根際微生物介導(dǎo)的植物響應(yīng)干旱脅迫機(jī)制研究進(jìn)展*

曹亞靜 ,趙美丞 ,鄭春燕 ,朱 峰**

(1.河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報(bào)告顯示,全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢[1]。在此背景下,未來全球極端氣象災(zāi)害將出現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)現(xiàn)象,包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在內(nèi)的全球可持續(xù)發(fā)展將面臨重大威脅,進(jìn)而導(dǎo)致糧食供給的不穩(wěn)定性持續(xù)增大[1]。其中,大范圍持續(xù)性干旱已成為全球糧食生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅之一。20 世紀(jì)中葉以來,我國農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積逐年增加,旱災(zāi)嚴(yán)重威脅我國糧食安全[2]。到2050 年全球人口將突破90 億,屆時(shí)糧食產(chǎn)量必須提高近50%才能滿足人們對糧食的基本需求[3]。因此,必須明確植物在干旱下的生理適應(yīng)機(jī)制,提升和改善植物對干旱脅迫的適應(yīng)能力和緩解策略,以提高作物生產(chǎn)潛力,保證糧食供應(yīng)的穩(wěn)定性。

為應(yīng)對干旱造成的危害,植物在長期進(jìn)化過程中形成了多種適應(yīng)機(jī)制,反映在形態(tài)、生理、生化及分子結(jié)構(gòu)等變化之中[4]。表現(xiàn)為卷曲葉片、關(guān)閉氣孔以降低蒸騰速率,增加根深、根粗以提高水分吸收或限制營養(yǎng)生長以提高水分利用效率[5-6];通過脫落酸等植物激素信號調(diào)節(jié)自身加速開花以縮短生命周期[7];調(diào)節(jié)自身滲透平衡和抗氧化系統(tǒng)以增強(qiáng)防御[8];誘導(dǎo)特異性表達(dá)基因或者合成干旱誘導(dǎo)蛋白,如胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白(late embryogenesis abundant protein,LEA)等來適應(yīng)干旱脅迫的影響[9]。植物對干旱的反應(yīng)可以從分子水平到整個(gè)植株水平,這些均為抗旱育種研究提供了重要的科學(xué)依據(jù)。此外,現(xiàn)有研究表明,植物的抗旱性機(jī)制不僅體現(xiàn)在植物自身各方面的調(diào)節(jié)上,還與植物根際微生物的作用密切相關(guān)[10](圖1)。植物根際是與根系發(fā)生緊密相互作用的土壤微環(huán)境,根際微生物作為根際的重要組成部分,顯著影響著植物與土壤環(huán)境之間的相互作用,具有促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、調(diào)節(jié)植物免疫應(yīng)答、提高植物生產(chǎn)力和逆境脅迫耐受性等積極作用[11-12]。從生態(tài)學(xué)的角度來看,植物不僅僅是個(gè)體,因?yàn)樗鼈兣c影響自身生長的微生物群落共同生活,植物-微生物可以通過相互作用來響應(yīng)環(huán)境刺激并應(yīng)對環(huán)境擾動。在考慮如何提高植物對干旱脅迫的適應(yīng)性時(shí),植物-微生物組相互作用將會是被重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)根際微生物不但可以誘導(dǎo)植物的代謝潛力,而且能夠提供一系列基礎(chǔ)的生命支持功能,如促進(jìn)植物生長發(fā)育、增強(qiáng)植物抗逆性等,還能豐富生物多樣性,具有相當(dāng)重要的生態(tài)功能[13-14]。

圖1 根際微生物介導(dǎo)植物響應(yīng)干旱脅迫的模式圖型Fig.1 A diagram of plant response to drought stress mediated by rhizosphere microorganisms

目前,提高植物耐旱性仍是一項(xiàng)復(fù)雜且艱巨的任務(wù),尤其在田間條件下,很難在植物形態(tài)、生理性狀和產(chǎn)量表現(xiàn)之間找到明顯的遺傳相關(guān)性[15]。因此,從根際微生物組的角度出發(fā)解決植物應(yīng)對干旱的問題被越來越多的研究者所重視。隨著干旱的加劇,土壤環(huán)境發(fā)生變化,隨之影響土壤微生物的代謝活性和功能。土壤含水量與土壤微生物密切相關(guān),當(dāng)干旱來臨時(shí),根際微生物的多樣性、組成及結(jié)構(gòu)會受到影響[16]。同時(shí),根際相關(guān)的細(xì)菌、真菌等微生物會通過多種機(jī)制來協(xié)助植物應(yīng)對干旱。本文綜述了干旱對植物根際微生物組定殖的影響,通過總結(jié)根際微生物在植物響應(yīng)干旱脅迫中的作用方式及關(guān)鍵機(jī)制,在充分發(fā)揮根際微生物作用以提高植物抗旱性的前提下提出展望,以期為氣候變化背景下的農(nóng)業(yè)糧食安全生產(chǎn)提供新思路。

