果樹根際微生物研究進(jìn)展

周慧杰

塔里木大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300

果樹根際微生物是生活在果樹根域微環(huán)境中，活動于根際土壤中的一類微生物群落，它包括細(xì)菌、真菌、放線菌、病原體及一些特異菌等，以細(xì)菌為主，其中革蘭氏陰性菌擁有相對優(yōu)勢。土壤環(huán)境是果樹與微生物相互作用的場所。根際是土壤—微生物—植物間相互作用的重要界面，是養(yǎng)分或者有害物質(zhì)從土壤進(jìn)入植物的重要門戶和通道[1]。果樹根際微生態(tài)系統(tǒng)是以果樹—土壤—微生物及其環(huán)境條件為主要內(nèi)容的微生態(tài)系統(tǒng)[2]。在果樹生長發(fā)育過程中，凋亡的根系及其脫落物（根毛、表皮細(xì)胞、根冠等）、分泌物是根際微生物重要的營養(yǎng)和能量來源；由于根系的穿插作用，使根際的水分狀況和通氣條件往往優(yōu)于非根際土壤，從而形成有利于根際微生物生長繁殖的微環(huán)境。根際微生物與果樹之間可能存在共生或是寄生等關(guān)系。果樹根系分泌物影響微生物群落的同時，微生物及其代謝產(chǎn)物也作用于果樹，大多數(shù)微生物對果樹是無害的，一些微生物代謝產(chǎn)物還可以促進(jìn)果樹生長，而果樹根際分泌物存在殺害或者抑制微生物生長的現(xiàn)象，也有一些土著性病原微生物會造成果樹病害，不利于果樹生長。果樹—微生物互作是一個十分復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)，兩者以土壤為媒介相互作用、相互影響。

1 果樹本體

果樹即果實可食用的樹木，是指能提供可供食用的果實、種子的多年生植物及其砧木的總稱。果樹產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟收入的一項重要來源，對提高當(dāng)?shù)厝嗣裆钏剑龠M(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[3]。對于如何提質(zhì)增效，已是果樹產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題[4]。就目前現(xiàn)狀而言，人們并不滿足于關(guān)于果樹本身的研究，大部分人都在研究果樹外部環(huán)境，如根域微環(huán)境、物候、生物脅迫等。關(guān)于果樹根際微生物的研究已成為當(dāng)前的熱點問題，不同果樹對根際微生物的影響也不同，邵微等人通過研究8種不同落葉果樹的結(jié)果表明：不同果樹的種植能夠顯著影響根際微生物群落的代謝與功能多樣性指數(shù)，其中石榴、櫻桃及蘋果根際微生物群落代謝水平與功能多樣性指數(shù)均較高，而杏樹與桃樹則處于低水平[5]。其實，對果樹根際微生物最重要的影響因素主要是根系分泌物和果樹脫落物，其中根系分泌物最重要。

1.1 根系分泌物

果樹根系分泌物是果樹生長過程根系不同部位向土壤介質(zhì)中分泌或釋放的一類有機物、高分子黏膠、氣體、離子、根細(xì)胞脫落物及其分解產(chǎn)物等物質(zhì)的總稱，是果樹通過地下部分與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)、能量以及信息傳遞的重要媒介[6]。它是影響根際微生物群落分布和變化最重要的因素。不同果樹根際分泌物不同，蘋果幼苗的根系分泌物主要包含有機酸、乙二醇、酯和苯酚衍生物，桃根分泌物還包含酚酸和苯酚衍生物，棗的根分泌物不含任何酚酸[7]。但它們都會對根際微生物造成一定的影響，果樹的化感自毒作用物質(zhì)也會影響微生物群落變化[8]。有研究表明：根系分泌物在植物誘導(dǎo)微生物繁殖建立共生防御機制時起到介導(dǎo)的作用，是根際對話的調(diào)控者，功能包括營養(yǎng)功能、促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收、保護功能等[9]。

