植物根際微生物研究及其在桑樹上的利用

于 翠，胡興明*，鄧 文，葉楚華

（湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，湖北武漢430064）

根際（rhizosphere）是受植物活根影響的土壤微區(qū)，是土壤微生物活性特別旺盛的區(qū)域。桑樹為多年生葉用植物，由于每年剪伐和一年多次采葉養(yǎng)蠶，需要從土壤中攝取大量營養(yǎng)元素，才能正常生長發(fā)育，根系和根際微生物的生理活動對土壤性狀、植物養(yǎng)分吸收和植物生長發(fā)育都具有明顯的影響，在長期的生長過程中，根系-土壤-微生物間形成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，三者相互作用，相互影響，為土壤微生物提供充足的營養(yǎng)和能量，促進土壤微生物活動，反之土壤微生物旺盛的活動加速了土壤養(yǎng)分的活化，通過改善根系周圍土壤環(huán)境等方式影響植物根系對養(yǎng)分的吸收利用，間接影響植株的生長發(fā)育。植物的生長發(fā)育、對營養(yǎng)物質的吸收和病蟲害的防治以及抗逆性與根際微生物關系密切[1～3]。

1 植物根際微生物研究現(xiàn)狀

早在19世紀中期，由于細菌學的誕生，導致了植物病理學和土壤微生物學等新學科的創(chuàng)立。迄今，根際微生物的研究已有100多年的歷史，但我國起步較晚。近年來，諸多研究者對不同植物根際微生物的種類、數(shù)量、種群動態(tài)、活性、生理特點和營養(yǎng)要求等進行了研究[1～6]。但大部分根際微生物的作用機理尚不清楚。深入理解根際微生物生化過程和植物-微生物相互作用的機理仍然是根際微生物工作所面臨的重大挑戰(zhàn)。

1.1 根際微生物的多樣性

植物根際聚居著大量的微生物，主要包括細菌、放線菌、真菌。前人已對水稻、大豆、玉米、小麥等農(nóng)作物；烤煙、棉花、油菜、番茄、黃瓜、辣椒、桑樹、茶樹等經(jīng)濟作物；柑橘、蘋果、甜櫻桃等果樹；杉木、紅柳、沙拐棗、尾葉桉、杜鵑林、格氏栲等林木大約100多種植物根際微生物進行了研究報道[1～15]。但因影響植物根際微生物的因素很多，不同研究人員對不同植物根際微生物的數(shù)量報道有差異，甚至對相同植物根際微生物數(shù)量的研究報道也有差異。

1.2 根際微生物的作用及其應用

植物根際中有益微生物的生理活動對土壤理化性狀、植物養(yǎng)分吸收、植物生長發(fā)育及植物病源微生物等均具有明顯影響[16～19]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，充分利用這些微生物的生物學潛力將有助于改善根際微生態(tài)環(huán)境、促進植物生長、抑制或減輕植物病害、減少化肥和農(nóng)藥投入、減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。有關此方面的研究日益受到重視[2，8，10，20，21，22，23]。

在植物根際存在的能生產(chǎn)植物生長激素直接促進植物生長的細菌和通過對病原菌的生物防治間接促進植物生長的生防細菌統(tǒng)稱植物根際促生細菌（Plant growth-promoting rhizobactoria），簡稱PGPR。對PGPR的研究，最初是從Azotobacter開始的。20世紀30年代初，人們對Azotobacter的興趣主要在于它們的固氮能力，后來發(fā)現(xiàn)將它接種于植物種子或根部，能促進植物生長和提高產(chǎn)量。現(xiàn)在已經(jīng)十分明確，Azotobacter的促生作用是由它產(chǎn)生的生理活性物質引起的，包括吲哚類、赤霉素類、激動素類等生物刺激素和多種維生素物質。到了20世紀50年代前蘇聯(lián)的土壤生物學家曾熱衷于對這類細菌的研究，并把它們作為菌劑，用于拌種，以促進植物的生長。但由于田間效果不穩(wěn)定或不顯著，這項研究逐漸冷淡了下來。近年來，這一領域再次出現(xiàn)了一個研究熱潮，大多研究集中于PGPR的防病促生潛能上，如防治幼苗立枯病、枯萎病、猝倒病、莖腐病和根腐病等[19～24]。據(jù)不完全統(tǒng)計，有20多個屬的PGPR具有防病促生潛能。熒光假單孢菌（Fluorescent Pseudomonas）的一些基因型是最常見的生防細菌，它們能生產(chǎn)抗生素氰化氫（hydrogen cyanide，HCN）和 2，4-二乙酰基藤黃酚（2，4-diacetylphloroglucinol，Phl），對許多病原菌有抑制作用[24]。

