植物促生菌群體感應系統(tǒng)對根際環(huán)境脅迫響應機制的研究進展*

易盛煒， 李 峰

(湘潭大學 環(huán)境與資源學院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

近年來，隨著全球氣候變化的加劇，干旱、洪澇、沙塵暴、高低溫極端天氣等自然災害頻發(fā)，直接迅速地沖擊農(nóng)業(yè)領域，造成世界眾多國家和地區(qū)的糧食生產(chǎn)、糧食供應、糧食安全受到不同程度的影響.我國是全球第一產(chǎn)糧大國、第一糧食消費大國，用占世界7%的耕地養(yǎng)活著世界22%的人口，確保國家糧食安全對維護世界糧食安全具有重要意義.目前我國正努力實現(xiàn)從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變，因此保證水稻、小麥和玉米等主要糧食作物的安全生產(chǎn)顯得極為迫切.然而我國耕地土壤重金屬污染嚴重，點位超標率達19.4%，以鎘為首的重金屬污染頻致“鎘大米”等糧食安全事件的發(fā)生，對我國糧食安全造成了巨大危害[1].

為使耕地達到安全利用，我國急需發(fā)展綠色高效的耕地修復技術控制重金屬污染，以此保障我國的糧食安全.然而，我國多數(shù)耕地土壤重金屬污染以輕微污染為主，占比為13.7%，采用物理修復(客土、深耕)、化學修復(鈍化劑、調(diào)整pH值)等修復技術因成本高或造成潛在污染等原因難以大面積推廣使用[2-3]，而土壤微生物-植物聯(lián)合修復的原位修復技術因其廉價安全有效，有望用于輕微污染耕地的修復[4].植物根際是根系和微生物之間代謝活動和信息交流極為重要的區(qū)域，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注，特別是植物促生菌(Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPR)在植物根際定殖后對植物-微生物修復效率的影響及信號調(diào)控作用的研究[5-7].群體感應(Quorum Sensing，QS)系統(tǒng)是根際環(huán)境中植物根系-微生物間信息交流的重要方式之一，也是微生物種內(nèi)、種間信息傳遞的有效機制[8].通常熒光假單胞菌、芽孢桿菌等PGPR的QS系統(tǒng)調(diào)控機制能直接或間接促進植物的生長，提高抵御病害的能力，但由于復雜的根際土壤環(huán)境因子對該系統(tǒng)產(chǎn)生不可忽視的影響，導致PGPR的有益影響在田間難以重現(xiàn)，而且國內(nèi)外對該根際環(huán)境的信號傳遞研究仍處于起步階段[9-10]，認識環(huán)境因素中非生物/生物脅迫對QS系統(tǒng)的影響是提高PGPR利用水平和可靠性的關鍵.為此，本文著重論述了土壤根際環(huán)境脅迫下PGPR的QS系統(tǒng)的響應與調(diào)控機制，即了解QS系統(tǒng)的信號傳導在調(diào)控根際細菌PGPR功能、保持植物根系活性和土壤污染物消減之間的作用，以期為發(fā)展基于PGPR群體感應促進微生物-植物聯(lián)合修復土壤污染的效果提供新的理論認識，實現(xiàn)中低污染農(nóng)田的安全利用.

1 植物促生菌群體感應系統(tǒng)概述

QS系統(tǒng)調(diào)控主要通過種群密度影響基因的表達.隨著PGPR種群密度逐漸增大，分泌的自誘導信號分子(Autoinducer，AI)在外膜或細胞質(zhì)中積累達到閾值，然后AI與受體蛋白結(jié)合，作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子啟動特定基因的表達，以實現(xiàn)某些重要的生理功能或保持協(xié)調(diào)一致的生理行為.這些功能及行為包括生物發(fā)光[11]、毒力因子分泌[12]、生物膜形成[13]、基因水平轉(zhuǎn)移[14]、鐵載體形成[15]、質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移[16]、抗生素產(chǎn)生[17]、孢子產(chǎn)生[18]等.這些行為對于微生物提高細菌群體攝取營養(yǎng)、抵御外敵，提升其環(huán)境適應性起著至關重要的作用.尤其近年來，隨著微生物-植物跨界QS系統(tǒng)逐漸發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)PGPR與根際植物系統(tǒng)信號調(diào)控過程密切相關，這對于探索根際微生物-植物間精細互作機制提供了新的途徑.