1.2 果樹脫落物

果樹脫落物對根際微生物的影響不如根際分泌物強烈，但它也是影響根際微生物的一個重要因素，同時它會被根際微生物分解。果樹地上部分脫落物腐爛分解成有機質(zhì)等進(jìn)入根際土壤中則會對根際微生物造成一定影響，同時果樹脫落物所分泌的細(xì)胞代謝產(chǎn)物可能對根際微生物產(chǎn)生影響。例如，有研究表明：添加秸稈后玉米根際微生物對根系分泌物的同化作用減弱[10]。落葉松凋落葉覆蓋可增加土壤微生物的數(shù)量，且對真菌數(shù)量的增加最顯著、落葉松凋落葉水提液可增強土壤酶活性、提高有機質(zhì)分解速率和土壤中相關(guān)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化效率[11]。果樹地下部分脫落物主要是根系代謝產(chǎn)生的，對根際微生物的影響大于地上脫落物。這都從側(cè)面說明了果樹脫落物對果樹根際微生物具有一定的影響。

2 根際微生物

果樹根際微生物分為有害微生物和有益微生物，有益菌往往促進(jìn)果樹生長，有害菌則抑制果樹生長（如病原微生物等），但是它們都參與了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動等過程，對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有舉足輕重的作用。果樹根際微生物與果樹根系之間的關(guān)系主要表現(xiàn)為競爭、抗生、寄生、溶菌和誘導(dǎo)抗性等[12]。另外，根際線蟲會影響根際微生物[13]。果樹的生長、繁殖、代謝與根際微生物密切相關(guān)，利用根際微生物，提高果樹的生長量，增強果蔬的抗逆性和抗病性已引起研究者的高度重視，它們甚至?xí)绊懝麡涞拇紊x、物候以及抑制病原微生物的入侵[14-15]。目前，深入研究根際微生物，通過篩選出根際有益菌，擴培接種于果樹，增強其抗逆性，或者篩選出有特異功能的新菌株應(yīng)用于活性藥物制造等已經(jīng)成為主流。相關(guān)研究表明：接種PGPR（從香蕉根際土壤分離篩選的植物根際促生菌）菌劑能顯著促進(jìn)香蕉苗期植株生長，加強植株養(yǎng)分吸收，有效防控香蕉枯萎病[16]。一些菌根真菌還具有促進(jìn)不定根形成和生長的功能。微生物菌根代謝產(chǎn)物球囊霉素（叢枝菌根真菌產(chǎn)生的一種含有金屬離子的耐熱糖蛋白）相關(guān)土壤蛋白的研究也備受重視[17-20]。這說明根際微生物對果樹的影響巨大。

3 根際土壤

果樹根際土壤是果樹和微生物進(jìn)行互作的界面，是聯(lián)通果樹與根際微生物的重要橋梁。果樹根際土壤狀況, 在很大程度上影響果樹的生長發(fā)育和果實的產(chǎn)量與品質(zhì), 還與果樹的抗逆性和根系病蟲害的防治密切相關(guān)。根際微生物生活在根際范圍，主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類、原生動物等，其種群組成和數(shù)量變化可反映土壤的質(zhì)量和肥力水平[21]。土壤微生物、酶活性和土壤養(yǎng)分相互之間存在較為廣泛的相關(guān)關(guān)系[22]。有學(xué)者研究表明：土壤不同指標(biāo)的根際效應(yīng)間存在強烈的正相關(guān)關(guān)系，例如H+濃度的根際效應(yīng)和土壤有機碳、總氮和微生物生物量等存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤酶活性也會影響根際微生物活性。陳汝[23]研究也表明：土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性之間存在相關(guān)關(guān)系。

4 果樹根際微生物的研究方法

果樹根際微生物的研究方法已經(jīng)不受傳統(tǒng)研究方法的限制，雖然傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法是最基礎(chǔ)的實驗方法，但是傳統(tǒng)方法不僅費時費力，還會受到各種不確定因素的影響，想要快速、準(zhǔn)確地篩選和鑒定果樹根際微生物，必須應(yīng)用新技術(shù)。例如，高通量測序技、同位素示蹤技術(shù)、微生物定量分析等已成為新潮，目前這些技術(shù)已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于根際微生物的研究中[24]。

4.1 高通量測序技術(shù)

高通量測序技術(shù)包括16 S rRNA基因測序、Ⅰ llumina MiSeq 高通量測序等，能一次性對幾十萬到幾百萬條DNA分子序列進(jìn)行測序，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于土壤微生物的多樣性和根際土壤的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的微生物分析方法無法更深入地研究大多數(shù)微生物，高通量測序技術(shù)應(yīng)運而生。新一代高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)加速了根際微生物的研究，與傳統(tǒng)測序技術(shù)相比，它更加具有自動化、通量高、成本低等特點，能在整體水平上破譯原位復(fù)雜環(huán)境中土壤微生物群落的多樣性[25]。

