植物根際促生菌提高植物耐鹽性研究進展

陳夢霞

（吉林師范大學，吉林四平 136000）

目前，全球鹽堿土分布范圍與占地面積越來越大，面積已超過8.33 億hm2，其中大多分布在非洲、亞洲和拉丁美洲的自然干旱或半干旱地帶。我國鹽漬土面積約為0.99 億hm2，占全球1/10 以上，這對我國糧食和生態(tài)安全造成了嚴重的影響。

土壤鹽漬化形成的原因有很多種，比如海平面上升和熱帶風暴潮導致的氣候變化會增加土壤和水中鹽分[1]，地底深部含鹽地下水中的巖鹽和石膏的溶解導致地下水鹽度增加[2]，人為活動可以將土壤鹽濃度提高到影響土壤質(zhì)量、微生物、植物和動物生命的水平[3]。此外，堆肥中含有較高濃度的可溶性鹽，也可導致土壤鹽分含量偏高[4]。研究表明，植物根際促生菌（PGPR）與植物根系相互作用，可以減輕鹽分脅迫以提高作物生產(chǎn)力[5]。PGPR 也被用作生物接種劑，用于提高作物產(chǎn)量、防治植物病原體和改善土壤健康[6]。PGPR 能很好地適應(yīng)極端環(huán)境，為生物肥料和生物防治劑提供一個未開發(fā)的倉庫，以抵御農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的鹽脅迫[7]。

1 鹽脅迫對植物的影響

鹽脅迫是影響植物生長發(fā)育的主要因素，鹽脅迫持續(xù)時間越長，植物受損程度越嚴重。在鹽脅迫條件下，細胞內(nèi)的Na+濃度增加，達到細胞毒性水平，最終導致離子穩(wěn)態(tài)失衡[8]。為了維持自身的離子平衡，植物通過Na+/H+反轉(zhuǎn)運蛋白將細胞質(zhì)中多余的Na+去除，以換取更多的H+，位于質(zhì)膜上的Na+/H+反轉(zhuǎn)運蛋白將Na+轉(zhuǎn)運到質(zhì)外體[9]。鹽脅迫也會影響植物的滲透穩(wěn)態(tài)，比如細胞膨脹壓力縮小，質(zhì)膜收縮，細胞壁也會發(fā)生改變，此時植物則主要依賴于從基因表達和滲透物生物合成酶的激活到水運輸系統(tǒng)的過程的滲透信號通路，以此改變植物細胞的滲透壓。

2 PGPR多樣性研究進展

土壤中含有大量的微生物，包括細菌、真菌、病毒等，與植物根際相關(guān)的微生物更是種類繁多，構(gòu)成了復雜的植物相關(guān)微生物群落[10]。其中，PGPR 可以促進植物生長或控制病原體，通過接種該類細菌可以促進植物發(fā)育并減輕病原體侵害和非生物脅迫[11]。

PGPR 分布范圍廣泛，并且具有豐富的多樣性。Sankalp 等在印度北方邦農(nóng)業(yè)氣候區(qū)分離出了1 125 種能夠耐受1M NaCl 的細菌，其中有560 種以1-氨基環(huán)丙烷基羧酸（ACC）作為唯一氮源，經(jīng)過細菌包被、種子萌發(fā)、耐受能力、16S rRNA 等實驗與分析，最終確定芽孢桿菌屬（Bacillus）是西部平原地區(qū)的優(yōu)勢屬，對提高水稻幼苗的生物量具有積極作用[12-13]。He等人從中國西北部的甘肅省騰格里沙漠的梭梭樹的根際分離出編號為M30-35 的菌株，M30-35 是假單胞菌屬（Pseudomonas adaceae）中的一個新種；結(jié)果表明M30-35 通過增加枝條鮮重和干重、葉綠素含量、根體積、根活性、葉過氧化氫酶活性、可溶性糖和脯氨酸含量顯著增強多年生黑麥草的生長和耐鹽性[14]。除了沙漠和平原，在高原地區(qū)也存在一定的鹽堿土，但因其海拔較高、氧氣稀薄、紫外線強等原因，可種植的農(nóng)作物并不多，故對高原地區(qū)PGPR 提高植物耐鹽性的研究相對較少。

3 PGPR 介導的鹽脅迫耐受機制研究進展

鹽脅迫下，植物會發(fā)生各種生化變化，包括抗氧化酶的激活、植物激素的調(diào)節(jié)、離子吸收的變化、活性氧（ROS）的產(chǎn)生和光合作用途徑的破壞[15]，PGPR可以通過多種方式促進植物共生體的生長，從而針對多種脅迫因素提供交叉保護[16]。