1.1 種內(nèi)群體感應系統(tǒng)

N-酰基-高絲氨酸內(nèi)酯(N-acylated-homoserine lactones，AHLs)是革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)中常見的信號分子.AHLs以保守的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)為核心，連接一個C4-C18(多為偶數(shù))的酰基側(cè)鏈，側(cè)鏈第三個碳上的氫經(jīng)常被羥基或氧取代，并存在雙鍵改變[19]，結(jié)構(gòu)如圖1所示.親水性的高絲氨酸內(nèi)酯及疏水性的脂肪酸側(cè)鏈使得AHLs分子具有水溶性、膜透過性，可以自由進出細胞，以便進行信號的傳遞[20].AHLs的合成及作用過程主要由LuxI/LuxR型系統(tǒng)調(diào)控，其類似的系統(tǒng)有LasI/LasR、RhlI/RhlR及PcoI/PcoR[21]等，模型如圖2所示.LuxR蛋白是細胞質(zhì)內(nèi)自誘導物感受因子，同時也是一種激活DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄的元件，負責特異性結(jié)合AHLs，AHLs-LuxR復合物與下游的靶基因啟動子相結(jié)合，從而激活下游基因的轉(zhuǎn)錄翻譯過程[22].

寡肽類(Auto-inducing peptides，AIPs)物質(zhì)主要被革蘭氏陽性菌作為信號分子，AIPs是由雙組分磷酸激酶蛋白經(jīng)過修飾產(chǎn)生的，其化學結(jié)構(gòu)有小寡肽、環(huán)內(nèi)酯/硫內(nèi)酯肽、類細菌肽等多種類型，氨基酸數(shù)量多數(shù)為5～17個.寡肽類QS信號分子結(jié)合的受體可以分為三大類：天冬氨酰磷酸酶(Rap)、中性蛋白酶調(diào)控因子及其同源物(NprR)、磷脂酶調(diào)控因子(PlcR)，根據(jù)調(diào)控下游基因方式及信號分子受體的不同，可以將芽孢桿菌中利用寡肽信號分子的QS系統(tǒng)分為PlcR-PapR、Rap-Phr及NprR-NprX三大類[23].除了小寡肽以完整形式內(nèi)在化進入細胞質(zhì)并直接或間接調(diào)節(jié)基因表達外，大多數(shù)AIPs信號是通過兩組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸?shù)?，該系統(tǒng)由整合到膜中的組氨酸激酶受體和控制靶基因表達的胞質(zhì)應答調(diào)節(jié)劑組成[24].各QS系統(tǒng)之間還存在等級、平行及競爭型等調(diào)控方式，共同構(gòu)成了復雜的群體感應調(diào)控網(wǎng)絡[25].

圖1 AHLs信號分子結(jié)構(gòu)[19]Fig.1 Chemical structure of AHLs signaling molecules

圖2 LuxI/R系統(tǒng)調(diào)控圖Fig.2 LuxI/R system regulation diagram

1.2 種間群體感應系統(tǒng)

根際微生物群落的多樣性決定了微生物種間必然存在信息傳遞，呋喃硼酸酯類(Autoinducer-2，AI-2)被認為是微生物種間通信的通用信號分子，AI-2信號分子合成主要依賴于LuxS編碼的LuxS蛋白酶，因此LuxS被認為是AI-2信號分子合成的標志性基因[26].基于luxS/AI-2的同源基因可以在數(shù)百種微生物中找到，并且若干具有l(wèi)uxS同源基因的其他種類細菌可以誘導指示菌哈維氏弧菌產(chǎn)生熒光[27].目前促生菌AI-2信號分子調(diào)控參與生物被膜形成并加強植物定殖成為了研究的熱點[28].