4.2 同位素追蹤技術(shù)

同位素追蹤技術(shù)就是利用放射性同位素或富集的穩(wěn)定核素作為示蹤劑（關(guān)于植物—微生物的研究常用13C、15N、18O等做標(biāo)記底物），通過相關(guān)檢測研究其在植物、動物、微生物等中的流動、轉(zhuǎn)運、代謝等過程的新技術(shù)，目前已被廣泛運用于一些農(nóng)作物與根際微生物關(guān)系的研究。有人通過同位素追蹤技術(shù)追蹤從植物到根際土壤的13C的運動，然后利用13C標(biāo)記的DNA的高通量測序來表征真菌群落，發(fā)現(xiàn)長期施氮會改變小麥13C標(biāo)記的根際真菌群落組成，但不會改變微生物多樣性，這就是同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用實例[26]。

4.3 根際微生物定量分析

根際微生物的定量分析是以一些rRNA、質(zhì)粒等為指標(biāo)，研究確定微生物總量和個體微生物相對于植物宿主豐度的一種新技術(shù)，它常常聯(lián)合高通量測序技術(shù)共同使用[27]。高通量測序無法確定微生物總量和個體微生物相對于植物宿主豐度，而進(jìn)一步分析根際微生物定量，便可達(dá)到此目的。

4.4 根際根箱法

根際根箱法用于根際微生物研究主要是利用厚度為1～2 mm 的聚乙烯根箱、塑料框或孔徑小于25 μm的尼龍網(wǎng)等控制土壤厚度，將土壤分割成很多土壤微區(qū)域，然后對各個微區(qū)域土壤進(jìn)行破壞性取樣，以研究根際微生物狀況。該方法相比抖落法、土壤溶液法、根墊法和離子交換樹脂埋置法，它的應(yīng)用更為廣泛，實際操作過程也不難[28]。但該方法所獲得的結(jié)果也并不是準(zhǔn)確無誤的將含有根系的微區(qū)土壤作為根際土壤，無根系微區(qū)作為非根際土壤并不準(zhǔn)確，實際上并非所有根箱中的土壤都會受到根系的顯著影響，可能既低估了根系對土壤的影響，也低估了根系對根際微生物的影響。而且植物吸收水分的同時，降低了根箱中土壤含水量，抑制了根際微生物的活動，這必然會影響根際微生物效應(yīng)的測定。目前，使用最理想的方法還是高通量測序、同位素示蹤及微生物定量分析等方法。

5 未來展望

果樹—土壤—微生物三者相互作用，相互影響，對維持果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等有著重要意義。土壤的性質(zhì)、果樹的種類、年齡和生命活動等都會影響果樹根際微生物的生理代謝，從而影響其數(shù)量和種類；而根際微生物也對土壤的生物化學(xué)活性、養(yǎng)分的組成與轉(zhuǎn)化；果樹的生長發(fā)育、抗脅迫能力具有直接影響。植物—微生物互作研究是當(dāng)前的熱點，關(guān)于果樹—土壤—微生物的相互作用關(guān)系的研究還需要進(jìn)行更深一步的研究和探索。果樹根際微生物的研究方法還需要更加精細(xì)化和準(zhǔn)確化。未來果樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該朝著栽培高效化、產(chǎn)量最大化、品質(zhì)優(yōu)質(zhì)化等方向發(fā)展，不斷增強果樹的抗逆性，通過研究果樹根際微生物和根域微環(huán)境，可以找到適宜的種植方法。隨著人們物質(zhì)生活水平的提升，將果樹作為居家觀賞植物已成為趨勢，這就要對果樹進(jìn)行矮化和根域限制，而這一切與根際微生物的研究息息相關(guān)。另外，果樹根際微生物新菌株的篩選鑒定不容忽視，研究果樹根際微生物的同時，找到并篩選出新的菌株，并用于果樹抗性接種、微生物肥料調(diào)配和活性藥物制造等方面，這必將造福于人類社會。