植物根際促生菌研究綜述

韓學(xué)東 杜春梅，2 董錫文，2

1.佳木斯大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)應(yīng)用微生物研究所，黑龍江 佳木斯 154007

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥的過度使用導(dǎo)致土壤肥力、糧食產(chǎn)量和質(zhì)量下降。為此，許多國家開始研發(fā)微生物肥料，其中植物根際促生菌（Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR）的開發(fā)和利用成為研究熱點(diǎn)。PGPR是一類生活在土壤中或附著在植物根部的菌類微生物，可促進(jìn)植物生長發(fā)育及其對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和利用，同時(shí)能抑制有害微生物生長。PGPR類菌肥可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對環(huán)境無危害，適合作為化肥的替代品使用。

1 PGPR的種類

PGPR 泛指能促進(jìn)植物生長的微生物類群。迄今為止，從自然界中已鑒定出的PGPR菌株有20多個(gè)屬，如假單胞菌屬（Pseudomonas）、節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、固氮弧菌屬（Azoarcus）、固氮螺菌屬（Azospirillum）等［1］。其中，學(xué)者對芽孢桿菌屬和假單胞菌屬PGPR菌株的研究較為廣泛。

2 PGPR的作用

2.1 合成植物生長調(diào)節(jié)劑

2.1.1 吲哚-3-乙酸。植物生長調(diào)節(jié)劑有許多種類，但目前學(xué)者研究最深入的是吲哚-3-乙酸（IAA）。IAA 可以激發(fā)和調(diào)控植物體內(nèi)眾多生理反應(yīng)，在植物細(xì)胞分裂、向性生長、果實(shí)發(fā)育和衰老等過程中起著重要作用。PGPR 可分泌IAA 使植物根系吸收更多養(yǎng)分，從而促進(jìn)植物根系生長。肖坤等［2］從核桃根際土壤中篩選出泛桿菌菌株27B 和不動(dòng)桿菌菌株21A，其產(chǎn)IAA 能力分別達(dá)到97.95、79.13 mg/L，采用浸泡和周圍施入2 種PGPR 菌株接種方式能夠顯著促進(jìn)核桃生長。Shahid 等［3］從馬鈴薯根際土壤中篩選出促根生科薩克氏菌KR-17，在15%NaCl濃度下IAA 分泌量達(dá)到243 μg/mL；在鹽分土壤脅迫下對蘿卜接種KR-17，與對照組相比蘿卜產(chǎn)量顯著增加。

2.1.2 赤霉素。赤霉素（GAs）具有破除種子休眠、提高坐果率、促進(jìn)植物枝條伸長、促進(jìn)植物開花、促進(jìn)果實(shí)生長及無籽果實(shí)形成等作用，其中最主要的作用是促進(jìn)植物枝條伸長。目前，相關(guān)學(xué)者已研究發(fā)現(xiàn)多種PGPR 種群通過產(chǎn)生GAs及其類似物促進(jìn)植物種子萌發(fā)、莖伸長、開花和結(jié)果。Khan［4］研究發(fā)現(xiàn)，在番茄植株上接種產(chǎn)生赤霉素的LK11 菌株，其各項(xiàng)生長特性均有顯著改善。此外，GAs 能緩解植物受干旱脅迫的抑制，從而影響作物生長發(fā)育。Mogal 等［5］研究了2 組5 種菌株組合對綠豆的生長作用，相比對照，組合2（根瘤菌+固氮菌+假單胞菌+芽孢桿菌屬+地衣芽孢桿菌）的GAs和IAA分泌量最高（分別為1.99 μg/mL和1.04 μg/mL），且促進(jìn)綠豆生長的效果最好，顯著增加根瘤質(zhì)量和綠豆產(chǎn)量。

2.1.3 細(xì)胞分裂素。PGPR 分泌的細(xì)胞分裂素（CTK）可促進(jìn)細(xì)胞分裂、葉綠素積累、種子和葉芽萌發(fā)，減少頂端優(yōu)勢對側(cè)芽的抑制作用，刺激葉片擴(kuò)張，延緩植物衰老等。Sibponkrung 等［6］研究發(fā)現(xiàn)，將芽孢桿菌S141 與USDA110 共同接種到大豆中會(huì)產(chǎn)生更大的根瘤，可能是菌株S141具有分泌IAA 和細(xì)胞分裂素的作用，從而提高大豆結(jié)瘤和固氮效率。此外，CTK有助于植物適應(yīng)逆境脅迫，如干旱脅迫、堿脅迫、重金屬脅迫等。Liu等［7］研究發(fā)現(xiàn)，接種了產(chǎn)生細(xì)胞分裂素的枯草芽孢桿菌的金鐘柏幼苗更能抵抗干旱造成的非生物脅迫。Arkhipova等［8］研究發(fā)現(xiàn)，將產(chǎn)CTK的枯草芽孢桿菌接種在干旱脅迫條件下的生菜植株上，植株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量比對照組有明顯增加。