1 干旱脅迫對植物根際微生物群落的影響

由于全球氣候變暖加劇及降水變化所帶來的土壤含水量下降不僅影響著植物的生產(chǎn)力,更決定著微生物資源的開發(fā)與利用。研究表明,長期的缺水會迫使微生物適應(yīng),隨著土壤含水量的減少,微生物細(xì)胞可以利用自身的滲透作用,降低自身水勢以匹配處于較低水平的土壤含水量,但嚴(yán)重的干旱脅迫會導(dǎo)致微生物細(xì)胞因喪失彈性而最終死亡[17]。干旱脅迫下,植物根際微生物多樣性、組成及代謝活性均發(fā)生變化[18]。研究發(fā)現(xiàn),植物相關(guān)細(xì)菌和真菌群落對干旱的反應(yīng)方式存在差異,與細(xì)菌相比,真菌群落的穩(wěn)定性更強(qiáng)[19]。

1.1 干旱脅迫對植物根際細(xì)菌群落多樣性及組成的影響

干旱會改變植物根際細(xì)菌群落多樣性,整個(gè)細(xì)菌群落表現(xiàn)出相對一致的趨勢,即有利于革蘭氏陽性菌的富集,從而取代了主要存在于根際的革蘭氏陰性菌[20-21]。與革蘭氏陰性菌相比,革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁中較厚的肽聚糖,可使其在干旱脅迫下表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐性[22]。一些革蘭氏陽性菌還具有形成孢子的能力,放線菌(Actinobacteria)是常見的一類革蘭氏陽性菌,多數(shù)可產(chǎn)生分生孢子并依靠孢子進(jìn)行繁殖[17]。通過對干旱脅迫下18 種單子葉植物根際細(xì)菌群落分析,發(fā)現(xiàn)放線菌等革蘭氏陽性菌的顯著富集在植物中很常見[23]。

干旱可以觸發(fā)放線菌核糖體的合成,從而使放線菌相對豐度在干旱脅迫下迅速增加[24]。Xu 等[25]剖析了植物與微生物組在干旱下的相互作用關(guān)系,發(fā)現(xiàn)干旱誘導(dǎo)高粱(Sorghum bicolor)根際微生物組中放線菌的富集,并且當(dāng)高粱根際的鐵穩(wěn)態(tài)受到干旱干擾時(shí),會進(jìn)一步增加根際放線菌的富集豐度。對比旱季與季風(fēng)季根際微生物群落豐度的差異,糖多孢菌屬(Saccharopolyspora)、糖霉菌屬(Glycomyces)等放線菌的富集在旱季顯著增加[23]。同樣的結(jié)論也在水稻(Oryza sativa)根際微生物群落對干旱脅迫響應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)[26]。當(dāng)然,除放線菌外,在干旱脅迫期間大量厚壁菌門(Firmicutes)細(xì)菌也被檢測到。研究發(fā)現(xiàn),處于水分脅迫下的小麥(Triticum aestivum)根際放線菌、厚壁菌相對豐度均增加[27]。這是由于放線菌和厚壁菌產(chǎn)生的外孢子和內(nèi)生孢子具有抗干燥性,保證其在干旱時(shí)能夠生長良好[28]。除此之外,酸桿菌門(Acidobacteria)細(xì)菌的相對豐度受到干旱脅迫的影響也比較大,但多與放線菌和厚壁菌的豐度變化趨勢相反,干旱脅迫下酸桿菌的相對豐度呈降低趨勢。有研究表明,酸桿菌對土壤碳氮比變化較為敏感,而干旱導(dǎo)致進(jìn)入根際的不穩(wěn)定氮減少,這可能是酸桿菌相對豐度降低的原因之一[29]。然而,由于酸桿菌自身能夠適應(yīng)較低的pH,在酸性土壤中保持較高的相對豐度,因此在低pH 的土壤中酸桿菌可能比放線菌、厚壁菌等革蘭氏陽性菌能更好地適應(yīng)干旱脅迫[30]。

1.2 干旱脅迫對植物根際真菌群落多樣性及豐度的影響

與細(xì)菌群落相比,真菌群落多樣性在干旱脅迫下也會發(fā)生變化,但總體保持在較高水平。對小麥進(jìn)行不同土壤水分含量(從高到低)處理后,其根際細(xì)菌豐度對土壤含水量降低的響應(yīng)比真菌更敏感[19]。研究發(fā)現(xiàn),受到干旱脅迫后真菌豐富度和均勻度增大,而細(xì)菌豐富度和均勻度卻降低[31]。澳大利亞西南部氣候變化型干旱現(xiàn)象十分明顯,通過量化此地樹木的根際真菌群落,發(fā)現(xiàn)與未受干旱影響的樹木相比,受干旱影響的樹木根際真菌豐富度沒有出現(xiàn)顯著的增加或減少[32]。在高粱開花后施加干旱脅迫,盡管沒有發(fā)現(xiàn)真菌豐富度的變化,但均勻度顯著增加[33]。葡萄(Vitis vinifera)在受到干旱脅迫時(shí),根際真菌群落會發(fā)生變化甚至重組,從豐富度來看,缺水環(huán)境下的真菌豐富度顯著高于無水分虧缺環(huán)境[34]。以上研究表明,受到干旱脅迫后的植物根際真菌群落多樣性能夠保持較高的水平。

