胞外多糖促進(jìn)脅迫條件下農(nóng)作物生長的研究與展望

魏宏宇， 李 怡， 彭帥英， 黃 林， 張 寶， 李昆太， 程 新

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用微生物研究所，江西 南昌 330045； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330045； 3.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東 湛江 524088)

胞外多糖(Exopolysaccharides, EPS)是一些特殊微生物在生長代謝過程中分泌到細(xì)胞壁外的水溶性多糖，屬于微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物[1]，可以分為由一種單糖構(gòu)成的同多糖和由2種以上單糖構(gòu)成的雜多糖，對(duì)微生物的生長、定殖、抗逆等生理學(xué)過程有重要意義[2]，近年來已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等多領(lǐng)域[3]。

多糖類物質(zhì)在誘導(dǎo)植物抗逆性方面的應(yīng)用正日益引起人們的關(guān)注。相對(duì)于其他外源添加物，多糖不僅具有較好的環(huán)境友好特性，同時(shí)由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性和分子內(nèi)活性基團(tuán)的多樣性，多糖也具有改善土壤特性[4]、提高作物抗逆性[5]、吸附重金屬離子等復(fù)合效應(yīng)，是一種非常具有應(yīng)用前景的農(nóng)業(yè)生物材料。相比于其他來源的多糖，微生物所產(chǎn)生的胞外多糖具有產(chǎn)量高、易分離、周期短等特性，但目前對(duì)其研究主要集中于食品醫(yī)藥領(lǐng)域，對(duì)其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段。結(jié)合近年來在本領(lǐng)域的研究成果，對(duì)目前應(yīng)用于農(nóng)作物脅迫領(lǐng)域的產(chǎn)胞外多糖菌株進(jìn)行了歸納(表1)，并總結(jié)了胞外多糖對(duì)鹽、干旱、重金屬等脅迫條件下農(nóng)作物的影響，進(jìn)而對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)本領(lǐng)域相關(guān)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行展望，旨在推進(jìn)胞外多糖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究。

表1 應(yīng)用于農(nóng)作物脅迫領(lǐng)域的產(chǎn)胞外多糖菌株

1 胞外多糖對(duì)不同脅迫條件下農(nóng)作物生長的影響

在農(nóng)作物生長過程中，環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物所產(chǎn)生的脅迫效應(yīng)一直是困擾當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問題[46]。不良環(huán)境會(huì)造成農(nóng)作物產(chǎn)量的降低，重金屬等污染物還會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成嚴(yán)重的威脅[47]。近年來的研究結(jié)果表明，胞外多糖的應(yīng)用可以顯著提高農(nóng)作物對(duì)不同脅迫環(huán)境的抗逆能力[48]，提高作物產(chǎn)量，胞外多糖在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景[49]。

1.1 胞外多糖調(diào)節(jié)鹽脅迫下農(nóng)作物的生長特性

世界上大約有20%的灌溉土壤受到鹽脅迫的影響，且呈不斷惡化的趨勢(shì)[50]，鹽脅迫已成為農(nóng)作物面臨的重要脅迫之一。近年來，胞外多糖被發(fā)現(xiàn)具有限制Na+流動(dòng)以及提高植物滲透脅迫耐受性等功能，展現(xiàn)出其在植物耐鹽領(lǐng)域中的非凡潛力[51]。胞外多糖不僅可以顯著降低Na+和Cl-的吸收，提高作物地上部分N、P和K的積累，改善水稻、小麥、玉米、向日葵等農(nóng)作物在鹽脅迫下的生長性能，提高作物的活力指數(shù)，而且胞外多糖的加入對(duì)農(nóng)作物體內(nèi)光合色素、脯氨酸等物質(zhì)的含量變化也有著顯著影響，對(duì)鹽脅迫下農(nóng)作物耐鹽性的提高有巨大的作用[7,20,24,31,33,36]。