1.3 群體感應系統(tǒng)的跨界通信

群體感應系統(tǒng)不僅被微生物用于種內(nèi)種間通信，同時也能通過跨界通信調(diào)控植物行為變化.目前研究最深入的AHLs信號分子被證明能影響植物的根系發(fā)育、誘導植物防御、應激反應、激素平衡和代謝調(diào)節(jié)[29-30].不同?；滈L度的AHLs對植物的影響不同，短酰基鏈(C4-C6)主要促進植物主根伸長，酰基鏈(C10)促進側(cè)根生長并使根尖區(qū)附近根毛增多，主要由信號分子調(diào)控植物生長激素、分生區(qū)的細胞分裂實現(xiàn)上述過程.AHLs?；溤介L，對植物的促生作用越小[31].長?；?C12-C16)則主要誘導植物對病原菌的系統(tǒng)抗性，?；?C4-C10)還能誘導產(chǎn)生超氧化物歧化酶和脫氫抗壞血酸還原酶等抗氧化酶[32].外加C6-HSL能促進冬小麥的生長并顯著提高產(chǎn)量，減少對殺菌劑和化肥的依賴以對抗病原體的脅迫，初步證明AHLs類信號分子能影響谷物的萌發(fā)、植株發(fā)育和產(chǎn)量[33].植物自身也會釋放類似AHLs信號模擬物如迷迭香酸、核黃素衍生物等，或者降解AHLs的酶以適應多變的根際環(huán)境，迷迭香酸、核黃素衍生物能分別刺激銅綠假單胞菌RhlR、LuxR依賴的轉(zhuǎn)錄，刺激生物膜的形成以及綠膿素的產(chǎn)生[34].銅綠假單胞菌產(chǎn)生的擴散性信號分子(DSF)及二酮哌嗪類化合物(DKPs)調(diào)控植物水楊酸、脫落酸和生長素的分泌基因表達，DSF調(diào)控若干致病因子，同時誘發(fā)植物的先天免疫[35].另外，真核生物也可感知和響應細菌QS信號分子，在AHLs作用下微藻產(chǎn)生芳香蛋白來刺激自身葉綠素聚集[36].盡管目前已知細菌QS信號分子廣泛存在于根際并對植物生長產(chǎn)生調(diào)控作用，但暫不知AHLs是在被病原菌侵染的植物組織局部上發(fā)揮作用，還是在根部感知后被吸收并轉(zhuǎn)移到莖葉上系統(tǒng)地起作用，即AHLs在植物間的信號傳輸通路未來還需進一步研究[37].

2 植物促生菌的促生機制

PGPR作為對植物生長有益的一類細菌，在有機質(zhì)分解、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、固氮解磷和調(diào)節(jié)作物生長等過程中發(fā)揮著重要的作用，其菌劑作為農(nóng)藥、化肥的替代品具有廣闊的應用前景.植物根系分泌物如酶、初級代謝物(有機酸、碳水化合物)及次級代謝物(生物堿、酚類物質(zhì))等作為微生物食物來源，大量微生物附著在根系表皮細胞連接處、根毛和新生側(cè)根等根系表面并形成微菌落而定殖[38].目前，少數(shù)細菌(1%～2%)具有植物促生作用，芽孢桿菌屬和假單胞菌屬在植物促生菌中占主導地位[39].

PGPR對植物的促生機制主要分為三種：(1) PGPR分泌的表面活性劑、離子轉(zhuǎn)運蛋白及有機酸等物質(zhì)能夠增強植物的環(huán)境適應能力, 提高土壤中氮磷等營養(yǎng)元素的生物利用度，并促進根部對重金屬離子的吸收、積累或固定；(2) PGPR產(chǎn)生抗生素、誘導系統(tǒng)抗病性、分泌細胞酵素及與病原物競爭寄主植物上的定殖位點等來拮抗病原菌及抑制植物病原菌的生長[40]；(3) PGPR可增強植物抵抗外界不良環(huán)境的非生物脅迫.如在鹽脅迫下，PGPR接種于植物根系后能降低環(huán)境中脯氨酸和丙二醛的水平，提高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶等抗氧化酶的活性[41]，并通過引起植物激素分泌維持有毒離子的穩(wěn)態(tài)，改善植物的營養(yǎng)，從而提高植物的耐鹽堿能力[42].植物促生菌對植物的促生作用及主要信號分子的生成見表1.

表1 植物促生菌的作用及主要信號分子的生成

3 植物促生菌群體感應系統(tǒng)對根際環(huán)境脅迫的響應

植物促生菌QS系統(tǒng)是微生物-植物溝通交流的橋梁，并高效地促進植物的生長及抵御根際不良環(huán)境.QS系統(tǒng)運行中往往受外界多因素環(huán)境脅迫，包括缺氧、鹽堿、酸鋁、重金屬/有機物污染、生物炭等非生物脅迫及病原菌等生物脅迫，分析QS系統(tǒng)對這些因素的響應及調(diào)控機制，有助于理解QS系統(tǒng)在植物促生菌-植物間互作和土壤污染物消減過程中的作用.植物促生菌QS系統(tǒng)與植物根際互作的關系如圖3所示.