但值得注意的是,干旱能夠增加植物根際病原真菌的豐度,如鐮刀菌屬(Fusarium)、彎孢霉屬(Curvularia)、梭孢殼屬(Thielavia)、帚枝霉屬(Sarocladium)和赤霉屬(Gibberella)等,它們可能給植物帶來土傳病害的威脅[33,35]。與之相反,管柄囊霉屬(Funneliformis)等叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)的相對豐度在缺水環(huán)境中增多并占據(jù)優(yōu)勢地位[34]。AMF 的菌絲網(wǎng)絡(luò)可以主導(dǎo)根部周圍的土壤真菌群落,通過其特定的生長特性,深入土壤以提取水分,提供植物耐受水分脅迫能力[36]。盡管干旱脅迫會降低AMF 的孢子密度、根外菌絲密度和根定殖率,但并未降低根際叢枝菌根的整體豐富度,并且AMF 的孢子密度和根外菌絲密度會隨土壤水分有效性的提高而增加[18,37]。另外,自由生長的絲狀真菌也可以在干旱脅迫下保持活力,參與聚合物等高分子化合物分解和碳氮循環(huán)過程[38]。研究表明,真菌存在許多機(jī)制響應(yīng)干旱脅迫的壓力,包括滲透壓、厚細(xì)胞壁和黑色素等[39]。通過研究長時(shí)間干旱對土壤真菌和細(xì)菌的影響,發(fā)現(xiàn)與土壤細(xì)菌群落相比,真菌群落的抗逆性更強(qiáng),作為植物碳投入的根際首批消費(fèi)者,真菌群落在面臨干旱時(shí)的碳源需求降低程度遠(yuǎn)小于細(xì)菌群落,同時(shí),真菌共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也強(qiáng)于細(xì)菌,植物在干旱條件下的生長組成變化與真菌群落的聯(lián)系更加緊密[31]。植物在干旱條件下,更多地減少對細(xì)菌群落的碳源供應(yīng),而不是真菌群落[20]。土壤真菌由于其獨(dú)特的菌絲結(jié)構(gòu),通常受干旱的影響較小[40]。

總之,微生物在自然界中無處不在,可以通過多種途徑響應(yīng)干旱等環(huán)境壓力。多種微生物具有耐旱優(yōu)勢,細(xì)菌的放線菌和厚壁菌以及真菌的AMF 等可以在干旱脅迫下富集,被認(rèn)為是關(guān)鍵的脅迫響應(yīng)參與者。除此之外,一些生存于根際的原生動物、藻類等微生物群落豐度也會受到干旱的影響而發(fā)生變化,原生動物作為土壤細(xì)菌的主要捕食者,關(guān)系著整個(gè)根際微生物群落的健康程度;微藻可以幫助植物改善養(yǎng)分吸收,增強(qiáng)對非生物脅迫的耐受性[41-43]。根際微生物可以通過不同的機(jī)制提高植物對干旱脅迫的抵抗力并促進(jìn)其生長,在宿主適應(yīng)不斷變化的環(huán)境中起著重要作用。

2 根際微生物可通過多種途徑協(xié)助植物抵御干旱脅迫

對微生物越來越多的研究表明,根際微生物比其他位置的微生物更加活躍,并能給予植物更多有益的服務(wù)[44]。根際微生物區(qū)系不僅包括細(xì)菌、真菌,還包括原生動物、微型藻類、卵菌以及病毒等,其中根際微生物可以通過多種直接或間接機(jī)制刺激植物生長,介導(dǎo)宿主植物響應(yīng)干旱脅迫,進(jìn)而提高植物對干旱脅迫的抵抗力[11](圖2)。自由生活在土壤或附生于植物根系的一類可促進(jìn)植物生長及其對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收利用、并能抑制有害生物的有益菌類稱為植物根際促生菌,分為根際促生細(xì)菌(plant growth promoting bacteria,PGPB)和促生真菌(plant growth promoting fungi,PGPF)。研究發(fā)現(xiàn),這兩類根際促生菌均可以多種方式刺激植物生長,協(xié)助宿主植物抵御干旱脅迫,增強(qiáng)植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)性[45]。深入了解植物根際促生菌調(diào)控植物對干旱脅迫的響應(yīng)和緩解策略,對于研究其增強(qiáng)植物抗性機(jī)制、提高植物促生菌在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用具有非常積極的意義。