3.1 激活抗氧化酶

PGPR 具有合成代謝抗氧化物的能力，可在植物體內(nèi)起到緩解植物氧化損傷、增強植物耐鹽能力的作用。此外，PGPR 還參與植物體內(nèi)基因調(diào)控，誘導相應(yīng)基因表達，參與氧化物清除。植物接種PGPR 有助于降低水稻在鹽分條件下的植物細胞膜指數(shù)、細胞半胱天冬酶樣蛋白酶活性和程序性細胞死亡，從而降低活性氧的毒性，為植物提供耐鹽能力并增加細胞活力，在植物對鹽脅迫的正向適應(yīng)中發(fā)揮重要的生長調(diào)節(jié)作用[17]。克雷伯菌（Klebsiella）的分離菌株SURYA6 可以產(chǎn)生高活性的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽氧化酶等，還可以產(chǎn)生各種PGP、鹽等改善和提高抗氧化代謝物的潛力，使其成為鹽分壓力管理的潛在生物接種劑[18]。能產(chǎn)生類胡蘿卜素的耐鹽細菌迪茨氏菌（Dietzia natronolimnaea）的STR1 菌株，可以通過調(diào)節(jié)植物耐鹽性的轉(zhuǎn)錄機制來保護小麥植物免受鹽脅迫；接種該菌株的小麥植株中各種抗氧化酶（如APX、MnSOD、CAT、POD、GPX 和GR）的基因表達增強，有助于提高對鹽脅迫的耐受性[19]。在鹽脅迫條件下，接種腸桿菌屬（Enterobacteriaceae）的菌株UPMR18 的秋葵植物中觀察到抗氧化酶活性（SOD、APX和CAT）增加，可能是一種有效的生物資源，可增強鹽脅迫下秋葵植物的耐鹽性和生長能力[20]。玉米接種葡萄球菌菌株SAT-17 后，細胞抗氧化酶活性增加，并減輕了鹽誘導的細胞氧化損傷，促進了玉米生長[21]。這些研究表明，PGPR 在激活抗氧化酶、調(diào)節(jié)植物生理生化過程中具有重要作用。

3.2 植物生長調(diào)節(jié)劑

PGPR 能夠通過產(chǎn)生植物激素[赤霉素（GAs）、脫落酸（ABA）、吲哚-3-乙酸（IAA）]直接定殖根部，增強植物細胞分裂和植物吸收水分及礦物質(zhì)的能力，并刺激植物內(nèi)源激素的增加，從而促進種子萌發(fā)、根系發(fā)達、植株生長和對逆境的抵抗作用。

PGPR 在產(chǎn)生IAA 中具有重要的促進植物生長的作用，這是由于它是調(diào)節(jié)植物發(fā)育的信號分子。細菌細胞與植物根系結(jié)合，以提高水分保持能力和防御系統(tǒng)對抗不同非生物脅迫的能力。研究報道，在鹽脅迫條件下，當棉花接種產(chǎn)生IAA 的芽孢桿菌(Bacillus)后，植物的發(fā)芽率、根長、枝條長度、葉綠素含量指數(shù)、相對含水量、葉面積、K+吸收和Na+的吸收增加[22]。節(jié)桿菌（Arthrobacter）菌株SA3 在鹽分脅迫下增加了小麥的IAA 含量，且幼苗中的DREB2轉(zhuǎn)錄因子的表達水平升高，以此賦予小麥在非生物脅迫下的耐受性[23]。研究表明，熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）是在鹽脅迫條件下維持ACC 脫氨酶活性、鐵載體和IAA 生產(chǎn)的最佳菌株，可以有效緩解鹽度對黃瓜生長的負面影響[24]。在鹽脅迫下添加ACC 導致乙烯信號正調(diào)節(jié)因子表達增加，抗氧化酶活性增強，從而提高了植物耐鹽性，加速了植物生長。根際細菌合成的細胞分裂素通過減少鉀濃度下降的程度，改善鹽脅迫下番茄的枝條生長[25]。在缺水條件下，將產(chǎn)生細胞分裂素的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）接種到萵苣幼苗上會增加枝條生物量的積累并縮短根系，而對根系生物量的影響很小[26]。