圖3 植物促生菌QS系統(tǒng)與植物根際作用關系圖Fig.3 Relationship between QS system and rhizosphere of plants

3.1 根際土壤非生物脅迫

3.1.1 缺氧環(huán)境氧氣(O2)作為最有效的呼吸鏈末端電子受體，為微生物生命活動提供能量，不同的O2供給水平導致PGPR生理活動及其代謝產(chǎn)物種類產(chǎn)生變化.由于根部周圍生物對土壤中O2的過度消耗或者O2供給不足導致根際PGPR常介于好氧與厭氧之間的缺氧區(qū)域.

目前研究大多關注缺氧條件下PGPR功能基因的表達差異.研究發(fā)現(xiàn)缺氧環(huán)境下脂單胞菌及根瘤菌等代表性菌株的AHLs合成酶基因NovI、EnsI1及EnsI2的表達顯著性上調(diào)，且質(zhì)粒上的AHLs合成酶基因響應缺氧環(huán)境比染色體上的更加敏感[61].缺氧條件下QS系統(tǒng)會調(diào)控許多下游基因的表達，如假單胞菌趨化性甲基轉(zhuǎn)移酶基因、乙酰輔酶A合成酶基因、周質(zhì)硝酸鹽還原酶蛋白NapE及氰化氫合成酶HcaABC等124個基因在缺氧實驗條件下表現(xiàn)出了顯著差異性[62-63].脫氮副球菌也能通過QS系統(tǒng)調(diào)控反硝化過程中亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶以及氧化亞氮還原酶的活性，最終影響亞硝酸向一氧化氮到氧化亞氮還原釋放過程，初步證明AHLs信號分子在缺氧環(huán)境中能對氮循環(huán)微生物產(chǎn)生調(diào)控作用[64].為了避免氧自由基和活性氧導致氧化應激損傷細胞，PGPR通過AHLs介導的生物膜形成基因的高水平表達，形成生物膜及胞外聚合物等阻止氧自由基進入細胞，在過氧化氫酶和鐵氧化酶作用下降解，以保證菌群的核心代謝基因豐度的穩(wěn)定[65].

可見，細菌QS系統(tǒng)對土壤環(huán)境的供氧量變化的響應調(diào)控有著重要影響，缺氧脅迫能提高群體感應強度，促使根際植物促生菌代謝加劇、根際定殖能力增強，從根部獲取更多的營養(yǎng)物質(zhì)，彌補氧氣供應不足帶來的能量損失，進而維持正常的生命過程.

3.1.2 鹽堿及酸鋁環(huán)境我國西北地區(qū)耕地土壤鹽堿化是限制當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要因素，其中高滲透壓條件、離子毒性(Na+和Cl-)及高水平的乙烯量是限制作物產(chǎn)量的主要非生物脅迫.PGPR通過調(diào)節(jié)植物激素狀態(tài)、基因表達、蛋白質(zhì)功能和代謝物合成來調(diào)節(jié)滲透平衡和離子穩(wěn)態(tài).QS系統(tǒng)調(diào)控產(chǎn)生的吲哚乙酸(IAA)和胞外分泌物(EPS)引起應激反應通路，IAA能降低植物乙烯的水平增強抗逆性，而EPS通常形成一個封閉的基質(zhì)微菌落提供水分和營養(yǎng)，保護促生菌免受環(huán)境波動[66].在鹽(NaCl)脅迫下，嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌接種于小麥根部后能顯著降低芽、根中Na+的積累并增加對K+的吸收，同時增強超氧化物歧化酶等抗氧化酶及苯丙氨酸解氨酶等防御酶的活性[67].環(huán)境DNA(eDNA)是EPS的共同組成部分，假單胞菌的AHLs和喹諾酮信號(PQS)等QS分子調(diào)控細胞裂解因子，誘導細胞裂解使eDNA釋放，微生物在惡劣條件下細胞對eDNA的攝取增加，以增強群落的基因組適應性[68].鹽堿地常伴隨著高溫干旱，熒光假單胞菌一般在高于37℃時活菌含量急速下降，研究表明氧化脅迫使熒光假單胞菌SN15-2的150種蛋白質(zhì)差異性表達，提高了一系列抗氧化物質(zhì)及甜菜堿和海藻糖等蛋白保護劑含量，可使菌體免受高溫損傷，另外，菌體的生防能力也免受高溫的影響[69-70].證明QS系統(tǒng)介導產(chǎn)生的IAA及EPS通過誘導植物抗性及提高PGPR脅迫耐受性，進一步穩(wěn)定QS系統(tǒng)操縱信號通路和調(diào)節(jié)功能，從而對植物的防御和發(fā)育產(chǎn)生積極的影響.

