植物根際促生菌研究綜述

麥靖雯 黎瑞君 張巨明

摘要 根際促生菌是一類能夠直接或間接促進植物生長的微生物，有利于植物吸收營養，也可以防止致病微生物的攻擊、幫助建立共生根瘤菌或菌根。本文從根際促生菌的種類、作用機制及研究狀況3個方面對植物根際促生菌進行了綜述，以期為根際促生菌的研究提供參考。

關鍵詞 植物根際促生菌；作用機制；研究進展

中圖分類號 Q938 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）12-0179-02

Abstract Plant growth promoting rhizobacteria is a kind of microorganism that can promote plant growth directly or indirectly，which not only is in favor of helping plants absorb nutrition，but also can prevent the attack of pathogenic microorganisms and help the establishment of symbiotic rhizobia and mycorrhiza. In this paper，the types，mechanism and research status of rhizosphere bacteria were reviewed，so as to provide references for the study of plant growth promoting rhizobacteria.

Key words plant growth promoting rhizobacteria；effecting mechanism；research progress

20世紀70年代末Vessey等[1]第一次使用植物根際促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）這一術語。PGPR是非致病有益的土壤根際細菌，常常位于根際土壤中或附生于根表，與根聯合出現的細菌異質群體，能直接或（或）間接提高植物生長的程度或質量，促進植物對礦質營養的吸收和利用，產生促進植物生長的代謝物，抑制有害微生物的細菌[2-5]。

1 PGPR種類

對PGPR的研究已成為國際上的活躍課題，大量研究證實了PGPR廣泛存在于多種植物[2，6]，且屬于PGPR的類群多。其中，假單胞菌屬（Pseudomonas）種群最大，最具有應用前景；還有節桿菌屬（Arthrobacter）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、固氮弧菌屬（Azoarcus）、固氮螺菌屬（Azospirillum）、固氮菌屬（Azotobacter）、伯克氏菌屬（Burkh-olderia）、克雷伯菌屬（Klebsiella）、產堿桿菌屬（Alcaligenes）、沙雷氏菌屬（Serratia）、根瘤菌屬（Rhizobium）、腸桿菌屬（Enterobacter）等[2，6-7]。據統計，PGPR由逾20個屬的根際細菌具有防病促生潛能[2]，在促進植物生長、增加作物產量，有效地用于植物病害的生物防治方面積累了大量事實[2，8]。植物根際促生菌代表了各式各樣的土壤細菌[1]，泛指可促進植物生長的微生物類群，在研究發展進程中，PGPR的內涵和外延得以豐富和擴展[9]。

2 PGPR作用機制

PGPR能夠通過不同機制，刺激根的代謝活動，提供生物固氮，對植物產生積極作用[7]。一般認為，PGPR通過定殖于植物根系，優先占領根際，促進植物生長發育，直接促進產生吲哚乙酸等，或是抑制拮抗根際的病原菌和有害根際微生物，促進植物生長發育，產生抗生素、鐵載體、誘導系統抗性、氫氰化物等[7]。

隨著分子生物技術的發展，對PGPR作用機制的研究已經取得一定進展，如PGPR的分布規律、非生物因素（如水勢、土壤類型、溫度和pH值等）的影響、與宿主植物的關系、與病原微生物的互作等[6]。雖然PGPR促進植物生長的確切機制還不完全清楚，但其普遍認可的機制如下：①能夠產生或改變植物激素[如吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（gibberellic acid，GA）、細胞分裂素（cytokinin，CTK）和乙烯（C2H2）]的濃度；②非共生氮氣固定；③產生鐵載體、抗生素、氫氰化物抵抗植物病原體；④誘導作物產生系統抗性；⑤與病原菌競爭生態位及根際營養；⑥溶解礦物磷質和其他營養素；⑦降解污染物[4，9-10]。

PGPR的作用機制并非存在于一種促生菌中，PGPR可能具備以某種機制為主的多種作用機制。兼具多種作用機制于一身的菌株是尤其寶貴的生物資源，如果能合理利用促生菌的機制，能有效促進植物生長、提高作物產量、生物防治植物病蟲害[3]。

3 PGPR應用研究

3.1 增加作物產量

20世紀50年代原蘇聯就報道了應用有益微生物促進作物增產；1972年Kerr等成功利用放射土壤桿菌（Agrobac-terium radiobacteria K84）防治土壤桿菌（Agrobacterium tume-faciens）引起的果樹冠纓病；20世紀70年代末中國農業大學研制的增產菌得到大面積應用。1997年中國科學院沈陽應用生態研究所應用海洋放線菌MB-97的PGPR，2000年應用海洋細菌BAC-9912的PGPR，使大豆、蔬菜等平均增產10.0%～18.9%，最高可達35%[8-9]。鄧振山等[11]將PGPR接種到玉米中，發現其株高、根長、莖長、莖平均直徑和干重方面均比對照組有所增加。趙 靜等[12]研究發現根際促生菌YHN可以顯著增加番茄和茄子的株高、葉面積、根部鮮重和地上部鮮重。