3.3 滲透保護劑

在應(yīng)對鹽脅迫時，植物會積累有機滲透物，例如脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿等以減輕對植物的傷害。具有固氮能力的耐鹽PGPR 可以產(chǎn)生滲透物以保持鹽漬土壤中細胞的膨脹和新陳代謝[27]。Chen 等發(fā)現(xiàn)Bacillus subtilis可以增強擬南芥中脯氨酸的合成[27-28]。鹽脅迫下，腸桿菌（Enterobacteriaceae）使擬南芥葉片中與脯氨酸合成相關(guān)基因P5CS1和P5CS2均表達上調(diào)[29]。此外，PGPR 通過增加植物可溶性糖（TSS）含量抵御鹽脅迫。用Bacillus subtilis接菌小麥，不僅增加了脯氨酸的濃度，也增加了組織中可溶性糖的含量，兩者共同促成了植物的高耐鹽性[30]。接種芽孢桿菌（Bacillus）HL3RS14 菌株的植物根干重和枝條長度增加，且顯示出高濃度的脯氨酸、甘氨酸甜菜堿和丙二醛[31]。利用鳥槍法分析大豆組織中的蛋白質(zhì)組表明，在接種慢生根瘤菌后，鹽脅迫下應(yīng)激反應(yīng)蛋白如過氧化氫酶和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（抗氧化劑）、富含脯氨酸的前體蛋白（滲透劑）和NADP 依賴性蘋果酸酶（與ABA信號傳導相關(guān)）增加[32]。

4 PGPR在不同作物中的應(yīng)用

惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）[33]、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）[19,27]、陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacae）[34]、鏈霉菌（Streptomyces）[35]等對于在鹽脅迫下提高作物生產(chǎn)力有著至關(guān)重要的作用。Amna 等人探究了暹羅芽孢桿菌（Bacillus siamensis）菌株P(guān)M13、芽孢桿菌屬（Bacillus）菌株P(guān)M15、甲基營養(yǎng)芽孢桿菌（Bacillus methylotrophicus）菌株P(guān)M19 在鹽脅迫下對小麥幼苗的影響，結(jié)果表明，PGPR 施用對小麥幼苗的發(fā)芽率、根和莖長、光合色素等具有非常積極的影響[36]。Yin 等人從中國東營鹽堿土中分離出一株新型PGPR 菌株BY2G20，是一種變形芽孢桿菌（Metabacillus dongyingensis），可以提高鹽脅迫下玉米的耐受性[37]。Ali等人在玉米上接種陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacae）菌株P(guān)M23，增強了其自由基清除能力、相對水含量、可溶性糖、蛋白質(zhì)、總酚和類黃酮含量[38]。Abdel 等在油菜根際分離出2 種PGPR 菌株：褐色球形固氮菌（Azotobacter chroococcum）和糞產(chǎn)堿菌（Alcaligenes faecalis），二者共接種增強了鹽脅迫下植物的生長參數(shù)和光合色素，提出共接種可能是解決鹽漬化的優(yōu)質(zhì)方法[39]。Khare等人評估了熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）的EKi 菌株在鹽脅迫下產(chǎn)生生物防治和促進植物生長代謝物的能力，表明鹽脅迫下EKi 菌株促進鷹嘴豆的生長并抑制炭腐病[40]。Sapre等從小麥植物的根際分離出耐鹽PGPR 菌株IG3，發(fā)現(xiàn)接種IG3 菌株可增強鹽脅迫條件下的植物生長[41]。利用全基因組測序也可分離鑒定PGPR。Liu 等對克雷伯氏菌（Klebsiella）的D5A 菌株的基因組進行鑒定，揭示了耐鹽基因的存在。這些基因具有廣泛的pH適應(yīng)性和PGP性狀，包括磷酸鹽溶解、IAA生物合成等[42]。事實上，功能宏基因組學為鑒定微生物耐鹽性的各種基因提供了一種極好的方法。

5 結(jié)論

在PGPR 的長期進化下，植物已發(fā)展出各種機制應(yīng)對鹽脅迫，除了上述所提到的機制外，還有調(diào)控ACC 脫氨酶的活性，產(chǎn)生胞外多糖（EPS）、調(diào)節(jié)Na+和K+等離子平衡等。在鹽脅迫下，一些基因或代謝物會參與維持細胞完整性和植物與微生物間的相互作用。在對植物產(chǎn)生鹽分壓力時，PGPR 可以通過相應(yīng)途徑提高植物的耐鹽性，但對于PGPR 是通過何種通道或途徑感受到植物處于高鹽環(huán)境下的生理生化現(xiàn)象還有待探索。此外，PGPR 在修復和提高鹽脅迫條件下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力方面具有積極作用，但對于PGPR 的基因和功能還有待深入研究，以為將來利用PGPR實現(xiàn)鹽漬土復墾提供依據(jù)。