我國南方地區(qū)酸雨常導致耕地呈現(xiàn)弱酸性，酸性土壤使礦物質(zhì)中鋁離子滲出即形成酸鋁脅迫，一般植物根尖及其微生物在酸鋁脅迫下會在幾小時內(nèi)死亡.研究發(fā)現(xiàn)投加Ca2+、P能顯著增加根際土壤中AHLs的含量，QS調(diào)控增強植物根部對K+吸收[71]，同時發(fā)現(xiàn)根瘤菌數(shù)量與QS強度呈正相關，原因是QS系統(tǒng)介導質(zhì)?；蛩睫D(zhuǎn)移的增強能保證根瘤菌的整體結(jié)瘤能力，提高了其種群結(jié)瘤固氮、耐酸鋁的能力[72]，而芽孢桿菌屬、假單胞菌屬等PGPR將能土壤中難溶的絡合磷酸鹽轉(zhuǎn)化成易溶的無機磷酸鹽離子，為可利用磷酸鹽提供了保證，以維持較高的群體感應強度[73].向土壤環(huán)境中投加氮肥形成的高氮濃度，在其壓力下細菌為保證自身活性會分泌大量的C8-HSL，導致排放過量的胞外聚合物，抵抗強氮濃度的沖擊，而在水稻土根際中，溶解性有機氮的含量與AHLs的產(chǎn)生成正比，N循環(huán)酶對高分子量N向低分子量N的轉(zhuǎn)化依賴于QS系統(tǒng)及其在根際土壤中的行為，QS系統(tǒng)可能是根際氮礦化過程中的控制點[74].從QS系統(tǒng)調(diào)控角度證明Ca2+、N、P、K等微量營養(yǎng)元素對于抵抗外界酸鋁脅迫以維持根際穩(wěn)定的重要作用.

3.1.3 生物炭施加生物炭由于其對土壤改良的作用而引起了人們極大的關注.它們增強了碳儲量、土壤肥力質(zhì)量以及污染物(有機和重金屬)的固定和轉(zhuǎn)化[75].生物炭的投加會引起的土壤pH升高并驅(qū)動AHLs信號的水解，從而減少了生物可利用的AHLs的數(shù)量，使細菌細胞間的通信失活[76].此外，不同制備溫度的生物炭對AHLs介導的細胞通信抑制能力不同，如在700 ℃條件下制備的生物炭(表面積為301 m2/g)對細胞通信的抑制作用是300 ℃條件下同等質(zhì)量生物炭(表面積為3 m2/g)的10倍以上[77].研究發(fā)現(xiàn)利用500 ℃條件下制備的水稻生物炭，較低的施用量能提高細菌群落穩(wěn)定性，增加對K+和Mg2+的吸收，顯著提高水稻產(chǎn)量[78].因而可利用不同生物炭制備方法或者改變添加量調(diào)節(jié)土壤細菌細胞間信號的基因表達，以改變土壤有機物的分解速率和改變植物生物量的生產(chǎn)，未來應考慮如何實現(xiàn)生物炭的各種環(huán)境效應之間的權衡，以及研究生物炭-微生物群相互作用對土壤修復和改良的作用機理[79].

