植物促生菌在農(nóng)作物上的應(yīng)用進(jìn)展（綜述）

張婷，張玲，張瑩瑩，鄭然，項(xiàng)福星，李潔

（1.承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北 承德 067000；2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000）

近年來，化肥農(nóng)藥的過量使用以及禽畜糞便和工業(yè)廢水的不合理排放，使得農(nóng)田土壤質(zhì)量急劇下降，土傳病害日益嚴(yán)重，極大地影響了農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量。而以植物促生菌（PGPB）為主的微生物菌劑、菌肥，逐漸在減肥增效和病害防控上發(fā)揮著重要作用。PGPB 是指在一定條件下能夠促進(jìn)植物生長的自由生活在土壤、根際、根表、葉際的細(xì)菌[1]，其來源主要有土壤、植物根際、根表以及葉際等生境。目前，有關(guān)根際PGPB 的研究較多，而對葉際PGPB 的研究相對較少，且在植物內(nèi)部也存在內(nèi)生PGPB。前人已經(jīng)分離出的PGPB 種類主要有芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、類芽孢桿菌屬、固氮螺菌屬、固氮菌屬、節(jié)桿菌屬、弗蘭克氏菌屬和根瘤菌屬等[2]。PGPB 在農(nóng)作物上的應(yīng)用主要集中在植物促生和病害防治2 個(gè)方面。

1 PGPB 在農(nóng)作物促生上的應(yīng)用

1.1 PGPB 的促生機(jī)理

PGPB 之所以能夠促進(jìn)農(nóng)作物生長，是因?yàn)樗鼈兙哂泄痰⑷芰?、解鉀、產(chǎn)鐵載體以及分泌植物激素等功能[3]。

1.1.1 固氮 大氣中的氮素雖然含量很高，但是能被植物利用的很少，而固氮微生物能夠通過固氮酶的作用將氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氨，為植物提供可利用的氮源。因此，在缺乏氮素的土壤環(huán)境中，PGPB 通過固氮作用能夠極大地促進(jìn)植物生長。常見的固氮菌有根瘤菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬等，其大部分是從植物根際土壤中分離篩選出來的。靳海洋等[4]從固氮能力較高的紫色土發(fā)育水稻土中分離到1 株具有較強(qiáng)固氮和促生潛力的褐球固氮菌（Azotobacter chroococcum），對水稻和小麥幼苗根系生長均具有促進(jìn)作用。魏志敏等[5]從山東泰安農(nóng)田土壤中篩選到1 株固氮能力強(qiáng)的巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium），接種后能夠顯著提高土壤微生物的生物量碳和生物量氮含量。

1.1.2 溶磷 植物生長過程中吸收利用的磷元素通常是以H2PO4-和HPO42-形式存在，而土壤中的磷幾乎全都是以不可溶形式存在的，植物難以吸收利用。具有解磷功能的PGPB 可以通過各種機(jī)制，提供給植物可利用的磷元素[6]。溶磷細(xì)菌一方面可以通過釋放葡萄糖酸等有機(jī)酸來溶解難溶性的磷酸化合物，促進(jìn)植物對磷的吸收[7]；另一方面，還可以通過提高BNF 效率幫助植物同化氮素，進(jìn)而促進(jìn)植物生長[8]。胡倡等[9]從大豆根際和根瘤中分離獲得2 株具有較高解磷能力的細(xì)菌（巨大芽孢桿菌屬、腸桿菌屬），均能夠產(chǎn)生IAA，且對紫云英和大豆生長以及地上部鮮質(zhì)量提高具有促進(jìn)作用。武志海等[10]利用從大豆根際土壤中分離得到的假單胞菌屬和腸桿菌屬的菌液施入到大豆土壤中，促進(jìn)了黑土土壤中溶磷菌、自身固氮菌、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量的增加，改善了土壤磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性，使土壤營養(yǎng)水平趨于合理。

1.1.3 解鉀 土壤中的鉀大部分是以礦物結(jié)構(gòu)形式存在的，而PGPB 能夠分泌乙酸、草酸等有機(jī)酸，其中羧基和羥基能夠與金屬離子結(jié)合，破壞晶體結(jié)構(gòu)，加速礦石分解，從而釋放鉀離子，供植物吸收利用[11]。陳臘等[12]從我國東北黑土區(qū)玉米根際土壤中篩選出3株高效解鉀菌，能夠增加玉米拔節(jié)期、吐絲期的株高、地上部生物量、葉面積指數(shù)和葉綠素含量，且芽孢桿菌屬菌株還能夠顯著提高玉米產(chǎn)量。宋聰?shù)萚13]從山地土壤中分離篩選出1 株高效解鉀菌草木樨中華根瘤菌（Sinorhizobium meliloti），對黃瓜種子和幼苗均具有顯著的促生效果，且明顯提高黃瓜品質(zhì)和產(chǎn)量。

