根際促生菌研究進展及其在藥用植物上的應用*

張智慧，趙振玲，金 航，張金渝，楊天梅，李凌飛

(1．云南省農業科學院藥用植物研究所，云南昆明 650231;2．云南農業大學食品科學技術學院，云南昆明 650201)

當代根際微生態系統理論認為根際是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物質和能量交換的結點，而根際微生物正是根際微生態系統的重要組成部分。根際微生物區系主要以細菌為主，能夠促進植物生長、防治病害、增加作物產量的有益微生物被稱為根際促生菌 (plant growth－promoting rhizobacteria，PGPR)。PGPR種類繁多，廣泛存在于植物根系中，可以提高許多農作物的產量［1－5］;抑 制 植 物 病 原 菌［6－8］; 改 良 土 壤 結構［9－10］;對受重金屬污染的土壤也具有一定的修復能力［11］等。

鑒于PGPR存在的普遍性和對植物生長的特殊作用，以及藥用植物在人類生活中的重要性，藥用植物的PGPR研究受到國內外研究學者的廣泛關注。分離和篩選藥用植物的PGPR，研究PGPR對藥用植物生長和主要有效成分的影響，以及對病原菌的抑制作用，探討PGPR對中藥材道地性的影響機制，對實現中藥材產量和質量的穩定可控具有重要的理論和實踐意義。本文介紹了PGPR的研究進展，以及PGPR在藥用植物領域的研究成果，并探討了PGPR在藥用植物栽培中的應用，以期為中藥材規范化種植研究提供參考。

1 PGPR的研究進展

1.1 對植物生長的促進作用

1.1.1 固氮、解磷作用

PGPR可將空氣中的分子氮轉化為有機氮，供自身和植物利用，改善植物的氮素營養，從而促進植物生長。已經發現的具有固氮作用的PGPR有Azorhizobium、Azotobacter、Bacillus和Rhizobium等屬［12－13］。另外，土壤中存在大量難以被植物直接吸收利用的磷，而在植物根際普遍存在能溶磷和解磷的細菌，包括Enterobacter、Nitrobacter、Pseudomonas和Serratia等屬［8，13－14］，它們通過釋放大量有機酸或磷酸酶，溶解無機磷或降解有機磷，從而加速土壤中無效磷的有效化，以利于植物對磷的吸收和利用。

1.1.2 調節植物激素水平

PGPR可以通過調節植物激素 (生長素、細胞分裂素、赤霉素和乙烯)水平來促進植物的生長發育。吲哚乙酸 (IAA)是與植物相關細菌產生的、研究最廣泛的植物激素，IAA產生細菌主要包括Azospirillumbrasilense、Aerorrvonas veronii、Comamonas acidovorans、和Rhizobium leguminosarum等種［8］。此外，某些PGPR可以通過產生1－羧基－1－氨基環丙烷 (1－aminocyclopropane－1－carboxylate deaminase，ACC)脫氨酶將植物乙烯的合成前體ACC分解成為丁酮酸和氨，從而抑制乙烯的生成，促進植物快速生長發育，提高抗逆性［15］。Achromobacter、Agrobacterium、Bacillus、 和Burkholderia等屬的細菌均具有 ACC脫氨酶活性［8，15］。

1.1.3 產生揮發性有機化合物 (volatile organic compounds，VOCs)

PGPR還可以通過產生VOCs來促進植物生長。Ryu等研究發現，一些PGPR釋放出一種混合VOCs，特別是2，3 －丁二醇 (2，3－butanediol)和3－羥基－2－丁酮 (acetoin)，能促進擬南芥的生長，并且證實PGPR產生的VOCs是一種調控植物與微生物相互作用的信號分子，當VOCs積累到一定濃度時就可觸發植物的生長反應［16］。

1.2 PGPR的生物防治作用

1.2.1 分泌抗生素

許多PGPR可以合成抗生素抑制周圍其它微生物的繁衍。已經分離檢測到由PGPR產生的抗生素有吩嗪 (phenazines)、藤黃綠膿菌素 (pyoluteorin)、硝吡咯菌素 (pyrrolnitrin)、2，4－二乙酰藤黃酚 (2，4－diacetylphloroglulinol)、粘液菌素酰胺(viscosinamide)和張力蛋白 (tensin)等，這些物質都可在很大程度上抑制各種病原真菌［8］。