固氮細菌能將大氣N2轉變成氨態(tài)氮，是重要的PGPR。固氮細菌可分成共生固氮菌和非共生固氮菌。20世紀70年代初，自巴西學者報道了從雀稗根面分離到活性強的固氮菌以來，根際聯(lián)合固氮菌引起國內(nèi)外許多研究者的極大興趣，對水稻、小麥、玉米、高粱、甘蔗、棉花，及一些樹種如桉樹、楊樹、茶樹等進行了研究[25，26]。Lifshitz等[27]用一個能固氮的Pseudomonas putida的菌株（GR12-2）接種油菜種子，非常顯著地促進了油菜根的伸長。

近年來，國內(nèi)外研究者還應用單一或組合有益微生物制成菌劑，作為生物肥料或生物農(nóng)藥施入作物根際，為根際引進和富集這些有益的種類，并發(fā)揮它們促進植物生長發(fā)育和抑制病菌的作用，獲得增產(chǎn)和防病的效果[28]。增產(chǎn)菌的應用就是其中一例。對植物根際解磷細菌、固氮細菌、消化細菌、反硝化細菌的研究近年也有起步，許多學者已從多種作物根際分離出了這些菌株并進行了初步研究[2，8，10，14，25]，但對其機理尚未進行深入研究。

根據(jù)上面介紹的一些實例可以看出，PGPR在植物的根際普遍存在，應用某些優(yōu)良菌種促進植物生長的試驗也獲得了不少好的結果，但這些試驗多在人工控制的條件下進行，真正應用于大田生產(chǎn)的效果卻很不穩(wěn)定或無效果。其原因在于接種的菌株未能在植物根際存活或繼續(xù)生長繁殖。因此，要想使PGPR在生產(chǎn)中穩(wěn)定、有效地發(fā)揮其作用，必須在這方面加強應用基礎理論的研究，深入地了解PGPR的作用機理及各種環(huán)境因子對它們的影響，并通過各種技術措施調(diào)控外界環(huán)境，滿足它們的要求，才能使這類有益的細菌持續(xù)有效地在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。

2 桑樹根際微生物的研究現(xiàn)狀

我國桑樹資源豐富，廣泛分布于全國各地，為蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的物質保障。桑樹為多年生作物，長期定植于同一位點，其生長發(fā)育與土壤微生物，尤其是根際土壤微生物有密切的關系。吳凡等[9]對不同肥力條件下桑樹根際微生物種群分析的研究表明，肥沃土壤根際細菌和放線菌的數(shù)量均高于貧瘠土壤，而真菌數(shù)量低于貧瘠土壤；相同肥力條件下，三類促生細菌中溶磷細菌的數(shù)量最多，其次是硅酸鹽細菌，固氮細菌的數(shù)量最少。

PGPR中的固氮菌和解磷細菌可通過固氮作用和促進營養(yǎng)物質（如磷）的溶解等方式促進植物生長。吳凡等[8]對桑樹根際解磷細菌進行分離鑒定并對解磷能力進行了測定，結果表明，桑樹根際分離獲得32個具有解磷能力的細菌分離物，經(jīng)rep-PCR基因指紋分析得到19株解磷細菌。經(jīng)解磷能力測定，11株菌株的解磷能力較強，分別為假單胞菌屬（Pseudom onas sp.）、貪噬菌屬（Variovorax sp.）和根瘤菌屬（Rhizobium sp.）。吳凡等[10]也對桑樹根際固氮細菌進行分離鑒定并對固氮酶活力進行測定，結果表明，桑樹根際分離獲得24個具有固氮能力的細菌分離株，經(jīng)固氮酶活性測定，3株菌株具有較強的固氮酶活性，分別為中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium sp.）、假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）和土壤桿菌屬（Agrobacterium sp.）。以上研究只是對桑樹根際高效解磷與固氮細菌進行分離鑒定，并沒有對這些有益細菌施于土壤后的活動規(guī)律、繁殖特點和消長動態(tài)以及解磷作用的發(fā)揮條件和影響因素進行研究，繼續(xù)研究此項工作能更好地挖掘微生物的解磷、固氮潛能。通過開發(fā)高效微生物肥料，對減少化學肥料的使用、提高土壤中養(yǎng)分的含量、改善土壤環(huán)境、降低環(huán)境污染、提高桑樹生產(chǎn)力以及促進蠶桑產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有積極作用。