3.2 增強作物抗性

1988年，美國成功研究應用于生物防治的PGPR產品，所用菌株為枯草芽孢桿菌A13（Bacillus subtilis A13），研究表明，A13能有效抑制真菌病害，促進多種植物生長，使用后胡蘿卜產量提高48%，花生產量提高37%[13]。2015年，張 暉等從健康香蕉根際土中分離出耳炎假單胞菌（Pseudomonas.otitidis）。研究表明，耳炎假單胞菌對作物病原菌有很好的抑菌活性，而且對番茄和玉米有促進生長的作用[14]。

1996年巴基斯坦國家生物技術與基因工程研究利用從禾本科植物根際分離到的PGPR菌作為小麥、水稻等作物的生態菌肥，從鷹嘴豆、扁豆、綠豆、豇豆、大豆等植物根系分離的PGPR菌制作相應植物的生態菌肥，生態菌肥具有價格低廉、收效明顯、對環保友好等特點，受到人們的青睞。在番茄根部定殖PGPR生防菌熒光假單胞菌Wes417rs（Pseudomonas fluorescens Wes417rs）可以減輕土傳病菌尖鐮孢菌蘿卜專化型（Fusarium oxysporum f. raphani）引起的枯萎癥狀以及番茄細菌性葉斑病菌（Pseudomonas syringae pv. tomato）引起的葉部癥狀，提高植株的抗性[8]。

為了更好地了解根際促生菌的特性和作用機制、合理且低成本地利用根際促生菌，科研工作者做了諸多努力。如Ahmad等從Aligarh附近的不同根際土壤和植物根瘤中分離了具有多種活性的有效PGPR菌株72株，屬于固氮菌屬、假單胞菌屬、中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium）和芽孢桿菌屬，在體外篩選菌株的促生特性，如產生吲哚乙酸、氨（NH3）、氫氰化物、鐵載體、溶磷和抗真菌活性，并進一步測定其在土壤-植物系統里顯示的多種植物促生特性。

3.3 作新型生物肥料

Vessey[1]將PGPR固定氮氣、增加根際營養物質的有效性、積極影響根系生長和形態、促進其他有益植物-微生物共生體等作用方式相結合，認為PGPR作為生物肥料將會得到更廣泛運用。李艷琴等[15]通過三親交配方法，把帶有梨火疫歐文氏桿菌（Erwinia amylovora）hrp基因簇的重組粘pcpp 430接合轉移進入催娩克氏菌XZR（Klebsilla oxytoca XZR）中，構建成工程菌XZR（pcpp430）。該工程菌既能固氮又能誘導植物抗病，其成功構建為研制新型生物肥料和生物農藥提供了新途徑。2015年，趙青云等[16]將由根際促生菌枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）Y-IVI制得的生物有機肥施用在香草蘭中，發現含根際促生菌的生物有機肥，可解決香草蘭連作生物障礙的問題而且提高了其收益。

3.4 促進作物生長

Cook[17]鑒于商用植物根際促生菌（PGPR）菌株單一物或混合物的不一致表現，以及注冊審批病害防治和作物轉化表達抑制病害或其他促生特性的專有菌株的高成本，認為在種植系統中管理原著植物根際促生菌，仍然是農業上使用有利根際微生物的最實際有效和負擔得起的策略。但是，當接種根瘤菌屬時，部分PGPR有潛力增加豆科植物結瘤。Remans等[18]的研究發現，特定PGPR突變菌株的吲哚-3-乙酸（IAA）和1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶活性在宿主結瘤中起著重要作用，特別是在低磷條件下。Figueiredo 等[19]用根瘤菌屬、PGPR處理菜豆（Phaseolus vulgaris cv. Ten-derlake）時發現，植物激素的活性依賴于熱帶根瘤菌（Rhizo-bium tropici，CIAT 899標準菌株）、類芽孢桿菌屬（Paenibaci-llus）、芽孢桿菌65E180（Bacillus sp. 65E180）（PGPR）菌株的含量和相互作用，類芽孢桿菌屬、芽孢桿菌屬（PGPR）菌株影響著普通菜豆的細胞分裂素含量。

研究發現，將PGPR引入農業生態系統或不同種植制度中能積極影響植物生長發育[20-21]。植物根際促生菌通過各種直接或間接機制（如產生植物生長調節劑、產生代謝產物抑制有害生物、增強礦質營養可用性和吸收）影響著植物生長發育，具有植物促生作用，可提高森林樹種適應能力的潛在性，同時可誘導抵抗病原體和害蟲[4-5，20，22]。Barriuso等[20]研究表明，在持續高蚜蟲壓力的地方種植燈籠椒時，可接種芽孢桿菌型PGPR防治桃蚜。Paul等[22]認為，PGPR為了維持這些有益屬性，在各種復雜的代謝機制中必須保持高滲透壓。