圖2 根際微生物介導(dǎo)植物抗旱機(jī)制模式圖Fig.2 Pattern diagram of plant drought resistance mechanism mediated by rhizosphere associated microorganisms

2.1 根際促生細(xì)菌(PGPB)對植物抗旱性的影響

PGPB 定殖于單子葉植物和雙子葉植物的根際,并通過多種機(jī)制提高宿主植物耐受生物和非生物脅迫的能力。近年來,對PGPB 在干旱脅迫中所起作用的研究越來越多,目前已知PGPB 介導(dǎo)的植物抗旱機(jī)制主要包括4 個(gè)途徑: 1)合成脫落酸(abscisic acid,ABA)、赤霉素、吲哚-3-乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)等植物生長調(diào)節(jié)因子;2)產(chǎn)生ACC (1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)脫氨酶,降低根部乙烯含量;3)增強(qiáng)植物抗氧化酶活性,消除活性氧危害;4)產(chǎn)生細(xì)菌胞外多糖(exopoly saccharides,EPS),增強(qiáng)保水性。

2.1.1 合成植物生長調(diào)節(jié)因子

PGPB 是天然存在于植物根際土壤中、能誘導(dǎo)植物生長的細(xì)菌,其優(yōu)良效果在玉米(Zea mays)、小麥、馬鈴薯(Solanum tuberosum)等多種作物中已得到驗(yàn)證[46]。作為植物根際的有益微生物,PGPB 不僅可以促進(jìn)植物生長,還有利于植物緩解干旱脅迫。PGPB 可產(chǎn)生ABA、赤霉素、細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)和IAA 等植物激素來協(xié)助植物抵御干旱脅迫。植物生長發(fā)育中生理上最活躍的激素是IAA。很多植物接種了能夠合成IAA 的PGPB 后,根系生長均有所增加,從而提高水分吸收能力以應(yīng)對缺水環(huán)境。在番茄(Solanum lycopersicum)中,巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)可產(chǎn)生少量可擴(kuò)散的一氧化氮?dú)怏w,作為信號分子誘導(dǎo)IAA 合成,促進(jìn)側(cè)根發(fā)育[47]。固氮螺菌(Azospirillumspp.)通過產(chǎn)生IAA,誘導(dǎo)小麥葉片水勢降低,葉片含水量增加,間接促進(jìn)根系生長和側(cè)根形成,從而幫助宿主植物應(yīng)對干旱脅迫[48]。蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)通過合成IAA,增加薰衣草(Lavandula angustifolia)鉀含量和脯氨酸積累,促進(jìn)其生長和避免干旱[49]?？莶菅挎邨U菌LDR2 (B.subtilis)提高了小麥在干旱脅迫下的光合速率,提高小麥抵御干旱能力,這與IAA 含量增加有關(guān)[50]。干旱脅迫下,接種產(chǎn)IAA 的地衣芽孢桿菌K11 (B.licheniformisK11)可增加辣椒(Capsicum annuum)的根、莖長度和干重,從而緩解干旱脅迫[51]。對綠豆(Vigna radiata)接種產(chǎn)IAA 的銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)后,莖長、光合活性、含水量和抗氧化性均顯著提高,對干旱脅迫的耐受性更強(qiáng)[52]。另外,干旱脅迫帶來的細(xì)胞脫水會誘導(dǎo)ABA的生物合成,而ABA 是缺水條件下的一種應(yīng)激激素。用產(chǎn)生CTK 的枯草芽孢桿菌接種側(cè)柏(Platycladus orientalis)幼苗可提高其地上部ABA 水平,使得葉片保持較高的相對含水量,從而具有抗干旱潛力[53]。對玉米植株接種生脂固氮螺菌(A.lipoferum)后,ABA和赤霉素含量升高,可減輕干旱對玉米植株的影響[54]。由此可見,植物可借助PGPB 分泌合成的多種生長調(diào)節(jié)因子,通過促進(jìn)根系生長、增加葉片含水量及光合速率等方式緩解干旱脅迫。

