生長發(fā)育[21-23]。一部分內(nèi)生細(xì)菌也能夠合成植物生長素3-吲哚乙酸（IAA）及其類似物。IAA的前體是色氨酸，它可以促進(jìn)植物的光合作用及其生長發(fā)育，對植物抽枝或幼苗頂部芽端形成均有促進(jìn)作用。賈西貝等[24]從堿蓬根際土壤中分離篩選獲得一株可產(chǎn)生IAA的促生菌株BG-5，經(jīng)通過16SrDNA序列分析，后可知該菌株為短小芽孢桿菌（Bacilluspumilus）。芽孢桿菌可以通過植物光合作用和碳水化合物的影響，促進(jìn)植物的生長活力[25]。宋立超等[26]在堿蓬根際分離獲得一株細(xì)菌B-1，16SrRNA序列分析該菌株可能是動(dòng)性球菌屬（Planococcus），具有解磷和產(chǎn)生IAA的作用，且有一定促生潛力。堿蓬內(nèi)生假單胞菌屬不僅可以產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶，將乙烯前體ACC分解成氨和α-丁酮酸，降低乙烯濃度，緩解乙烯對植物的不良反應(yīng)，促進(jìn)植物生長[27]；還可以不同程度地產(chǎn)生鐵載體、吲哚乙酸、赤霉素（GA）和脫落酸（ABA），促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收[28]。

2.3 抗鹽堿作用

堿蓬具有適應(yīng)鹽堿地惡劣環(huán)境的能力，體內(nèi)鹽含量相對較高，絕大多數(shù)的細(xì)菌適合在低鹽堿的環(huán)境中生長繁殖，因此鹽地堿蓬內(nèi)生細(xì)菌屬于極端微生物之一的嗜鹽微生物，且在鹽地不同植株中的中度嗜鹽菌相對穩(wěn)定[29]。劉詩揚(yáng)等[30]從堿蓬中分離獲得1株具一定耐鹽性的芽孢桿菌EB0901，其最適生長pH值為7，可在NaC1濃度為10%以上的堿性培養(yǎng)基中生長。王新新等[31]發(fā)現(xiàn)從堿蓬根際土壤中分離篩選所獲得的戈登氏菌屬（Gordonia）、無色桿菌屬（Achromobacter）、迪茨菌屬（Diet?zia）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和芽孢桿菌屬（Bacillus）對NaCl耐受濃度為6%~10%。研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌產(chǎn)生ACC脫氨酶、分泌鐵載體、調(diào)節(jié)植物激素的分泌、提高植物耐鹽性[32]，即使植物在鹽堿條件下仍然可以繼續(xù)生長發(fā)育。

2.4 生防作用

鹽地堿蓬的優(yōu)勢內(nèi)生細(xì)菌是芽孢桿菌屬，具有明顯的抗菌活性，對植物病原真菌的菌絲體生長有一定的抑制作用[33]。堿蓬內(nèi)生枯草芽孢桿菌對草酸青霉、橘灰青霉、串珠鐮孢菌、冬克青霉、茄病鐮孢菌等10種病原真菌均有良好的抑制效果，對草酸青霉菌菌絲干物質(zhì)抑制率可達(dá)86.4%[34]。有研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌還對鐮刀菌、紫青霉菌、白色念珠菌、稻瘟病菌、蘆筍莖枯病菌、玉米小斑菌、青枯病菌等多種植物病原真菌也有拮抗作用[35-36]。由此可見，堿蓬內(nèi)生芽孢桿菌可以作為植物病原菌的生防菌。

3 鹽堿地改良

鹽堿地因其具有含鹽量高、堿化嚴(yán)重、養(yǎng)分貧瘠、易板結(jié)、透氣性差等特點(diǎn)，使得大多數(shù)植物和微生物難以生存，少數(shù)微生物因具有天然的耐鹽堿能力而得以生存。植物根圍是土壤—植物—微生物三者相互作用的一個(gè)特殊區(qū)域，植物根圍微生物是土壤中物質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力，與土壤肥力、植物生長、土壤狀況等密切相關(guān)[37]。堿蓬對鹽堿地具有良好的適應(yīng)性，是鹽堿地生物改良的理想材料，其根際土壤微生物在土壤改良過程中發(fā)揮著重要作用。