1.2.2 與病原菌或有害微生物競爭營養和空間

PGPR可以搶先占據植物根際營養豐富的有利位點，從而阻止和降低了病原菌或有害微生物在這些位點的生存和繁衍，其中最典型是鐵競爭。PGPR通過分泌對Fe3+具有高親和力的鐵載體 (siderophore)，形成的Fe3+載體復合物，該復合物不能被大多數微生物尤其是病原微生物所利用，使得病原菌生存所需的鐵很快耗盡，從而使病原菌繁衍和侵染能力下降。而PGPR和植物可以吸收利用Fe3+載體復合物，所以不會受缺鐵的影響［8］。

1.2.3 誘導系統抗性 (induced systemic resistance，ISR)

ISR是指由非致病菌 (主要是有益微生物，細菌和真菌等)誘導植物產生系統抗病性，它與茉莉酸和乙烯的形成積累有密切聯系［7，17］。近年來，PGPR誘導植物產生ISR的研究日益增多，主要集中在 Pseudomonas和 Bacillus兩個屬的細菌上［18］。在菜豆、蘿卜、番茄、甘蔗、玉米和水稻等農作物上均發現了此類誘導［7，19］。

2 PGPR在藥用植物上的研究狀況

國內外研究者對PGPR在藥用植物上的研究越來越多，部分研究結果見表1。他們發現接種PGPR不僅可以促進藥用植物的生長，增加產量，還可以提高其有效成分的含量，這類研究無疑對穩定藥用植物入藥質量、尋找新藥而言具有重要意義。此外，PGPR還可以作為某些藥用植物的生防菌。利用拮抗細菌來防治藥用植物的病害，不僅能克服使用農藥帶來的環境污染，避免農藥造成的病原菌產生抗藥性等問題，還能最大程度地保證藥用植物使用的安全性。

表1 PGPR在藥用植物上的相關研究成果

續表

3 PGPR在藥用植物栽培上的應用探討

3.1 PGPR在防治藥用植物連作障礙上的應用

近幾年來藥用植物連作障礙問題日益突出，嚴重危害著藥用植物的正常生長發育和藥材品質。土壤理化性質劣變和土壤微生物結構變化是連作障礙產生的重要原因之一，研究發現連作會導致土壤微生物組成顯著變化，微生物總數及細菌總數顯著減少［40］。目前，尚無綠色環保的方法可以有效緩解和解決連作障礙問題。而PGPR不僅可以改善土壤理化性質，還具有提高植物對養分的吸收、抑制病原菌和誘導系統抗性等作用。由此可見，隨著對PGPR和連作障礙有關問題的不斷深入研究，利用接種PGPR并結合其它有效措施來克服連作障礙，提高藥用植物品質將具有十分巨大的潛力。

3.2 PGPR作為生物肥在藥用植物栽培中的應用

為了滿足植物生存、生長所需的N、P等營養元素，施用工業化肥一直被認為是增產的主要途徑。然而，隨著化肥使用量的增加，出現了過度施肥，導致肥效下降、利用率降低等現象。同時生產化肥成本高，非再生能源消耗量大，污染空氣、土壤及水質，危害食品安全，破壞土壤結構及微生物區系和多樣性等。無疑，PGPR作為一種生物肥，其使用可以從一定程度緩解或避免以上的問題。在歐洲和非洲，人們已經成功地將固氮菌 (Azospirillum)應用在了很多作物上［41］。隨著植物根際生態系統，特別是根際微生物相互作用等方面研究不斷拓展和深入，相信會有越來越多的PGPR作為生物肥被成功應用。

4 結語

PGPR具有促進藥用植物的生長，增加植株對礦質養分N、P、K等元素的吸收，提高藥用植物有效成分的含量，增強藥用植物的抗環境脅迫能力和抗病性等作用。而栽培藥用植物往往出現生長發育不良，病蟲害嚴重，亂施化肥、使用農藥造成的質量不穩定、農殘超標，連作造成的產量、質量下降等問題，嚴重威脅了入藥的安全性、穩定性、有效性。為此，我們可以借鑒農作物PGPR研究的成果，研究PGPR對藥用植物病害的防治作用，藥用植物不同生長發育時期PGPR的種群結構的動態變化規律，以及道地藥材與非道地藥材PGPR種群結構的差異，同時將這些差異與藥材性狀、產量和有效成分等方面結合起來，從根際微生態環境的角度揭示道地藥材的科學內涵，為中藥材規范化種植提供技術支撐，以期達到提高藥用植物質量、增加產量，滿足人們用藥需要的目的。

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