2.2 合成ACC脫氨酶

乙烯可調(diào)節(jié)植物生長的多個(gè)過程，如促進(jìn)花和葉片衰老、脫落，促進(jìn)果實(shí)成熟，并參與各種脅迫反應(yīng)等，但高濃度乙烯會(huì)抑制植物根、莖的生長及導(dǎo)致其過早衰老。PGPR 能合成乙烯的前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶。ACC 脫氨酶是一種抑制乙烯生物合成的胞內(nèi)酶，其作用機(jī)制涉及植物體內(nèi)乙烯生成的蛋氨酸循環(huán)途徑，在植物保鮮、壽命延長及對部分重金屬吸附等方面起著重要作用。Glick 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生ACC 脫氨酶的PGPR 可促進(jìn)植物生長。Ahmad等［10］研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生ACC脫氨酶的根瘤菌和假單胞菌可以改善在鹽漬環(huán)境下綠豆的生長情況。Zohreh等［11］研究發(fā)現(xiàn)，接種產(chǎn)生ACC 脫氨酶的PGPR 后，植物的脅迫耐受性有所提高，這可能是因?yàn)镻GPR 能控制乙烯濃度在適宜植物生長的范圍。

2.3 PGPR對元素的活化作用

PGPR 可通過固氮、溶磷、解鉀等方式分解土壤中被固定的養(yǎng)分，供植物根系吸收利用，從而促進(jìn)植物生長。

2.3.1 氮元素。氮是最重要的營養(yǎng)元素之一，在植物生長和各種代謝活動(dòng)中起著重要作用。在空氣中，氮?dú)猓∟2）體積占78%，但植物無法利用。某些細(xì)菌和古細(xì)菌利用固氮酶蛋白復(fù)合物將氮轉(zhuǎn)化為氨（NH3），稱為生物固氮。自然界中分布著多種固氮菌，固氮菌可分為共生（如細(xì)菌與豆科植物和非豆科植物之間的共生關(guān)系）和非共生（自由生活和內(nèi)生生物）兩種。廣泛報(bào)道的土壤共生固氮菌有弗蘭克氏菌和根瘤菌，非共生固氮菌有藍(lán)藻、固氮螺菌、假單胞菌、固氮菌和念珠菌等。趙樹棟等［12］挑選了5 株優(yōu)良的PGPR 對高原早熟禾進(jìn)行接種，接種后土壤全氮含量、速效氮含量等指標(biāo)均有所提高，但不同PGPR的作用效果不同。

2.3.2 磷元素。磷是重要程度僅次于氮的常量營養(yǎng)元素，對植物生長起著十分重要的作用。土壤中的大部分磷元素以難溶性磷形態(tài)存在，植物對其難以吸收利用，而PGPR 溶磷菌能溶解不溶性磷，并將其轉(zhuǎn)化為植物能吸收利用的形態(tài)，從而促進(jìn)植物對磷的吸收利用。溶磷菌通過轉(zhuǎn)換土壤難溶性磷來增加土壤磷的有效性。溶磷菌對難溶性磷的溶解程度在很大程度上取決于土壤的pH值，其通過一種根際酸化機(jī)制產(chǎn)生多種有機(jī)酸、無機(jī)酸及其他代謝物，從而改變土壤的pH值。Muleta 等［13］研究發(fā)現(xiàn)，中慢生根瘤菌屬的各種菌株可使以磷酸三鈣為磷源的Pikovskaya 培養(yǎng)基的pH值從6.9 下降到5.2，可溶性磷含量按預(yù)期增加1.53～138.00 μg/mL。肖坤等［2］采用溶磷圈法從根際土壤中篩選得到解有機(jī)磷菌株27B 和解無機(jī)磷菌株21A，其溶磷能力分別為22.70 mg/L 和14.16 mg/L，將其接種至核桃后能促進(jìn)核桃生長。