堿蓬是濱海鹽堿地和濱海地區(qū)常見的植物，是一種耐鹽性極強(qiáng)的鹽生植物，能改良濱海鹽漬土[38-39]，改善土壤質(zhì)量，為微生物提供一個(gè)適宜的生存環(huán)境，增加微生物的種類和數(shù)量；堿蓬能有效降低鹽堿地的鹽含量，增加微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[40]，有助于嗜鹽微生物在鹽堿土生物修復(fù)過程中發(fā)揮作用。林學(xué)政等[41]利用鹽地堿蓬對濱海鹽堿地進(jìn)行生物修復(fù)，發(fā)現(xiàn)種植翅堿蓬區(qū)域根際土壤微生物種類和數(shù)量均高于相同地理環(huán)境裸地土壤微生物種類和數(shù)量，原因可能是這些翅堿蓬對鹽堿土壤有改良作用，也可能是翅堿蓬與其根際微生物相互作用促進(jìn)降解微生物生長繁殖，從而促進(jìn)了對鹽堿土壤的修復(fù)。芽孢桿菌和不動(dòng)桿菌，在1.5 mol/L NaCl條件下仍可以生長，Na2CO3耐受性為50 mmol/L，最高pH耐受性為10[42]。蠟樣芽孢桿菌可增加生物膜的形成，降低Na+攝取，適應(yīng)滲透壓的增加[43]，在鹽堿地生物修復(fù)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。鹽堿土壤是一類典型的極端環(huán)境，在極端環(huán)境下微生物可產(chǎn)生胞外多糖（EPS），EPS聚集陰離子與陽離子相互作用，對Na+的吸附能影響外環(huán)境pH改變[44]，達(dá)到改良鹽堿土的目的。因此，堿蓬內(nèi)生中度嗜鹽菌有望為提高作物耐鹽性、改良鹽堿地提供新途徑及菌種資源。

4 展望

堿蓬屬植物具有極強(qiáng)的生命力，可大量生長于鹽堿地帶，堿蓬內(nèi)生細(xì)菌可獲取植物生長所需的資源以及調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。堿蓬內(nèi)生細(xì)菌種類繁多，但大部分培養(yǎng)條件沒有被人們掌握。由于傳統(tǒng)的富集培養(yǎng)和平板培養(yǎng)等方法所能分離得到的微生物數(shù)量不超過總數(shù)的1%，導(dǎo)致所分離得到的堿蓬內(nèi)生細(xì)菌十分有限，且大多無法進(jìn)行培養(yǎng)鑒別。高通量測序是核酸測序以極低的單堿基測序成本和超高的數(shù)據(jù)產(chǎn)出量為特征，速度快和準(zhǔn)確率高為特點(diǎn)，為基因組學(xué)和后基因組學(xué)研究提供了新的科研方法和解決方案。高通量是目前植物病原菌分子檢測的發(fā)展方向，隨著高通量測序技術(shù)的迅速發(fā)展，基因組測序通量更高，測序時(shí)間和成本逐漸下降，使其已普遍應(yīng)用于微生物的基因組學(xué)研究，高通量測序技術(shù)能更加全面、準(zhǔn)確、快速反映環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)。目前，對于鹽地堿蓬微生物的試驗(yàn)研究多局限于純培養(yǎng)法的分離鑒定，若將高通量技術(shù)應(yīng)用于堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的試驗(yàn)研究中，可以充分了解到堿蓬不同組織內(nèi)生細(xì)菌的多樣性。

現(xiàn)有的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)堿蓬內(nèi)生細(xì)菌具有固氮作用對植物的生長發(fā)育起到促進(jìn)作用，但具體固氮菌株種類尚未明確，還需繼續(xù)對具有固氮作用的堿蓬內(nèi)生菌株進(jìn)行分離鑒定。大部分對堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的研究主要集中于堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的促生作用，在堿蓬內(nèi)生細(xì)菌的生防作用方面的研究較少，僅明確了堿蓬內(nèi)生芽孢桿菌可以抵抗病原菌，但堿蓬內(nèi)生菌的生防機(jī)理尚未明確。因此仍需對堿蓬內(nèi)生細(xì)菌繼續(xù)進(jìn)行研究，篩選出生防效果良好的菌株。

微生物修復(fù)鹽堿土壤環(huán)境是一項(xiàng)新型技術(shù)，與傳統(tǒng)的化學(xué)、物理等方法修復(fù)鹽堿土壤技術(shù)相比，處理成本低、處理方式多樣、對環(huán)境影響小，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。利用堿蓬改良鹽堿土仍然是研究重點(diǎn)，多數(shù)研究成果僅限于實(shí)驗(yàn)階段，研究關(guān)鍵是篩選出能夠高效生物修復(fù)的菌株[37]。有研究發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、假單胞菌屬的耐鹽性強(qiáng)，可以有效地改良鹽堿地[45]。但在堿蓬內(nèi)生細(xì)菌修復(fù)鹽堿土的研究中，具有修復(fù)鹽堿土作用的菌株尚未明確，仍需繼續(xù)對堿蓬內(nèi)生細(xì)菌進(jìn)行試驗(yàn)研究，篩選出對鹽堿地具有改良作用的菌株。

堿蓬是一種抗逆性極強(qiáng)適合在鹽地和海濱沙灘生存的鹽生植物，堿蓬內(nèi)生細(xì)菌是極具利用價(jià)值和開發(fā)潛力的微生物資源，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從堿蓬不同組織中篩選培育出具有促生、防病蟲害、降解污染物、修復(fù)土壤等功能優(yōu)良、安全、廣譜、穩(wěn)定的菌株，將為綠色可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。