1.1.4 產(chǎn)鐵載體 鐵為植物生長的重要營養(yǎng)元素，其存在形式主要受外界環(huán)境的影響。Fe3+易形成難溶性化合物，植物難以利用。部分PGPB 能夠分泌低分子量的螯合劑，被稱為鐵載體，它們能夠結(jié)合Fe3+還原成可被植物吸收利用的Fe2+[14]。雷平等[15]從辣椒根系上分離到1 株可在鉻天青（CAS）平板上產(chǎn)生較大噬鐵圈的內(nèi)生假單胞菌屬，能夠產(chǎn)IAA、溶解有機(jī)磷，用其菌懸液浸根和澆灌處理辣椒后，辣椒的結(jié)果數(shù)、產(chǎn)量、株高、展幅等均較對照顯著增加。

1.1.5 分泌植物激素 PGPB 可以分泌植物激素來促進(jìn)植物生長，包括生長素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）和乙烯等。PGPB 產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）是一類能促進(jìn)植物生長的重要調(diào)控物質(zhì)，為菌株促生的一種特異性機(jī)制[16]。曾慶飛等[17]從大豆根際土壤中分離出4 株具有較強(qiáng)分泌IAA 和有機(jī)酸能力的溶磷菌，將其與根瘤菌復(fù)合后能夠不同程度地促進(jìn)大豆生長。

1.2 PGPB 的促生作用

PGPB 在農(nóng)作物上的促生作用主要表現(xiàn)在促進(jìn)種子萌發(fā)和植株生長，以及提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面。

1.2.1 促進(jìn)種子萌發(fā) PGPB 能夠促進(jìn)作物種子萌發(fā)。一般用發(fā)酵液或菌懸液浸泡處理種子，能夠提高種子發(fā)芽率，促進(jìn)萌發(fā)苗根系伸長和生物量增加。楊亞茹等[18]用植物內(nèi)生菌熒光假單胞菌發(fā)酵液處理油菜和小麥萌發(fā)期種子，可顯著促進(jìn)油菜萌發(fā)苗根、莖、葉的生長以及小麥萌發(fā)苗根系的伸長；用菌懸液處理萌發(fā)后的小麥幼苗，可顯著促進(jìn)其根系伸長，但整體促生效果相對較弱。除用單一菌浸種外，賀國強(qiáng)等[19]用固氮芽孢桿菌、固氮巨大芽孢桿菌、解磷假單胞菌和巴西固氮菌復(fù)配的混合菌劑進(jìn)行小麥浸種，能夠提高小麥種子發(fā)芽率、芽長、根長、單株生物量（干重、鮮重）和發(fā)芽指數(shù)等。歐陽桂爐等[20]利用從太子參根際分離的具有抗根腐病、解鉀、固氮、溶磷功能的菌株進(jìn)行復(fù)配，對玉米種子進(jìn)行浸種處理后能夠明顯增加玉米幼苗干重和根干重，并且促進(jìn)幼苗生長。

1.2.2 促進(jìn)植株生長 PGPB 不僅能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長，還能夠改善根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，提高根系活力，進(jìn)而促進(jìn)植株生長。戚秀秀等[21]將解淀粉芽孢桿菌LY11 應(yīng)用于育苗基質(zhì)中，能夠顯著增加水稻地上部生物量、壯苗指數(shù)、根體積和總根長，并且改善根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，提高根系活力；且還能夠顯著促進(jìn)水稻幼苗對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收，提高谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性。單獨(dú)促生菌處理能夠改善植物生長狀態(tài)，且?guī)追N促生菌組合或者將促生菌與改良劑配合使用也能夠促進(jìn)植株生長。舒健虹等[22]將4 株根瘤菌組合后，對提高大豆幼苗地上部干重、莖粗、全氮含量和鈣含量等均有不同程度的促進(jìn)作用。Azhar Hussain 等[23]研究表明，將有機(jī)改良劑與根際促生菌配合使用，可以改善土壤生物屬性，從而有利于玉米生長，提高子粒產(chǎn)量。