3.1.4 重金屬污染土壤中鎘、鉛等重金屬通過氧化應激產(chǎn)生超氧化物(O2-)、過氧化氫(H2O2)等破壞氧化還原的穩(wěn)態(tài)，導致植物細胞死亡，降低農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[80].PGPR一般通過細胞膜轉(zhuǎn)運作用、螯合吸附作用、氧化還原作用來固定、移除或轉(zhuǎn)化金屬，降低其毒性，最終提高其耐受性[81-82].其中QS系統(tǒng)調(diào)控產(chǎn)生的鐵載體除了螯合Fe3+外，還具有螯合其它重金屬如Al3+、Zn2+、Cu2+、Pb2+和Cd2+的能力，從而維持微生物的穩(wěn)態(tài)和重金屬耐受性[83].近來研究發(fā)現(xiàn)Ag+、Cu2+等重金屬離子可與QS信號分子N-乙基-L-高絲氨酸內(nèi)酯(HHL)發(fā)生絡合反應，Ag+與HHL產(chǎn)生的金屬配合物相比Ag+生物毒性明顯降低[84].QS介導產(chǎn)生的EPS中的羧基、羥基、酚基、磷酸基和巰基與帶正電荷的重金屬發(fā)生反應進而固定，減少氧化自由基的形成.可溶性EPS對重金屬的吸附能力高于結(jié)合態(tài)EPS，且EPS與二價陽離子(Ca2+和Mg2+)的結(jié)合在維持生物膜結(jié)構(gòu)中起重要作用，同時QS介導形成的生物膜也能有效地阻止各種氧自由基進入細胞內(nèi)[85].除了PGPR自身的代謝活動，在重金屬脅迫下QS系統(tǒng)還間接調(diào)控超富集植物修復重金屬離子，如產(chǎn)生ACC脫氨酶降低植物中乙烯的含量，并產(chǎn)生植物激素促進超富集植物生長，提高對重金屬離子的轉(zhuǎn)運吸收[86].

3.1.5 有機物污染有機污染物如多環(huán)芳烴(PAHs)等具有較高的疏水性且理化性質(zhì)穩(wěn)定，進入土壤環(huán)境后在植物、動物體內(nèi)逐級富集，最后通過食物鏈對人體造成危害[87].QS基因調(diào)控多環(huán)芳烴(PAHs)生物降解的各種關鍵是EPS的形成、生物表面活性劑的產(chǎn)生、水平基因的轉(zhuǎn)移.EPS中含生物表面活性劑對多環(huán)芳烴的增溶起著至關重要的作用，多環(huán)芳烴的溶解使其很容易被細菌細胞降解.編碼長鏈AHLs的LasI基因和編碼短鏈AHLs的RhlI基因?qū)︺~綠假單胞菌N6P6生物膜的形成和EPS的產(chǎn)生具有調(diào)節(jié)作用，這些因素與細胞內(nèi)信號分子一起，顯著地提高了菲、苯酚、苯甲酸的降解率[88-89].QS系統(tǒng)的調(diào)控活動在加強天然污染場所的生物修復方面可能發(fā)揮著關鍵作用，目前已報道芽孢桿菌及假單胞菌屬通過兒茶酚、雙加氧酶等對菲、芘等多環(huán)芳烴具有較好的降解效果[90-91]，但是對于QS系統(tǒng)參與有機物污染降解相關基因的調(diào)控作用研究相對較少，未來值得關注.QS系統(tǒng)調(diào)控對重金屬和有機污染物的影響如圖4所示.

圖4 QS系統(tǒng)調(diào)控對重金屬和有機污染物的影響Fig.4 The effect of QS system regulation on heavy metals and organic pollutants