2.1.2 降低植物根部乙烯含量

植物在面臨干旱脅迫時(shí),會大量分泌乙烯,而乙烯的過量分泌會影響植物的生長和發(fā)育。ACC 是乙烯合成的前體物質(zhì),如果能將其分解可限制乙烯合成,進(jìn)而降低乙烯濃度,緩解對植物的危害。研究發(fā)現(xiàn),很多根際細(xì)菌均可產(chǎn)生產(chǎn)ACC 脫氨酶,而ACC脫氨酶具備分解ACC 的功能[55]。觀察同時(shí)接種產(chǎn)ACC 脫氨酶根瘤菌(rhizobia)的小麥,與對照相比,干旱脅迫下小麥植株的根冠長度和側(cè)根數(shù)都有所增加,發(fā)育增強(qiáng)的根系有利于植物獲得水分和養(yǎng)分,緩解乙烯的傷害[56]。同樣,接種了產(chǎn)ACC 脫氨酶的熒光假單胞菌G 型(P.fluorescens)的豌豆(Pisum sativum)在干旱脅迫下對土壤水分的吸收增加,根長增加[57]。干旱條件下接種可產(chǎn)ACC 脫氨酶的PGPB 可以改善植物生長,接種的黧豆(Mucuna pruriens)的根系和葉片的乙烯排放量顯著低于未接種植株[58]。在盆栽和田間試驗(yàn)中,產(chǎn)ACC 脫氨酶的假單胞菌基本消除了干旱脅迫對豌豆生長、產(chǎn)量和成熟的影響,因?yàn)锳CC 脫氨酶可阻止過量乙烯的分泌[59]。另外,假單胞菌RRCI5 可作為小麥生物接種劑,改善干旱下小麥的生理、養(yǎng)分和產(chǎn)量狀況[60]。產(chǎn)ACC 脫氨酶的PGPB 可降低根部乙烯含量,間接改善植物生長,提升植物的干旱適應(yīng)能力。

2.1.3 增強(qiáng)植物抗氧化酶活性

盡管植物自身的抗氧化防御系統(tǒng)可利用抗壞血酸過氧化物酶(APX)控制活性氧濃度以及谷胱甘肽還原酶(GR)維持氧化還原平衡,保護(hù)自己免受活性氧傷害;但干旱脅迫下植物會過度產(chǎn)生活性氧,破壞植物正常新陳代謝過程,并可能對植物的生物膜系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害,導(dǎo)致產(chǎn)量降低[61]。接種PGPB 可促進(jìn)植物生長生產(chǎn)、減少產(chǎn)量降低,而產(chǎn)生這一效果的機(jī)制是較高的抗氧化酶活性。接種短小芽孢桿菌(B.pumilus)增強(qiáng)了豆科植物甘草(Glycyrrhiza uralensis)的抗氧化酶活性,促進(jìn)類胡蘿卜素和類黃酮代謝,通過不同途徑的聯(lián)合作用,消除了干旱脅迫產(chǎn)生的過量活性氧,從而緩解了干旱脅迫的傷害[62]。接種假單胞菌的禾本科植物穇(Eleusine coracana)在干旱條件比未接種植株有更高的抗氧化酶活性[63]。此外,水稻和玉米接種PGPB 也觀察到同樣的現(xiàn)象[64-65]。以上研究表明,PGPB 可以通過增加抗氧化酶活性來緩解植物的活性氧危害,在提高植物耐旱性中發(fā)揮重要作用。然而,關(guān)于細(xì)菌是如何誘導(dǎo)植物抗氧化酶合成的研究還比較少,需要未來進(jìn)一步研究。

2.1.4 產(chǎn)生細(xì)菌胞外多糖

PGPB 可通過產(chǎn)生胞外多糖來提高植物抵御干旱脅迫的能力。研究發(fā)現(xiàn),胞外多糖不僅可以使細(xì)菌免受脫水的損害,且有利于植物耐受干旱的環(huán)境,被稱為保護(hù)膠囊[66]。各種根際微生物,包括根瘤菌、芽孢桿菌和假單胞菌已被證實(shí)可產(chǎn)生胞外多糖,顯著增強(qiáng)細(xì)菌在干旱脅迫下定殖特殊生態(tài)位的能力[67]。在PEG-6000 模擬干旱條件下,對小麥接種產(chǎn)胞外多糖的豆科根瘤菌LR-30 (Rhizobiumleguminosarum),發(fā)現(xiàn)兩者表現(xiàn)出有益的互作,顯著提高了小麥幼苗的生長、生物量和耐旱指數(shù)[68]。此外,產(chǎn)EPS 的惡臭假單胞菌GAP-P45 (P.putida)在向日葵(Helianthus annuus)幼苗的根表面形成生物膜,可以改善土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)植株對養(yǎng)分和水分的高效吸收[69]。當(dāng)玉米在干旱脅迫下接種惡臭假單胞菌,幼苗的根和芽生長增加,干生物量增加,細(xì)胞代謝物和氣孔導(dǎo)度改善[70]。因產(chǎn)胞外多糖細(xì)菌的存在,即使是沙漠類型的土質(zhì)也能維持一定的土壤水分含量,使植物耐受干旱脅迫。沙質(zhì)土壤中生長的鷹嘴豆(Cicer arietinum)接種枯草芽孢桿菌,其葉面積、根長、根面積等都有明顯增加[71]。