1.2.3 提高作物產(chǎn)量 PGPB 在提高作物產(chǎn)量方面也具有顯著成效。崔偉國等[24]從馬鈴薯根際土壤和葉片中分離出能夠分泌IAA 且產(chǎn)ACC 脫氨酶的Pantoeasp.MLS-34-25 菌株，可使馬鈴薯增產(chǎn)49.15%。將PGPB 與有機(jī)物等復(fù)合使用后，增產(chǎn)效果更加顯著。Zehra Ekin 等[25]用腐殖酸與促生菌聯(lián)合處理種薯后，總產(chǎn)量增加約140%。葉喜文等[26]將根際促生菌與有機(jī)質(zhì)、無機(jī)營養(yǎng)元素復(fù)合而成的新型環(huán)保生物肥料應(yīng)用于水稻田間生產(chǎn)，能夠顯著提高水稻株高、穗長和單位面積穗數(shù)，與單施化肥和不施肥相比，增產(chǎn)幅度分別達(dá)到26.0%和53.9%。除此之外，PGPB 在農(nóng)作物減肥增效上也表現(xiàn)出良好效果。陳臘等[27]在減施50%氮肥條件下單獨(dú)接種鞘氨醇單胞菌和根瘤菌，能夠增加玉米株高、地上部干重以及葉綠素含量，顯著提高玉米產(chǎn)量。榮良燕等[28]利用篩選的5 株促生效果較好的優(yōu)良菌株研制成復(fù)合接種劑，代替20%～30%的化肥，能夠增加玉米株高、生物量和穗粒數(shù)等，其中接種劑與80%化肥組合施用處理能夠使玉米增產(chǎn)9.86%，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2 851.5 元/hm2。李永斌等[29]在減施尿素10%條件下，分別用類芽胞桿菌S6、1-18 和枯草芽胞桿菌56 加稻殼粉制成菌劑，隨底肥人工撒施后翻地播種，可使小麥產(chǎn)量分別提高6.9%、8.8%和10.4%（P＜0.05）。

2 PGPB 在農(nóng)作物病害防治上的應(yīng)用

PGPB 在農(nóng)作物病害防治上的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在PGPB 能夠幫助植物抵御生物脅迫和非生物脅迫：PGPB可以通過與病原菌的拮抗作用或者產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)來提高農(nóng)作物對病蟲害的抗性[25]，幫助植物抵御生物脅迫；PGPB 可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗病性，從而提高農(nóng)作物對干旱、鹽害以及重金屬等非生物脅迫的抗性[30]。

2.1 PGPB 在農(nóng)作物抵御生物脅迫上的應(yīng)用

PGPB 主要是通過與病原菌的拮抗作用來幫助農(nóng)作物抵御生物脅迫。絕大多數(shù)抗病菌株為芽孢桿菌屬，如枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、巨大芽孢桿菌（Bacillus megatherium）、解淀粉芽胞桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和貝萊斯芽孢桿菌（Bacillus velezensis）等，不僅可以很好地防治多種農(nóng)作物病害，還可以促進(jìn)農(nóng)作物生長，提高產(chǎn)量。趙龍飛等[31]從大豆根瘤中分離出的芽孢桿菌屬對大豆輪紋病原菌抑制率高達(dá)67.9%，同時(shí)促進(jìn)幼苗株高增加26.23%。徐進(jìn)等[32]將枯草芽孢桿菌制成的粉劑施用于病地上，對馬鈴薯青枯病防效高達(dá)60.9%～89.7%；而施用在無病地上，可使馬鈴薯增產(chǎn)17.3%～61.2%。曹晶晶等[33]用解淀粉芽孢桿菌對小麥進(jìn)行灌根處理，當(dāng)濃度為2 000 mg/L 時(shí)，對小麥黃花葉病的預(yù)防和治療效果分別達(dá)到84.55%和62.68%，同時(shí)提高麥苗地上部鮮質(zhì)量52.76%。荊瑞勇等[34]從鹽堿地大豆根系中分離出的具有分泌IAA 能力的解淀粉芽孢桿菌，不僅具有耐堿性（pH 值11）和耐鹽性（10% NaCl），且對玉米新月彎孢菌、大豆菌核病菌、稻瘟病菌和禾谷鐮刀菌具有較強(qiáng)的拮抗作用。

2.2 PGPB 在農(nóng)作物抵御非生物脅迫上的應(yīng)用

干旱脅迫嚴(yán)重影響作物正常生長、發(fā)育和繁殖等生命活動(dòng)。Chandra D 等[35]將PGPB 混合接種小麥，能夠有效促進(jìn)小麥植株生長，顯著提高葉片養(yǎng)分含量，尤其是在水分脅迫條件下小麥抗氧化能力明顯提高。Kasim W A 等[36]用PGPB（解淀粉芽孢桿菌5113、巴西固氮螺菌NO40）處理小麥，可顯著降低干旱脅迫對小麥的不良影響，減弱轉(zhuǎn)錄水平以維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡。另外，接種內(nèi)生枯草芽孢桿菌的小麥幼苗，其耐旱性提高，幼苗的脂質(zhì)過氧化、脯氨酸含量和電解質(zhì)透出率均降低[37]。

