植物根際促生菌作用機理研究進展

田 婧， 李 邵， 馬 寧， 連青龍， 魯少尉， 鮑順淑

(農業部規劃設計研究院設施農業研究所，北京 100125)

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植物根際促生菌作用機理研究進展

田 婧， 李 邵， 馬 寧， 連青龍， 魯少尉， 鮑順淑*

(農業部規劃設計研究院設施農業研究所，北京 100125)

摘要介紹了植物根際促生菌(PGPR)的概念與種類，綜述了PGPR通過固氮、溶磷、產生嗜鐵素、調控植物激素發揮的直接作用機理，以及作為生防制劑的間接作用機理，并闡述了PGPR在農業生產中的應用。

關鍵詞植物根際促生菌(PGPR)；根際；固氮；溶磷

根際的概念最早由德國微生物學家Hiltner提出，是指受植物根系活動的影響，在物理、化學和生物學性質上不同于土體的那部分微域土區，根際范圍很小，一般指離根軸表面數毫米之內[1]。根際土壤微生物包括細菌、放線菌、真菌、藻類和病毒等，其中細菌的種類和數量最多。

植物根系分泌物直接影響著根際微生物的數量和種群結構。植物根際有一些有害病原微生物與非寄生性根際有害微生物，致使植物的根系或幼苗發育不良、生長緩慢。但大多數根際微生物對植物無害或對植物生長有促進作用，它們在植物根際的生命活動中，由呼吸作用放出二氧化碳或代謝產酸，有助于難溶礦物質的溶解，增加植物對礦質元素的吸收，分泌生長刺激素類物質促進植物生長。筆者綜述了PGPR促進植物生長的作用機理，并闡述了PGPR在農業生產中的應用，旨在為PGPR的研究與應用提供參考。

1PGPR的概念與種類

PGPR是指自由生活在土壤或附生于植物根系的一類可促進植物生長及其對礦質營養的吸收和利用，并能抑制有害生物的有益細菌[2]。目前，已鑒定出20多個種屬的PGPR 菌株，主要種類包括芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)和農桿菌屬(Agrobacterium)等[3-4]。

2PGPR的作用機理

PGPR促進植物生長的機理可分為直接作用和間接作用。其中，直接作用是指PGPR可合成某些對植物生長發育有直接作用的物質(如生長素)或改變土壤中某些無效元素的形態，使之被植物有效化吸收(如固氮、溶磷)；間接作用是指某些PGPR可抑制或減輕土傳病害的發生，并通過誘導植物系統抗性提高植物自身對疾病的防衛機制，從而降低對植物生長發育及產量收獲的不良影響[5]。該分類是比較主流且全面的分類方式。

PGPR的作用機理也有另外的分類方式，一類是誘導植物產生系統抗性以抵御生物性脅迫，另一類是誘導植物提高耐受力以抵御非生物脅迫。前者是指PGPR能產生抵抗多種病原菌的抗生素類物質或毒素，幫助植物抵抗生物類侵害，包括病原細菌、真菌、病毒及線蟲等；后者是指PGPR能幫助植物忍受多種環境脅迫，包括干旱、鹽分、重金屬、肥力低下或過剩等[6]。

2.1直接作用

2.1.1固氮。氮是植物生長最重要的必需養分之一，是每個活細胞的組成部分。地球上2/3的氮素都是通過生物固氮的形式存在，生物固氮是指微生物將空氣中的氮氣還原為氨，為植物生長提供氮素營養。在農業生產中高效利用生物固定的氮素可大幅減少人工氮肥使用量，有助于緩解土壤環境污染，發展可持續現代農業。根據固氮方式不同可分為自生固氮、共生固氮和聯合共生固氮3種，其中共生固氮效率最高。自生固氮的微生物大多利用光能或化能固定氮素，如紅螺菌、紅硫細菌和綠硫細菌等，該類細菌固氮效率相對較低，固氮量也較少；共生固氮最典型的是根瘤菌屬細菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體系；聯合固氮的菌種雖然與植物根系關系密切，但不形成類似根瘤的特異化結構，只是聚集在根系表面或通過植物根部傷口定殖到根系內部，該類固氮菌易受到環境影響[7]。PGPR為豆科植物固氮，根瘤菌家族屬于蛋白菌，侵染豆科植物根系后與之形成共生關系，寄主與共生體之間是一種復雜的相互關系，形成結節或小瘤。PGPR也可為非豆科植物固氮，但需要通過一種雙組分結構的金屬酶——固氮酶復合體來實現。其中，固氮酶還原酶為鐵蛋白組分，提供電子具有高還原力，將N2變為NH3；固氮酶為金屬輔因子蛋白組分，基于不同的金屬輔因子，固氮系統可被分為鉬型、釩型和鐵型3種[8-9]。不同種屬的細菌中，固氮系統的結構有所不同，但以鉬型固氮酶居多。