3.2 根際土壤生物脅迫

在根際環(huán)境存在著大量的病原菌對植物根系及PGPR產(chǎn)生影響.假單胞菌的QS系統(tǒng)能調(diào)控分泌2，4-二乙?；g苯三酚(2，4-DAPG)等抗生素有效控制植物病原菌，AHLs及DKPs參與誘導植物系統(tǒng)抗性(Induced Systemic Resistance, ISR)，ISR與根際區(qū)域微生物拮抗的生理耐受以及防御反應導致的植物抗毒素的產(chǎn)生直接相關[92].同時QS系統(tǒng)通過產(chǎn)生鐵載體螯合環(huán)境中的Fe3+進而還原成Fe2+被自身利用, 假單胞菌形成的鐵離子絡合物難被本屬以外的其它細菌利用，因此能夠抑制并減少植物根部病原菌的數(shù)量，同時螯合的鐵離子被植物利用促進生長[93].QS系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境的干擾發(fā)生群體感應淬滅(Quorum quenching, QQ)，通常QQ的發(fā)生主要通過以下途徑：(1) 限制LuxI等信號分子合成基因的表達；(2)對已產(chǎn)生的AHLs等信號分子的降解；(3)阻止QS信號分子向靶向信號受體的結(jié)合.基于QS系統(tǒng)調(diào)控抑制病原菌致病因子的表達, 使病原菌不能侵染寄主或降低致病力, 且不易使病原菌產(chǎn)生抗性.利用相關QS降解基因及降解酶等制成信號分子類似物、信號分子降解酶劑、信號受體激活劑/抑制劑等抑制群體感應阻隔植物病原菌的侵擾將成為一種綠色環(huán)保型病害防治策略[94].目前已知有農(nóng)桿菌AttM芽孢桿菌AiiA內(nèi)酯酶、乳糖酶和脂肪酸酰胺水解酶等具有破壞AHLs分子內(nèi)酯環(huán)鍵的能力，對AHLs類信號分子具有降解作用，常作為AHLs分子的抑制劑[95].通過外加群體抑制劑抑制土壤中AHLs(C4-C8)的信號分子濃度，能顯著降低土壤中抗生素抗性基因的豐度，以此降低病原菌在高抗生素環(huán)境中產(chǎn)生耐藥性的風險[96].未來可通過基因工程，可以在不同植物促生菌中轉(zhuǎn)移一些編碼QQ酶的細菌基因，以抑制病原菌的生長以增加作物產(chǎn)量并促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐的需要[97].

4 結(jié)論與展望

由上述可知，在面對根際環(huán)境中缺氧、鹽堿、酸鋁等非生物脅迫及病原菌等生物脅迫時，PGPR的QS系統(tǒng)能響應并調(diào)控自身行為降低脅迫的不良影響，并協(xié)調(diào)微生物-植物互作共同發(fā)揮生防功能抵御病原菌，最重要的是QS系統(tǒng)能促進重金屬及有機物污染的消減.QS系統(tǒng)在面對根際環(huán)境脅迫時通過提高QS強度，產(chǎn)生AHLs等信號分子誘導功能基因的表達，如分泌大量的胞外聚合物抵御外界不良環(huán)境的干擾，形成生物膜加強根部定殖以保證正常的生防功能，調(diào)控產(chǎn)生IAA、抗生素等植物激素誘導啟動植物的ISR系統(tǒng)抵御外界不良環(huán)境.與此同時，QS系統(tǒng)能介導PGPR產(chǎn)生鐵載體螯合、信號分子自身的螯合降低重金屬的生物毒性，并利用產(chǎn)生的表面活性劑增溶土壤有機污染物.值得注意的是外界施加生物炭會抑制QS系統(tǒng)產(chǎn)生信號分子，這對未來應用材料修復土壤污染時應充分考慮其對于土壤植物、微生物活性的影響.PGPR菌群復雜的QS系統(tǒng)在維持根際環(huán)境穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要的調(diào)控作用，但也易受到干擾發(fā)生QS淬滅.可見，發(fā)展以植物根際QS系統(tǒng)調(diào)控為基礎的土壤原位修復技術，實現(xiàn)中輕度土壤重金屬/有機污染修復和安全利用，充滿了機遇與挑戰(zhàn).為此，可從以下幾方面加強研究，以發(fā)展更有效的土壤微生物-植物聯(lián)合修復技術：

(1) 在我國耕地土壤復合污染導致的糧食安全問題加劇的背景下，未來應關注根際環(huán)境中PGPR的QS系統(tǒng)對于重金屬/有機復合污染等脅迫下的信號調(diào)控作用.植物根系細胞中是否存在QS信號分子的受體及其如何感知QS信號分子的傳導機制目前還不清楚，PGPR的信號分子在保持植物根系活性和土壤復合污染物消減之間的作用關系也有待深入研究.加強微生物組等新興組學技術的研究必然會進一步揭示QS系統(tǒng)的根際環(huán)境調(diào)控機制.

(2) 源頭抑制微生物的信號傳遞途徑的群體感應淬滅研究需要加強，從根際環(huán)境中找出信號分子降解相關的酶、菌群及外源物質(zhì)，對于保護根際群落的穩(wěn)定性具有重要意義.

(3) 利用轉(zhuǎn)基因技術改造PGPR，加強信號分子與植物根系、污染物的互作研究，充分發(fā)揮QS系統(tǒng)在根際信號傳遞中的作用，以此推動土壤微生物-植物聯(lián)合原位修復技術的發(fā)展.