除單一胞外多糖之外，多種胞外多糖聯(lián)用被證實(shí)具有更好的誘導(dǎo)農(nóng)作物耐鹽脅迫的性能。Upadhyay等[8]將3株產(chǎn)胞外多糖的菌株同時(shí)接種到鹽脅迫下小麥幼苗盆栽的土壤中，發(fā)現(xiàn)小麥幼苗的各項(xiàng)生長性能均得到了不同程度的提高，并且相較于接種單一菌株，多菌株聯(lián)用具有更顯著的促進(jìn)效果。此外，胞外多糖與其他物質(zhì)聯(lián)用也被發(fā)現(xiàn)具有更好的促生效果。Isfahani等[9]在鹽脅迫下的番茄栽培過程中添加了納米硅、弗氏檸檬酸桿菌(Citrobacterfreundii)及其所產(chǎn)胞外多糖，結(jié)果表明，3種物質(zhì)聯(lián)用能顯著降低脯氨酸含量與抗氧化酶的活性，提高番茄的生長發(fā)育指標(biāo)。但有趣的是，單一添加菌懸液時(shí)該現(xiàn)象卻沒有發(fā)生，這也間接說明胞外多糖在農(nóng)作物抗鹽脅迫中具有良好的誘導(dǎo)作用。上述研究結(jié)果均表明，聯(lián)合使用多種類型胞外多糖或胞外多糖與其他物質(zhì)聯(lián)用在保護(hù)農(nóng)作物免受鹽脅迫危害方面具有更好的效果，未來胞外多糖與同類型植物逆境保護(hù)劑(硅肥、水楊酸、納米硒等物質(zhì))聯(lián)用，在保護(hù)農(nóng)作物免受鹽脅迫危害方面將是一種新思路。

1.2 胞外多糖調(diào)節(jié)干旱脅迫下農(nóng)作物的生長特性

隨著全球變暖的趨勢(shì)逐漸增快，各地干旱化情況不斷惡化，土壤含水量急劇下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅[52]。有研究結(jié)果[11,29-30,32,42]表明，胞外多糖在保持土壤濕度、提高農(nóng)作物抗旱性等方面具有顯著作用。接種產(chǎn)胞外多糖微生物或直接外源施加胞外多糖，不僅可以促進(jìn)玉米、小麥、小米等農(nóng)作物的根長、芽長、干質(zhì)量、葉面積等生長指標(biāo)，同時(shí)，對(duì)作物的根系附著土壤與根系組織比(RAS/RT)、土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、葉片的相對(duì)含水量(RWC) 等指標(biāo)也起到顯著改觀的作用，而植物體內(nèi)與抗旱相關(guān)的基因的相對(duì)表達(dá)量也會(huì)大幅度上升，進(jìn)一步激活農(nóng)作物的抗旱性。當(dāng)采用產(chǎn)胞外多糖菌株及其所產(chǎn)胞外多糖進(jìn)行復(fù)合處理時(shí)，植株的抗旱性均表現(xiàn)為增強(qiáng)，與單一接種菌懸液相比差異顯著[10]，證明胞外多糖是誘導(dǎo)農(nóng)作物抗旱能力提高的關(guān)鍵因子。

另有研結(jié)果究表明，干旱脅迫下微生物胞外多糖的產(chǎn)量與其在農(nóng)作物根部的定殖作用呈正相關(guān)[28]，這表明胞外多糖在根際微生物與植物溝通過程中可能扮演著中間者的角色，是干旱脅迫下根際微生物與植物共生關(guān)系中關(guān)鍵的一環(huán)，但目前有關(guān)這一過程的機(jī)制研究尚不多見，有待進(jìn)一步深入。