2.1.2溶磷。磷是僅次于氮的植物生長必需養分，在植物的糖類代謝、蛋白質代謝和脂肪代謝中起重要作用。植物所利用的磷素主要來源于土壤，土壤中存在有機態磷和無機態磷，植物通常以正磷酸鹽(磷酸氫根或磷酸二氫根)的形式吸收磷元素，土壤中約95%的磷為無效磷。為提高作物產量，人工施入的大量可溶性磷肥又極易被土壤中金屬陽離子結合，經化學沉淀固定形成難溶的磷酸鹽在土壤中積累起來。溶磷微生物不但能分解植物無效態磷轉化為植物可吸收利用的形態，還能分泌一些生長調節物質，促進植物根系生長，增強植株的抗病能力[10-11]。因此，近年來從植物根際土壤中篩選出高效溶磷菌，用以活化土壤中難溶性磷，減少化肥施用量，成為提高土壤磷利用率的研究熱點。植物根圍存在多種溶磷微生物，其中溶磷細菌被認為是有希望的生物肥料，包括固氮菌屬、芽孢桿菌屬、拜葉林克氏菌屬、伯克氏菌屬、腸桿菌屬、歐文氏菌屬、黃桿菌屬、細桿菌屬、假單胞菌屬、根瘤菌屬和沙雷氏菌屬。

2.1.3產生嗜鐵素。嗜鐵素也叫鐵載體，是微生物和部分作物在低鐵應激條件下產生的一種能夠高效率結合Fe3+的低分子量有機化合物。嗜鐵素合成與轉運通常在缺鐵的情況下高效表達，與Fe3+結合能力非常強且具有特異性，能從各種水溶性和非水溶性的化合物中奪走Fe3+[12]。嗜鐵素按照其螯合基團特性可分為3類，包括氧肟酸類、兒茶酚類、檸檬酸型，產生嗜鐵素的微生物包括細菌和真菌。嗜鐵素既是依賴受體的高親和性鐵轉運系統，可作為生長因子或萌發因子，也可作為抗生素或毒力因子[13]。首先是植物營養學功能，鐵是植物必需的微量元素，鐵元素在原核和真核生物的生命活動中具有不可替代的功能。嗜鐵素可活化土壤中難溶的鐵，提高鐵的溶解性、移動性和有效性，校正植物缺鐵失綠。許多研究認為微生物鐵載體與Fe3+的螯合物可直接被植物吸收，并推測這種機理是植物抗鐵脅迫的第三機理[14]。其次是生物防治功能，PGPR分泌嗜鐵素是其控制真菌病害的一種主要機制，依靠高親和鐵的螯合體產物嗜鐵素與病原菌競爭鐵離子，使得病原菌缺乏鐵元素而不能生長繁殖，進而達到控制植物病害的目的[13]。此外，還有載體功能，嗜鐵素進入微生物細胞內是在受體蛋白的介導下完成，以載體的形式與某些抗微生物的藥物分子連接，使藥物更易進入靶向微生物體內，從而更有效地殺死靶向病原菌，這是一種特洛伊木馬式的策略，這一功能對醫藥界研發具有重要意義[15]。

2.1.4調控植物激素。各種作物根圍分離的微生物群中，80%具有合成與釋放生長素作為次生代謝物質的能力[16]。根際細菌分泌的吲哚乙酸(IAA)可參與眾多植物的發育過程，植物內源IAA庫也會因獲取土壤細菌分泌IAA而發生改變。IAA也作為一種互惠信號分子，影響微生物的基因表達。IAA影響植物生長發育及防衛反應，IAA下調信號與植物對病原體細菌防衛機制相關。PGPR生成的IAA可能通過改變植物的生長素庫來干預植物的生理過程，細菌IAA促進根系表面積和根長增加，更有效地吸收土壤養分；還可使植物細胞壁松弛滲出更多的根系分泌物為PGPR提供一些額外的養分，互利共生[17]。細菌性IAA作為植物與微生物互作的效應分子，參與發病機制和植物激發。色氨酸是調節IAA合成水平的重要前體分子，色氨酸與其前體氨基苯甲酸鹽存在反饋調節機制，進而間接調節IAA合成[18]。