鹽脅迫下PGPB 能夠參與調(diào)控植物體內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而增強(qiáng)植物對鹽環(huán)境的適應(yīng)性[38]。Daniel Rojas-Tapias 等[39]將耐鹽菌株接種于生長在2.93 和5.85 鹽度土壤的玉米根上，可改善玉米Na+的排出和K+的吸收，緩解鹽脅迫對玉米的不利影響。Tahir M等[40]將芽孢桿菌屬細(xì)菌接種到鹽環(huán)境生長的馬鈴薯上，能顯著增加馬鈴薯的生物量、單株塊莖數(shù)量、塊莖重量以及塊莖的Ca 含量；同時(shí)，還能夠調(diào)節(jié)馬鈴薯對Na+和K+的吸收，增強(qiáng)馬鈴薯對鹽脅迫的適應(yīng)能力。PGPB 在提高作物抗鹽能力的同時(shí)，在一定程度上還能提高鹽脅迫下作物的葉綠素和總酚等含量。梁燁等[41]將含ACC 脫氨酶的根際細(xì)菌V. paradoxus5C-2 接種于中黃13 上，在NaCl 濃度40 mmol/L、pH 值9.04 條件下，可明顯提高大豆側(cè)根總長度、葉綠素含量以及最大光合潛能，緩解堿性鹽對大豆的脅迫效應(yīng)。Prittesh Patel 等[42]用篩選出來的耐鹽菌株接種水稻后，可有效促進(jìn)鹽脅迫下水稻的生長，且能夠明顯提高總?cè)~綠素、脯氨酸和總酚等的含量。

重金屬能夠影響植物酶活性以及養(yǎng)分膜運(yùn)輸，引起植物生理代謝功能紊亂，使植物生長發(fā)育受阻甚至死亡。耐重金屬PGPB 能夠提高植物抗性，改善其生長狀況。Faisal Islam 等[43]將耐鉻（Cr）PGPB 與水楊酸（SA）組合接種后改善了Cr 毒性下的植物性能，通過提高酶促和非酶促抗氧化劑的活性降低了氧化應(yīng)激，從而使暴露于Cr 污染的玉米植株中碳水化合物代謝得以改善。Yu X 等[44]在鎘（Cd）含量20～80 mg/kg的土壤中用能夠分泌IAA 且對Cd 有耐受性的菌株接種大豆，大豆根長、芽長和生物量均有所增加，且接種的大豆根部Cd 濃度低于未接種的大豆，降低了大豆根對土壤Cd 的生物利用度。在重金屬砷（As）脅迫下，Armendariz AL 等[45]利 用Bradyrhizobium japonicumE109 和Azospirillum brasilenseAz39 雙接種大豆，能夠增加大豆根瘤數(shù)量和氮含量，減少As 向地上部的轉(zhuǎn)移，從而提高大豆抗As 的穩(wěn)定性。伯克氏菌在低濃度的Cd 脅迫下，能夠提高水稻種子萌發(fā)的活力指數(shù)，促進(jìn)初生幼苗生根，提高其耐Cd 的能力[46]。

3 結(jié)語與展望

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物病蟲害以及生長環(huán)境都會對農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。而PGPB 能夠通過代謝活動(dòng)分泌營養(yǎng)物質(zhì)來促進(jìn)農(nóng)作物生長，且能夠通過拮抗作用、誘導(dǎo)植物抗性系統(tǒng)等機(jī)制幫助農(nóng)作物抵御病蟲侵害和非生物脅迫。提高農(nóng)作物產(chǎn)量是我們永恒的目標(biāo)，在持續(xù)推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量增效的情況下，PGPB 將會越來越多地應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)中，這對推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前PGPB 種類雖多，但篩選優(yōu)良高效的菌種仍是應(yīng)用的關(guān)鍵。盡管一些PGPB 無論是單獨(dú)接種還是混合接種均表現(xiàn)出良好效果，但其應(yīng)用的穩(wěn)定性和時(shí)效性還有待于進(jìn)一步研究。PGPB 來源比較廣泛，其生存環(huán)境較為復(fù)雜，人工篩選后能否順利定殖于植物根系仍是PGPB 研究的重要內(nèi)容。此外，隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，高活性的菌種保藏以及微生物菌肥菌劑的研發(fā)仍是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，而PGPB 與農(nóng)作物的互作機(jī)制、混合接種效果的優(yōu)化等也將是未來研究的重要方向。