1.3 胞外多糖調(diào)節(jié)重金屬脅迫下農(nóng)作物的生長特性

重金屬不僅對(duì)農(nóng)作物造成強(qiáng)烈的氧化脅迫，危害農(nóng)作物的健康生長，同時(shí)還會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重威脅人類的健康[53]，尋求合適的處理方式以緩解重金屬對(duì)農(nóng)作物的脅迫效應(yīng)已成為目前的研究重點(diǎn)。大量研究結(jié)果[12,43-44,54-56]表明，胞外多糖對(duì)環(huán)境中的Cu、Cd、Pb等重金屬離子具有良好的吸附性，能有效緩解重金屬離子在農(nóng)作物體內(nèi)的積累效應(yīng)，使得農(nóng)作物的安全性大大提升；同時(shí)，胞外多糖還具有改善重金屬脅迫條件下農(nóng)作物生長發(fā)育的功能，水稻、菠菜等農(nóng)作物的常規(guī)形態(tài)學(xué)指標(biāo)(根長、芽長、干質(zhì)量、鮮質(zhì)量等)均得到明顯改觀，葉綠素a、葉綠素b等光合色素含量均顯著增加，并且代表農(nóng)作物營養(yǎng)程度的磷酸鹽含量、氮含量等也有所提升。

但值得注意的是，胞外多糖對(duì)重金屬的吸附過程受到pH等環(huán)境因素的調(diào)節(jié)[57]，而不同類型土壤具有不同的理化性質(zhì)，因此其應(yīng)用效果會(huì)隨著使用環(huán)境的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化。

1.4 胞外多糖調(diào)節(jié)病原菌脅迫下農(nóng)作物的生長特性

植物病原菌是引發(fā)植物發(fā)生侵染性病害的微生物，在正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，感染植物病原菌會(huì)造成大面積的農(nóng)作物生長不良，通常伴隨爛葉、爛根、爛果的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)較大數(shù)額的經(jīng)濟(jì)損失并對(duì)種植場(chǎng)所造成污染[58]，因此長期以來，預(yù)防和治理由植物病原菌引起的病害是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中經(jīng)常面臨并亟需解決的問題之一。胞外多糖具有很好的體外抑菌活性，能顯著抑制環(huán)境中致病菌的生理活性及毒性[59]，同時(shí)具有阻止病原微生物生物膜形成的能力，近年來得到了廣泛關(guān)注[60]。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，胞外多糖對(duì)農(nóng)作物中頻發(fā)的紋枯病、稻瘟病、灰霉病、細(xì)菌性斑疹病等由病原菌引起的疾病有很好的預(yù)防及防治作用[16,25-26]。外源直接添加胞外多糖或接種產(chǎn)胞外多糖的菌株不僅能顯著提高番茄、水稻等農(nóng)作物的形態(tài)學(xué)指標(biāo)，還能增強(qiáng)植物體內(nèi)多酚氧化酶(PPO)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、谷胱甘肽還原酶(GR)、脂氧合酶(LOX)等的活性，提高農(nóng)作物的光合速率，顯著降低各種疾病的發(fā)病率，有效緩解田間植物病原菌對(duì)農(nóng)作物的毒害作用。

有趣的是，部分植物病原菌被發(fā)現(xiàn)也具有產(chǎn)胞外多糖的能力，并且胞外多糖的合成能力與其毒力大小直接相關(guān)，在協(xié)助病原菌抵抗植物的防御系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[61]。因此，有學(xué)者嘗試直接采用植物病原菌所產(chǎn)胞外多糖激活植物體內(nèi)的防御系統(tǒng)，以提高植物整體抗病能力，從而達(dá)到有效防治的作用。Keshkeih等[15]嘗試用侵染棉花的棉花角斑病病菌(Xanthomonascitripv.Malvacearum) 所產(chǎn)胞外多糖作為誘導(dǎo)劑，成功地減少了易感多毛棉品種中的細(xì)菌數(shù)量。上述發(fā)現(xiàn)給本領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了一個(gè)嶄新的思路，即，不僅可從有益微生物入手，也可以利用植物病原菌所產(chǎn)的胞外多糖來激發(fā)植物的一系列正向應(yīng)激反應(yīng)。

2 胞外多糖調(diào)節(jié)農(nóng)作物抗性的作用機(jī)理

胞外多糖可以提高脅迫狀態(tài)下農(nóng)作物的抗逆性已得到廣泛的證實(shí)，并且有大量文獻(xiàn)對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了不同程度的闡述。綜合現(xiàn)有研究結(jié)果來看，胞外多糖對(duì)農(nóng)作物抗逆性的作用機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面(圖1)。