乙烯是植物生長和發育十分重要的代謝物，也是一種植物激素，幾乎所有植物都內源生成，尤其是受到各種生物性或非生物脅迫時，誘導一系列植物生理變化。脅迫條件下，乙烯作為逆境激素存在，鹽、干旱、淹水、重金屬或病原體入侵，內源乙烯含量顯著升高，加速衰老，全面抑制植物生長發育[19]。高濃度乙烯誘導落葉和其他細胞過程，進而造成作物減產，而PGPR產生的酶包括ACC脫氨酶，通過降低乙烯水平來促進逆境下植物生長。具有ACC脫氨酶活性的菌株已被鑒定出很多，這些根際細菌吸收乙烯前體ACC并轉化成2-氧代丁酸和氨，ACC水解保持細菌較低的ACC濃度，允許從植物向細菌持續轉運ACC，否則，乙烯會由ACC轉化而來，進而引起植物脅迫應激響應，包括生長抑制[20]。

2.2間接作用應用微生物控制病害是一種環境友好型的生物防治措施。PGPR間接生理作用主要是作為生防制劑，其生防活性包括營養競爭、小生境形成、誘導系統抗性和抗真菌代謝物，其中抗真菌代謝物是指氰化氫、吩嗪、硝吡咯菌素、2,4-二乙酰基間苯三酚、藤黃綠菌素、粘質酰胺和張力蛋白等[21]。一些根際細菌與植物根系互作還會引起植物對某些致病細菌、真菌或病毒產生抗性，這種現象即誘導系統抗性(ISR)，ISR的信號轉導主要依賴于感應植物激素茉莉酸和乙烯。PGPR的某些組分可獨立誘導植物抗性，如脂多糖、鞭毛、嗜鐵素、環狀脂肽、2,4-二乙酰基間苯三酚、高絲氨酸內酯，揮發成分如3-羥基-2-丁酮、2,3-丁二醇等[22]。PGPR等生防菌通過在植物根際或植物體內高密度定殖，兼有抑制植物病原菌和根際有害微生物，以及促進植物生長并增加作物產量的作用，更重要的是誘導植物抗性，從而提高植物整體的抗病能力[23]。

3PGPR的應用

在過分依賴化肥和農藥以期追求農作物增產的時代背景下，人們也逐漸意識到生態保護與農業可持續發展的重要性。同時，轉基因技術的發展和應用仍有較大阻力，作物單產繼續提高的潛力空間不斷縮小。土壤環境復雜多變，作物種植經常難以達到預期的產量及較高的農產品質量。隨著PGPR作用機理研究的深入，PGPR的應用也越來越多。很多在露地或設施的種植研究都報道了PGPR對各種作物增產、增效的多重功能。由于氣候因素對PGPR的應用效果影響較大，在環境相對可控的設施栽培中應用PGPR，其生物效率和經濟效益均更高。PGPR的開發與應用對創造良好的根際生態環境、改善土坡理化性質、提高土坡的供肥能力和對環境資源的有效利用、降低作物對化肥的依賴、抑制病蟲害的發生及減少農藥污染等具有重要作用[3]。PGPR在多種作物生產上應用表現出對植物生長的廣譜促進功效，生物調節潛力巨大，一些PGPR被開發成多功能的生物菌劑或生物肥料，凈化土壤環境，也可作為生物農藥，防治多種植物病原體。

目前，PGPR優良菌株已有商業活菌制劑問世，但接種后

的應用效果主要取決于PGPR在植物根部的實際定殖情況。這些制劑的生產效率還有待深入研究，根據土壤條件進行馴化，今后將用于部分替換化學肥料，減少殺蟲劑和人工生長調節劑的使用，服務于可持續農業生產系統建設。

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Research Progress of the Action Mechanism of Plant Growth-promoting Rhinoacteria

TIAN Jing,LI Shao,MA Ning, BAO Shun-shu*et al

(Institute of Protected Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Engineering,Beijing 100125)

AbstractWe introduced the concept and types of plant growth-promoting rhinoacteria (PGPR),reviewed the direct mechanism of PGPR by means of nitrogen fixation, phosphate solubilization,siderophore producing,plant hormones regulation,as well as the indirect mechanism as bio-control agents.Finally,the application of PGPR in agricultural production was elaborated.

Key wordsPlant growth-promoting rhinoacteria; Rhizosphere; Nitrogen fixation; Phosphate solubilization

基金項目國家公益性行業(農業)科研專項(201203002)。

作者簡介田婧(1983- )，女，山西平遙人，工程師，博士，從事設施園藝作物栽培技術與工藝研究。*通訊作者，高級工程師，博士，從事設施園藝研究。

收稿日期2016-03-13

中圖分類號S 144

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-001-02