綜上所述,PGPB 通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)植物對干旱脅迫的響應(yīng),在提高植物的耐旱性中發(fā)揮了重要作用。其中以芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、固氮螺菌屬(Azospirillum)以及慢生型根瘤菌屬(Rhizobium)表現(xiàn)更為突出(表1)。

表1 根際促生細(xì)菌(PGPB)對植物響應(yīng)干旱脅迫的影響及作用機(jī)制Table 1 Effect and functional mechanism of plant growth promoting bacteria (PGPB) in rhizosphere soil on plant response to drought stress

2.2 根際促生真菌(PGPF)對植物抗旱性的影響

PGPF 是自由生活在根際土壤的一組與植物相關(guān)的非致病性絲狀真菌,能促進(jìn)植物生長[72]。與PGPB 相比,PGPF 受到的關(guān)注較少。根據(jù)目前對PGPR 在根際中的作用及其作用機(jī)制的研究表明,PGPR 和PGPF 具有相同的植物促生作用和相似的作用機(jī)制。面對干旱脅迫,PGPF 主要通過分泌赤霉素和IAA 等植物激素改變植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)分配、合成鐵載體、增加抗氧化酶活性、減少脂質(zhì)過氧化、積累可溶性糖和脯氨酸等滲透物等方式調(diào)節(jié)植物抗旱性[73-74]。其中,很多研究已證實(shí)常見的曲霉屬(Asper-gillus)、青霉屬(Penicillium)、木霉屬(Trichoderma)、莖點(diǎn)霉屬(Phoma)等真菌以及AMF,在調(diào)控植物應(yīng)對干旱過程中起到了關(guān)鍵作用(表2)。

表2 根際促生真菌[PGPF,包括叢枝菌根真菌(AMF)]對植物響應(yīng)干旱脅迫的影響及作用機(jī)制Table 2 Effect and functional mechanism of plant growth promoting fungi (PGPF) including arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) in rhizosphere soil on plant response to drought stress

PGPB 可以通過產(chǎn)生植物激素協(xié)助植物抗旱,同樣合成IAA、赤霉素等植物生長調(diào)節(jié)因子也是PGPF 的固有特性。以曲霉屬為例,與對照相比,接種曲霉菌NPF7 的小麥可產(chǎn)生IAA、赤霉素和鐵載體等多種植物生長促進(jìn)代謝物,顯著促進(jìn)小麥生長,提高小麥發(fā)芽指數(shù)和根冠長度[75];接種根際真菌曲霉菌PPA1 顯著增加了黃瓜(Cucumis sativus)地上部高度、鮮重和干重及根長、根鮮重、根干重、葉面積和葉片葉綠素含量,這些均有利于提高作物的耐旱性[76]。另外,一些PGPF 也可以通過誘導(dǎo)抗氧化劑和滲透劑的積累來促進(jìn)植物生長并增強(qiáng)其耐旱性。以青霉屬為例,接種了紫青霉菌(P.purpureogenus)的旱稻超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性增加,可溶性糖及脯氨酸等含量升高,無論是干旱脅迫還是非干旱脅迫下其根長都明顯增大,說明此菌株在提高水稻植株生長和抗旱性方面起著雙重作用[77]。以木霉屬為例,經(jīng)深綠木霉(T.atroviride)處理后玉米植株的耐旱能力顯著提升,增加了抗氧化酶活性[78]。哈茨木霉(T.har-zianum)處理增加了煙草(Nicotiana tabacum)的耐旱能力,其相對含水量增加,蒸騰速率下降[79]。在水分脅迫下,接種哈茨木霉35 的玉米植株比未接種的植株有更高的地上部和根系干重;嚴(yán)重干旱條件下,接種PGPB 的植株表現(xiàn)出更高的SOD、POD 和CAT活性[74]。提高植物生物量和抗氧化酶活性可能是PGPB 減輕植物干旱脅迫危害和嚴(yán)重干旱下維持體內(nèi)平衡的機(jī)制[74]。除此之外,真菌產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物對植物也有促生作用。例如莖點(diǎn)霉菌GS8-3 產(chǎn)生的2-甲基丙醇和3-甲基丁醇等揮發(fā)性混合物在煙草體外表現(xiàn)出顯著的生長促進(jìn)作用,提高煙草對干旱脅迫耐受性[80]。