圖1 胞外多糖提高農(nóng)作物抗性的作用途徑Fig.1 Pathways of improving crop resistance by exopolysaccharides

2.1 胞外多糖改變土壤結(jié)構(gòu)

土壤是農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)，土壤的理化性質(zhì)直接影響農(nóng)作物的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平[62]。近年來，隨著化肥的大量使用，土壤結(jié)構(gòu)受到了極大的破壞，板結(jié)、沙化等問題日益嚴(yán)重，一定程度上降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。微生物所分泌的胞外多糖作為土粒的有效膠結(jié)劑，可以通過親水、吸水、保水的復(fù)合作用影響土壤結(jié)構(gòu)[63]，在提高土壤質(zhì)量方面有顯著成效。已有大量研究結(jié)果證實(shí)，胞外多糖產(chǎn)量與土壤結(jié)皮厚度、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等土壤性質(zhì)呈極顯著相關(guān)[64]。

胞外多糖改良土壤的活性取決于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。胞外多糖是由多個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的單糖片段組成的網(wǎng)狀分子，這造就了胞外多糖強(qiáng)大的黏附性，能使其黏合在土壤顆粒表面，形成一個(gè)被大量土壤顆粒包圍的中間區(qū)域，土壤顆粒和胞外多糖在該區(qū)域不斷黏合，逐漸形成微團(tuán)聚體(直徑<250 μm)和大團(tuán)聚體(直徑>250 μm)，最終使得土壤中完全分散的土壤顆粒聚集在一起(圖2)，顯著提高土壤團(tuán)聚體的比例及其穩(wěn)定性[17]，進(jìn)而影響土壤的持水量、水分分布狀況及土壤水分蒸發(fā)速率等土壤水分指標(biāo)[65]，起到緩解水分流失的作用。類似地，由于胞外多糖優(yōu)秀的黏合性，胞外多糖的加入同樣會(huì)對(duì)植物根系附近的土壤產(chǎn)生聚集作用[21]，從而導(dǎo)致根系附著土壤與根系組織的比例上升[19]，根系表面土壤的覆蓋范圍增大，進(jìn)而在植物根系表面形成土壤鞘[41]，有效隔絕環(huán)境中生物與非生物因素所帶來的的不良影響，達(dá)到促進(jìn)植物對(duì)土壤養(yǎng)分合理利用的效果[66]。

除土壤結(jié)構(gòu)之外，胞外多糖還可以緩解土壤酸化，提高土壤中土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶等的活性，進(jìn)而能有效分解土壤中的有機(jī)質(zhì)，對(duì)土壤養(yǎng)分有明顯的改善效果[67-68]，但目前該方面的研究較少，其關(guān)鍵作用機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。