2.3.3 鉀元素。鉀是植物必需的重要營養(yǎng)元素，能促進(jìn)根系發(fā)育，提高水分利用效率，參與有機(jī)酸、脂肪等化合物的代謝。雖然土壤富含鉀，但80%～90%的鉀元素以礦物質(zhì)形式存在。PGPR 可以將土壤中的難溶性鉀轉(zhuǎn)化為作物能吸收利用的有效鉀，提高土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)作物增產(chǎn)。在土壤菌群中，膠質(zhì)芽孢桿菌、土壤芽孢桿菌和環(huán)狀芽孢桿菌是最有效的鉀增菌［14］。PGPR 對鉀的溶解受pH 值、溶鉀菌菌種和含鉀自然資源類型的影響，從而產(chǎn)生的作用效果不同［14］。朱娟娟等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下添加解鉀菌KSBGY02菌液，能提高枸杞葉片類黃酮（FLAV）、花青素（ANTH-RB）和氮素平衡指數(shù)（NBI-G），增加可溶性糖含量及過氧化氫酶（CAT）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）和轉(zhuǎn)化酶（INV）活性等，有利于緩解鹽脅迫對枸杞幼苗的影響。

2.4 PGPR對植物非生物脅迫的影響

非生物脅迫被視為是作物生產(chǎn)力降低的主要原因之一。然而，非生物脅迫對植物的影響因土壤類型和植物因素而異。在非生物脅迫條件下PGPR 對植物耐受性的提升具有積極作用。一些PGPR 可以通過溶解礦物質(zhì)，分泌鐵載體、生物表面活性劑等來減輕金屬污染，促進(jìn)植物生長［10］。在重金屬污染的土壤中，PGPR經(jīng)過長期的適應(yīng)性進(jìn)化，可以自發(fā)形成抗性機(jī)制，減緩重金屬對自身和植物的危害。晉婷婷等［16］從連香樹根際土壤中篩選得到能夠產(chǎn)IAA 和ACC 脫氨酶的解鉀細(xì)菌LWK2，發(fā)現(xiàn)其基因組含有大量銅、鈷、鋅和鎘重金屬抗性基因，對CuSO4、ZnSO4、CdCl2和CoCl2均具有抗性，接種LWK2的連香樹實(shí)生苗生長良好。

PGPR 在非生物脅迫條件下對植物的另一個(gè)主要影響是改善葉片水分狀況，尤其是在鹽脅迫和干旱脅迫下［10］。植物利用水分進(jìn)行生長的能力取決于其氣孔數(shù)量，植物葉片上的氣孔用于平衡葉片中的水分含量和根部對水分的吸收。蘇迅帆［17］研究枯草芽孢桿菌QM3對干旱脅迫下擬南芥和大白菜的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)枯草芽孢桿菌QM3處理的植物存活率顯著提高，氣孔孔徑顯著降低；經(jīng)QM3處理的擬南芥的側(cè)根數(shù)量和長度均增加，且促進(jìn)了植株干旱誘導(dǎo)基因的高度表達(dá)。Gond［18］等將PGPR 接種到玉米根系后，發(fā)現(xiàn)玉米根系在鹽堿條件下吸收水分的能力明顯提高。

3 PGPR作為生物肥料的應(yīng)用

生物肥料是指一類含有大量活的微生物（包括根瘤菌、固氮菌、溶磷菌和溶鉀菌等）的特殊肥料。將這類肥料施入土壤中，有的活的微生物可在作物根系周圍大量繁殖，發(fā)揮自生固氮或聯(lián)合固氮作用；有的可以分解磷、鉀礦質(zhì)元素供給作物吸收，或分泌植物生長調(diào)節(jié)劑刺激作物生長。由此可見，生物肥料不是直接供給作物需要的營養(yǎng)物質(zhì)，而是通過大量活的微生物在土壤中的積極活動(dòng)，從而提供作物需要的營養(yǎng)物質(zhì)或產(chǎn)生植物生長調(diào)節(jié)劑來促進(jìn)作物生長。徐偉慧等［19］利用PGPR 復(fù)合菌劑R2 對西瓜幼苗進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌劑R2 的4 株菌分泌赤霉素的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他處理組及對照組，西瓜的根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)和根干質(zhì)量均有所提高。趙玲玉等［20］將芽孢桿菌WM13-24、假單胞菌M30-35、根瘤菌WMN-3、解淀粉芽孢桿菌GB03 和苜蓿中華根瘤菌ACCC17578 這5種促生菌制備復(fù)合菌肥施用于番茄植株，與對照組相比，用復(fù)合菌肥處理后番茄的產(chǎn)量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量及維生素C含量等均有明顯增加。

4 結(jié)語

PGPR 不僅直接影響植物的生長發(fā)育，而且在改善土壤環(huán)境和修復(fù)受損土壤等方面發(fā)揮著重要作用。此外，PGPR 具有環(huán)境友好等特點(diǎn)，未來在許多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但目前學(xué)者對PGPR 的種類、作用、開發(fā)利用等方面的研究成果有限，未來需要相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步加強(qiáng)對PGPR的研究。