AMF 作為根際微生物中的一大類群,與約80%的陸地植物間存在共生互惠關(guān)系[83]。研究表明,AMF 在改善宿主營養(yǎng)功能和抗旱性方面具有十分重要的作用。AMF 的優(yōu)勢是其菌絲可以與宿主植物根系形成一種聯(lián)合體-叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM),形成的AM 擴(kuò)大了宿主植物的根際范圍,不僅可以直接吸收水分或增加宿主植物根長、根深等以促進(jìn)水分的吸收,還能夠改善抗氧化酶活性,提高磷營養(yǎng)的吸收能力[84]。例如,干旱脅迫下接種AMF 對大豆(Glycine max)的水分含量有積極影響,不僅增加了大豆的根生物量,還增強(qiáng)了氮、磷、鉀的吸收[85]。對秋葵(Abelmoschus esculentus)施用AMF后,其總根長、根體積、根投射面積和根直徑比對照分別顯著提高60.0%、16.8%、15.9%和36.6%,AMF提高了干旱條件下秋葵的水分利用效率[86]。另外,接種地表球囊霉(Glomus versiforme)的玉米抗氧化系統(tǒng)明顯上調(diào)?？寡趸到y(tǒng)的上調(diào)有助于維持氧化還原穩(wěn)態(tài),從而通過消除活性氧來緩解干旱帶來的氧化效應(yīng)[81]。對柑橘(Citrus reticulata)分別單接種摩西球囊霉(G.mosseae)、地表球囊霉和透光球囊霉(G.diaphanum),會增加POD 活性,使干旱條件下植株能保持水分,增強(qiáng)柑橘耐旱性[82]。同時(shí),AMF 介導(dǎo)的抗氧化系統(tǒng)上調(diào)還有助于保護(hù)主要代謝途徑-光合作用[81]。通常干旱下植物生長受抑和產(chǎn)量降低很大程度上由于光合作用降低。Mathur 等[83]評估了干旱脅迫對接種AMF 的小麥光合系統(tǒng)的影響,證明AMF 的定殖緩解了干旱脅迫對光合系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ)和光合系統(tǒng)Ⅰ (PSⅠ)結(jié)構(gòu)和功能的損害。接種摩西球囊霉和縮球囊霉(G.constrictum)的豆科植物在水分脅迫下表現(xiàn)出更高的光合性能[87]。此外,目前也有研究正在開展AMF 和PGPB 協(xié)同接種、AMF 和生物炭等土壤結(jié)構(gòu)改良劑結(jié)合施用對干旱脅迫下植物生長和生理特性的綜合影響[86],探索這些組合在干旱脅迫下作物栽培中應(yīng)用潛力與前景,減輕干旱對植物的負(fù)面影響,可為利用微生物技術(shù)提高植物耐旱性提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 根際其他微生物對植物抗旱性的影響

除細(xì)菌和真菌外,根際其他微生物(原生動物、微型藻類等)對植物的生長和健康亦存有重要影響。研究發(fā)現(xiàn),吞噬型原生動物可以控制番茄病原菌的生長,在番茄生長過程中,吞噬型原生動物的相對豐度與番茄青枯菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān),因此其群落組成可以預(yù)測植物最終的健康狀態(tài)[88]。健康的根際微生物群落能夠抵御病原菌入侵植物根系,從而維持植物健康,對提高宿主植物在生物和非生物脅迫下的適應(yīng)性具有重要意義。然而,原生動物對植物生長促進(jìn)的作用尚不清楚,盡管有研究表明分布在根際的小型變形蟲作為土壤細(xì)菌的主要捕食者,可能通過捕食細(xì)菌來保護(hù)植物,但關(guān)于其在干旱下的作用機(jī)制相關(guān)研究很少。微藻也是一類重要的根際微生物,作為植物生物激素的來源之一,其提取物可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)促進(jìn)作物生長發(fā)育,緩解作物非生物脅迫的壓力,對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境可持續(xù)性至關(guān)重要[41]。微藻提取物可以減輕干旱脅迫帶來的不利影響,在小麥、番茄等植物上已被證實(shí)[89-90]。另外,微藻可產(chǎn)生具有潛在價(jià)值的化合物-蝦青素,蝦青素是強(qiáng)大的抗氧化劑之一,可有效地抑制自由基引起的脂質(zhì)過氧化作用[42]。研究表明干旱脅迫會導(dǎo)致植物出現(xiàn)氧化應(yīng)激,同時(shí)也會誘發(fā)微藻積累蝦青素[46]。作為具備降低脂質(zhì)過氧化功能的物質(zhì),蝦青素很有可能在植物氧化應(yīng)激過程中發(fā)揮重要作用,提高植物抵御干旱脅迫的能力,不過與此類相關(guān)的機(jī)理研究還比較少。未來,關(guān)于原生動物、微藻類等除真細(xì)菌以外的根際微生物在協(xié)助植物抗旱方面的利用潛力同樣值得進(jìn)一步探究。