2.2 胞外多糖促進(jìn)根際微生物的生物膜形成

農(nóng)作物根系與土壤等所構(gòu)成的微環(huán)境是作物良好生長的核心保障，同時(shí)也是多種微生物及其代謝產(chǎn)物的“戰(zhàn)場(chǎng)”，對(duì)作物生長調(diào)節(jié)、抗逆性、營養(yǎng)物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)等具有非常重要的調(diào)節(jié)作用[69]，而胞外多糖在這一過程中被發(fā)現(xiàn)有復(fù)雜且多變的正向效應(yīng)。當(dāng)具有產(chǎn)胞外多糖能力的微生物黏附于植物根系表面后，會(huì)通過分泌包括胞外多糖在內(nèi)的多種胞外物質(zhì)，以大幅度增強(qiáng)菌體與菌體之間、菌體與植物根系之間的黏附性，從而達(dá)到整個(gè)微生物群落富集于植物根系表面的作用[70]。并且在這一過程中，隨著黏附在植物根系表面的菌體數(shù)量不斷增多，胞外多糖含量也不斷得到增長，過多的胞外多糖便會(huì)在菌體表面形成一層水凝膠基因，最終形成生物膜覆蓋在根系表面[40,71](圖2)，從而對(duì)環(huán)境中脅迫因子起到有效隔離作用[21]，進(jìn)而對(duì)作物生長產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。以假單胞菌屬為例，藻酸鹽(Alginate)是假單胞菌屬所能分泌的一類胞外多糖，主要負(fù)責(zé)黏合載體表面的菌落，也是細(xì)菌生物膜的主要成分，在Upadhyay[37]構(gòu)建的Alginate合成基因alg8缺失突變株中，不僅發(fā)現(xiàn)生物膜無法有效形成，而且吲哚乙酸產(chǎn)量、鐵載體產(chǎn)量、溶磷能力等植物促生特性也急劇下降。此外，Alenezi等[34]在對(duì)具有良好生物防治性能的米氏硫胺素芽孢桿菌(Aneurinibacillusmigulanus)Nagano及其同屬的米氏硫胺素芽孢桿菌 NCTC 7096進(jìn)行全基因組比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，NCTC 7096缺失了胞外多糖生物合成途徑中的第一個(gè)關(guān)鍵合成酶基因——聚戊烯基糖基磷酸轉(zhuǎn)移酶基因，最終導(dǎo)致了NCTC 7096不具備胞外多糖產(chǎn)生能力，無法形成生物膜，使得生物防治效果同Nagano相比較差。綜上所述，胞外多糖在土壤微生物定殖過程中扮演著不可替代的地位，能有效改變農(nóng)作物根部微環(huán)境，促進(jìn)生物膜的形成，在微生物-植物互作方面具有一定潛力。

圖2 胞外多糖改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生物膜形成Fig.2 Improving soil structure and promoting biofilm formation by exopolysaccharides

2.3 胞外多糖影響金屬離子吸收

土壤中含有大量的金屬離子，其中包括農(nóng)作物生長所必需的各種大量或微量金屬元素，同時(shí)也包括對(duì)農(nóng)作物生長形成嚴(yán)重氧化脅迫的鎘、鉛等重金屬離子[72]，在保障農(nóng)作物正常生長的同時(shí)解除重金屬離子帶來的毒害作用是目前農(nóng)作物栽培過程中亟待解決的問題之一?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，胞外多糖具有豐富的活性基團(tuán)(如-OH和COO-等)，可以通過螯合作用與土壤中的金屬離子形成多糖-陽離子復(fù)合物[73]，改變金屬離子的價(jià)態(tài)和生物學(xué)活性[74]，進(jìn)而影響作物對(duì)不同金屬離子的吸收效率[22,39]，最終導(dǎo)致金屬離子在植物不同器官與細(xì)胞上的分布發(fā)生改變[75]，以此完成對(duì)農(nóng)作物響應(yīng)重金屬脅迫的調(diào)節(jié)。

但值得注意的是，胞外多糖的螯合作用并不具備特異性，除重金屬離子之外，各種植物所必須的金屬陽離子(鋅、銅、錳等)也會(huì)受到胞外多糖的螯合作用[76]，過度使用胞外多糖螯合金屬離子也必然會(huì)造成農(nóng)作物養(yǎng)分含量的降低，因而尋求胞外多糖用量與土壤肥力之間的平衡點(diǎn)也是日后實(shí)際應(yīng)用過程中所需解決的問題之一。