3 桑樹根際微生物的利用前景

自1904年“根際”一詞提出以來，因根際對植物營養(yǎng)、生長發(fā)育和病理等方面的研究有極為重要的意義而受到全世界的廣泛重視。作為多年生植物，桑樹生產(chǎn)中缺素癥、化肥施用量過多、環(huán)境污染等問題的解決都與根際微生物的研究密切相關。但是由于桑樹根系較龐大、結構復雜、試驗操作不便，對其根際微域環(huán)境的報道相對較少，研究多集中在小麥、大麥、燕麥、玉米等淺根性的一年生的農(nóng)作物上。近年來，隨著化學肥料所帶來的土質下降、環(huán)境污染嚴重等問題日益突出，桑樹根際微生物資源逐漸受到重視。桑樹根際微生物的深入研究將為蠶桑產(chǎn)業(yè)向縱深發(fā)展帶來新的機遇，提出新的挑戰(zhàn)。

3.1 桑樹根際微生物在生產(chǎn)中的應用

我國目前的桑園面積約81萬hm2。桑園肥培管理不但關系到桑葉的產(chǎn)量和品質，而且影響到養(yǎng)蠶成績的好壞。在蠶業(yè)生產(chǎn)上，桑園過量施用化肥尤其是過量施用氮肥的現(xiàn)象比較普遍，造成了桑園土壤中的磷素水平下降較快，桑園土壤有機質降低，土壤理化性狀惡化及肥力下降，同時也在一定程度上污染了環(huán)境。利用PGPR是解決上述問題的有效途徑之一。

PGPR能夠促進植物對礦質營養(yǎng)的吸收和利用，或者產(chǎn)生促進植物生長的代謝物，甚至抑制有害微生物。深入研究桑樹根際微生物，篩選出具有促生生防功能的桑樹促生菌，并施放活菌制劑于健康桑樹幼苗，或已感染特定病原微生物的桑樹，能建立或恢復桑樹的微生態(tài)平衡，促進桑樹的健康成長。相比化學肥料及農(nóng)藥單純的促長和抑病，及其所造成的極大的環(huán)境壓力，桑樹根際促生菌更環(huán)保，更有利于增強桑樹自身的抗逆性。如固氮菌資源則是利用生物固氮減少化肥使用量的有效途徑之一[25]；另外，解磷菌或溶磷菌能夠將植物難以吸收利用的難溶性或不溶性磷轉化為可利用的形態(tài)，還能夠吸附植物根際周圍的鋅、銅、硒等微量元素，改善植物營養(yǎng)，分泌生長調(diào)節(jié)物質，促進根系生長等[29]。所以尋找新的固氮及溶磷細菌等根際微生物資源，增加氮素和磷素及其它營養(yǎng)元素的供應水平，促進桑樹健康的生長，對保護環(huán)境、發(fā)展可持續(xù)性綠色蠶業(yè)具有重要意義。

另外，由于長期使用化肥和農(nóng)藥，以及一些工廠廢氣、廢水、廢渣的不規(guī)則排放，使得土壤中的有機、無機污染物日益增多，降低土壤肥力，抑制植物生長甚至毒害植物使之死亡。新研究發(fā)現(xiàn)，許多PGPR類群能降解無機、有機污染物，減輕污染物對植物的毒害，為植物的生長提供一個良好的生態(tài)環(huán)境。

3.2 桑樹根際微生物的應用形式

隨著資源的枯竭，微生物被認為是地球上最大的、未被充分認識和開發(fā)的生物資源。微生物作為一種寶貴的資源，它與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關系十分密切，它在土壤肥力的提高與保持、營養(yǎng)元素的轉化、抑制植物病害、環(huán)境凈化與生態(tài)系統(tǒng)的平衡等方面起著極其重要的作用。因此，加強以微生物肥料、微生物農(nóng)藥、微生物食品、微生物飼料、環(huán)境激素和環(huán)境工程微生物等為核心的農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)技術的研究與開發(fā)利用將具有廣闊的應用前景。桑樹作為重要的中藥材，含有多種藥物成分，相關研究期待能篩選出特定的桑樹根際微生物，其能產(chǎn)生與桑樹相同或相似的次生代謝產(chǎn)物。同時，利用微生物代謝時間短、活性物質生產(chǎn)條件易控、分離純化更為容易等優(yōu)勢，為活性成分的大規(guī)模生產(chǎn)提供新的可能。桑樹根際微生物相關研究的深入開展將可能為新藥的研究和開發(fā)帶來新的契機。

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