3 結(jié)論與展望

作為植物根際的有益菌類,PGPB 和PGPF (包括AMF)已被證實(shí)可促進(jìn)植物生長并調(diào)節(jié)植物抗旱,為緩解氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)壓力提供了應(yīng)用策略。本文總結(jié)發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下放線菌、厚壁菌及AMF 等耐旱微生物富集;根際微生物可以通過合成植物激素促進(jìn)植物生長,產(chǎn)生ACC 脫氨酶減低根部乙烯濃度,產(chǎn)生胞外多糖增強(qiáng)根部保水性以及提高抗氧化酶活性等方式提高植物抗旱性。PGPB 以芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、固氮螺菌屬和慢生型根瘤菌屬的微生物表現(xiàn)更為突出,PGPF 以曲霉屬、青霉屬、木霉屬、莖點(diǎn)霉屬以及AMF 為主。以上為認(rèn)識并利用微生物提高作物抗旱性提供了強(qiáng)有力的理論支撐。與此同時(shí),應(yīng)該深入探尋這些微生物的來源,并思考如何將其精準(zhǔn)利用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,我們從以下方面進(jìn)行了展望:

1)挖掘利用植物野生近緣種的根際微生物,恢復(fù)植物與微生物之間的有益共生關(guān)系。作物的野生近緣種被認(rèn)為是耐非生物脅迫的重要遺傳資源的儲藏庫,幾乎所有的野生種都表現(xiàn)出比馴化種更深的根系等耐旱性狀[91]。然而在長期的馴化篩選過程中,不僅植物性狀會改變,還會發(fā)生與植物有益互作共生微生物的丟失。對于AMF 定殖于野生種和馴化種的研究表明,小麥及玉米的野生近緣種比現(xiàn)代栽培品種從菌根共生中受益更多[92-93]。對水稻根際真菌群落的共生網(wǎng)絡(luò)分析表明,野生稻的根際真菌群落復(fù)雜性高于馴化稻,并且AMF 與野生稻根際真菌數(shù)量呈正相關(guān),這些正相關(guān)的真菌可作為微生物接種的潛在來源以重塑根際微生物群落[94]。在與根瘤菌的共生關(guān)系中,理論模型預(yù)測表明,馴化過程中可能會降低豆科作物實(shí)現(xiàn)其充分發(fā)揮固氮共生潛力的能力[95]。研究豌豆、蠶豆(Vicia faba)、鷹嘴豆等豆科作物與根瘤菌共生關(guān)系時(shí),發(fā)現(xiàn)這些作物的野生種能夠擁有更高的根瘤菌群落多樣性[96-98]。植物根際有益微生物與植物的共生關(guān)系受到馴化的影響。在野生種根際具有較栽培種更為有益的菌根互作關(guān)系,并且其原因可能與兩者根際微生物群落在組成上的差異有關(guān)。因此,未來需從根際微生物角度加大對馴化種的利用程度,進(jìn)一步挖掘野生近緣種根際富集的微生物及其功能,將其和栽培種的差異微生物對比,與共生能力相聯(lián)系,從更深的層次探究根際微生物抵御逆境脅迫能力的內(nèi)在機(jī)制。了解植物-微生物組相互作用的生態(tài)進(jìn)化軌跡,發(fā)揮植物與微生物之間原始的有益協(xié)作關(guān)系,對于提高作物抗旱性并促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)具有重要意義。

2)管理操縱能夠協(xié)助植物抵御干旱的根際微生物,致力于提高田間作物抗旱性?，F(xiàn)已證明接種根際促生菌能刺激植物生長從而提升植物的耐旱性。然而,大多數(shù)研究僅停留在單一菌劑接種對植物抗旱性的影響上,且更多試驗(yàn)結(jié)果基于溫室條件,當(dāng)其應(yīng)用于田間自然條件下時(shí),這些根際促生菌常常無法產(chǎn)生有益的效果。針對這些不足,未來研究應(yīng): 為了獲得最有效的根際促生菌,有必要開展長期的田間野外試驗(yàn),嘗試量化植物和微生物之間的關(guān)系;施用多種PGPB 或PGPF、組合施用PGPB+PGPF 或組合PGPB/PGPF+土壤改良劑等,進(jìn)一步探索微生物介導(dǎo)植物抗旱的協(xié)同作用,為應(yīng)對田間復(fù)雜自然條件提供多樣的施用策略。

3)持續(xù)開發(fā)植物相關(guān)的有益微生物,設(shè)計(jì)具備干旱適應(yīng)性的人工微生物群落。在對已知功能的植物根際促生菌綜合利用的同時(shí),未來的研究也應(yīng)持續(xù)關(guān)注植物根際真菌、原生動物及微型藻類等多種待開發(fā)的根際有益微生物。未來,基于微生物可迅速適應(yīng)環(huán)境變化并與宿主植物建立有益關(guān)系的能力,綜合運(yùn)用植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科理論和過程工程技術(shù),設(shè)計(jì)富含與促進(jìn)植物生長或養(yǎng)分獲取相關(guān)的特定有益功能的“自組裝”微生物,以結(jié)合植物育種和水分高效利用研究,充分發(fā)揮根際微生物在植物抗旱中的有利效果,為全球氣候變暖背景下的作物抗旱和作物生產(chǎn)提供指導(dǎo)。