2.4 胞外多糖調(diào)節(jié)農(nóng)作物生理代謝

胞外多糖對(duì)脅迫條件下農(nóng)作物生理代謝的調(diào)控機(jī)理十分復(fù)雜，目前國內(nèi)外尚未有學(xué)者闡明其關(guān)鍵調(diào)控路徑，但大部分研究結(jié)果表明可能與農(nóng)作物體內(nèi)的活性氧自由基 (ROS) 水平有關(guān)[77]。ROS在農(nóng)作物體內(nèi)以超氧陰離子自由基(O2·-)、過氧化氫(H2O2)等形式存在，能夠充當(dāng)信號(hào)分子介導(dǎo)農(nóng)作物的抗氧化防御系統(tǒng)，但ROS在細(xì)胞內(nèi)的水平卻受到嚴(yán)格的調(diào)控，ROS過度積累往往會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞不可逆的氧化損傷，嚴(yán)重危及農(nóng)作物的正常生長[78]。而胞外多糖作為一種微生物源活性物質(zhì)，已被多次證實(shí)是ROS的激活劑[45,79]，且作用效果在根部尤為明顯[80]。當(dāng)胞外多糖外源加入時(shí)會(huì)迅速引起植物體內(nèi)的ROS爆發(fā)，從而作為信號(hào)直接影響SOD、CAT、POD等抗氧化系統(tǒng)酶的活性[5,16,33,36]，而抗氧化系統(tǒng)酶活性的變化影響細(xì)胞壁合成通路，進(jìn)而對(duì)植物根系的細(xì)胞壁代謝起到調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致植物根系組成發(fā)生變化，影響植物根系的結(jié)構(gòu)[81]，最終對(duì)植物代謝造成一系列應(yīng)答反應(yīng)(圖3)。上述現(xiàn)象在本課題組前期研究中同樣得到了證實(shí)[13,82]，此外，本課題組研究還發(fā)現(xiàn)，抗氧化系統(tǒng)酶活性變化與植物生長周期也有極大關(guān)系[14]，說明胞外多糖對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生影響是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

Phe：苯丙氨酸；PAL：苯丙氨酸解氨酶；ML：木質(zhì)素單體；ox.ML：木質(zhì)素單體氧化態(tài)；POD：過氧化物酶；CAT：過氧化氫酶； ROS：活性氧自由基；SOD：超氧化物歧化酶；APX：抗壞血酸過氧化物酶；MDHA：單脫氫抗壞血酸；ASA：抗壞血酸；GSH：谷胱甘肽(還原型)；LA：亞麻酸； LOX：脂氧合酶；JA：茉莉酸。圖3 胞外多糖調(diào)節(jié)農(nóng)作物生理代謝的途徑Fig.3 The physiological metabolism pathways in crops regulated by exopolysaccharides

另外，激增的ROS也會(huì)與植物激素互作進(jìn)而造成一系列正向響應(yīng)[83]。諸多植物激素前體物質(zhì)的含量諸如亞麻酸、新植二烯和維生素E(生育酚)等含量均會(huì)在胞外多糖的刺激下顯著增加[22]，并且在茉莉酸合成途徑中起關(guān)鍵作用的LOX及脂氧合酶(GhLOX1)活性也會(huì)受到胞外多糖的正向調(diào)節(jié)作用[15,25-26]。在植物激素與ROS的共同調(diào)節(jié)作用下，植物光合作用受到正反饋調(diào)控，各類葉綠素含量顯著提高[24,36,38]，光合速率明顯增加[27]，最終形成正反饋循環(huán)。而在接種了胞外多糖的缺陷突變株體內(nèi)不僅沒有ROS爆發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，而且各類生理生化指標(biāo)的變化均與對(duì)照無顯著差異[6,35,41]，這也直接證明了胞外多糖造成的ROS爆發(fā)是引起植物一系列響應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)制，但是就目前而言，并未有詳細(xì)的分子機(jī)制闡明胞外多糖究竟是如何引起ROS爆發(fā)的，相關(guān)研究仍有待跟進(jìn)。

3 展 望

近年來，隨著對(duì)胞外多糖研究的不斷深入，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也逐漸受到科研人員的關(guān)注。從總體來看，在以下幾個(gè)領(lǐng)域還需要開展系統(tǒng)的研究。

3.1 胞外多糖提高農(nóng)作物脅迫抗性的機(jī)理

農(nóng)作物的生長代謝受到外界環(huán)境因子的綜合調(diào)控[84-85]，胞外多糖對(duì)植物的生理調(diào)節(jié)同樣是一個(gè)非常復(fù)雜的生理過程，涉及到土壤理化性質(zhì)改變、細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化、生理代謝調(diào)整等多個(gè)相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立的方面，盡管現(xiàn)有的大量研究從不同角度闡述了胞外多糖對(duì)植物抗逆性的改善和提高效應(yīng)，但這些研究大多只關(guān)注于某一個(gè)或幾個(gè)方面，缺少整體性的研究。近年來，多組學(xué)研究(Multi-Omics)[86-87]、長期定點(diǎn)栽培[88]等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于植物生長代謝和抗逆性研究，并取得了較好的研究成果[89]。因此，選擇合適的研究工具和技術(shù)，從整體代謝的角度研究胞外多糖對(duì)植物抗逆性的影響機(jī)理，將是未來的研究熱點(diǎn)之一。

3.2 外界條件對(duì)胞外多糖結(jié)構(gòu)及其生理活性的影響

胞外多糖是微生物改善土壤結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)作物脅迫抗性的主要物質(zhì)[68, 90]，微生物合成胞外多糖的能力受環(huán)境因素的影響[91]。由于微生物賴以生存的環(huán)境存在差異，因此每一種微生物所分泌的胞外多糖不同，即使是同種微生物，也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境條件的差異而合成不同結(jié)構(gòu)與生物學(xué)活性的胞外多糖[92-93]，碳源等營養(yǎng)物質(zhì)的差異也會(huì)影響胞外多糖的生物學(xué)活性與產(chǎn)量[94]。研究結(jié)果表明，胞外多糖的生物學(xué)活性、功能及其結(jié)構(gòu)之間存在顯著的關(guān)聯(lián)[13,94]，但從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，目前的研究基本上都聚焦在胞外多糖結(jié)構(gòu)改變與其體外生物學(xué)活性之間的關(guān)聯(lián)方面，而有關(guān)其結(jié)構(gòu)變化與誘導(dǎo)農(nóng)作物抗性之間的研究尚未見報(bào)道，仍有待進(jìn)一步研究。

3.3 胞外多糖對(duì)植物根際微生物區(qū)系及微生態(tài)系統(tǒng)的影響

根際微生物區(qū)系與植物生理代謝之間的相互作用已成為近年來的研究熱點(diǎn)[95-96]。在不利條件下，植物根際微生物區(qū)系會(huì)發(fā)生一定的改變，進(jìn)而對(duì)植物的生理代謝產(chǎn)生影響[97]。而隨著外源胞外多糖的加入，植物根際土壤結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大的變化，同時(shí)會(huì)引起土著菌結(jié)構(gòu)與功能的變化[98-99]。近年來，有部分研究涉及到外源性物質(zhì)添加對(duì)植物根系微生物區(qū)系的影響[100]。隨著外源胞外多糖的加入，植物根系微生物區(qū)系究竟會(huì)發(fā)生何種變化，這種變化與土壤結(jié)構(gòu)、植物生長之間又存在怎樣的相互影響，這些問題依然需要進(jìn)行深入的研究。

3.4 寡糖類物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

寡糖為2～10個(gè)單糖通過α或β-糖苷鍵連接組成的直鏈或支鏈天然碳水化合物[101]。與大分子多糖類物質(zhì)相比，寡糖的相對(duì)分子質(zhì)量低、水溶性好且易被生物體吸收，具有更廣泛的應(yīng)用前景。不同來源的寡糖在植物種植領(lǐng)域已被證明具有促進(jìn)植物生長、誘導(dǎo)抗病性產(chǎn)生及改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等多種作用，不僅可以提高農(nóng)作物的防御反應(yīng)[102]，同時(shí)還可以用于水果、蔬菜的保鮮等領(lǐng)域[103]，是一種非常有應(yīng)用前景的生物大分子活性物質(zhì)。

目前，寡糖在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用基本上以殼寡糖[104]和海藻寡糖[105]為主，而在微生物胞外多糖領(lǐng)域，目前的研究與應(yīng)用基本以直接使用產(chǎn)胞外多糖菌株或粗多糖為主，而應(yīng)用微生物源寡糖的研究則少見報(bào)道，對(duì)于微生物源寡糖的制備工藝和應(yīng)用效果的研究也尚不多見。