3.5 修復重金屬污染

利用根際促生菌提高植物的抗重金屬性以及利用其修復重金屬污染土壤，成為現今研究的熱點之一。李交昆等[23]認為，根際促生菌可以通過生物吸附、甲基化作用、氧化還原作用、生物淋濾等機制減緩重金屬的毒害作用，并且通過分泌鐵載體、有機酸、生物表面活性劑、胞外多聚物、植物生長激素等，直接或間接地強化植物修復土壤重金屬污染。

4 結語

植物根際促生菌一方面可促進植物生長及其對礦質營養的吸收和利用，另一方面能抑制有害生物，從而促進植物更健康地生長發育，使人類經濟效益最大化。根際微生物的生存環境非常復雜，目前尚未完全闡明其作用機理。Castro-sowinski發現[21]，與高水平引入的外源活躍PGPR相比，根際促生菌群落受植物、基因、環境壓力和農業措施的影響更大。而Strigul等[24]認為，當引入有益微生物到植物根際時的重要問題之一是植物根際促生菌不生存或不履行特定功能，其研究結果表明，引入群落和原著微生物對限制資源的競爭能力，是決定PGPR生存的最重要因素。當原著微生物的發展受到抑制時，最有效的PGPR接種劑預期存在于有機物和礦物貧瘠的土壤或脅迫土壤中。影響PGPR生存的另一個重要因素是宿主植物根系分泌物，以及PGPR利用這些化合物的能力。另外，不同植物品種對PGPR的響應存在差異。Remans等[25]研究發現，接種巴西固氮螺菌Sp245變異菌株后的菜豆品種，強烈減少生物素合成或額外增加植物生長基質的外源生長素濃度；缺磷引起了菜豆品種之間對根瘤菌屬接種劑的不同反應。因此，大力開展植物根際促生菌株資源調查及特性研究，探究其與植物的交互作用，篩選和培育高效優良PGPR菌株等工作成為PGPR研究的重點，PGPR的深入研究將為今后實現PGPR產業化應用提供有力的理論依據。

5 參考文獻

[1] VESSEY J K.Plant growth promoting rhizobacteria as biofertilizers[J].Plant and Soil，2003，255（2）：571-586.

[2] 陳曉斌，張炳欣.植物根圍促生菌（PGPR）作用機制的研究進展[J].微生物學雜志，2000，20（1）：38-41.

[3] 夏娟娟.植物促生內生細菌的篩選及其強化油菜富集土壤鉛鎘重金屬的研究[D].南京：南京農業大學，2006.

[4] AHMAD F，AHMAD I，KHAN M S.Screening of free-living rhizospheric bacteria for their multiple plant growth promoting activities[J].Microbiol-ogical Research，2008，163（2）：173-181.

[5] BARRIUSO J，SOLANO B R，SANTAMARIA C，et al.Effect of inoculation with putative plant growth-promoting rhizobacteria isolated from Pinus spp. on Pinus pinea growth，mycorrhization and rhizosphere microbial communities[J].Journal of Applied Microbiology，2008，105（5）：1298-1309.

[6] 夏鐵騎.植物根際促生菌及其應用研究[J].濟源職業技術學院學報，2008，7（3）：7-11.

[7] COCKING E C.Endophytic colonization of plant roots by nitrogen-fixing bacteria[J].Plant and Soil，2003，252（1）：169-175.

[8] 胡江春，薛德林，馬成新，等.植物根際促生菌（PGPR）的研究與應用前景[J].應用生態學報，2004，15（10）：1963-1966.

[9] 張曉波.草地早熟禾根際促生菌（PGPR）特性及根際微生物區系研究[D].北京：北京林業大學，2008.

[10] 龍偉文，王平，馮新梅，等.PGPR與AMF相互關系的研究進展[J].應用生態學報，2000，11（2）：311-314.

[11] 鄧振山，黨軍龍，張海州，等.植物根際促生菌的篩選及其對玉米的促生效應[J].微生物學通報，2012，39（7）：980-988.

[12] 趙靜，夏海波，李艷青，等.根際促生菌YHN對番茄和茄子的促生作用研究[J].北方園藝，2014（4）：30-32.

[13] 范延輝.根際促生菌及其在防治連作障礙中的應用[J].天津職業院校聯合學報，2008，10（2）：33-35.

[14] 張暉，宋圓圓，呂順，等.香蕉根際促生菌的抑菌活性及對作物生長的促進作用[J].華南農業大學學報，2015，36（3）：65-70.

[15] 李艷琴，趙春貴.能產生植物抗誘導蛋白harpin的自生固氮工程菌的構建[J].高技術通訊，2000，10（7）：20-23.

[16] 趙青云，趙秋芳，王輝，等.根際促生菌Bacillus subtilis Y-IVI在香草蘭上的應用效果研究[J].植物營養與肥料學報，2015，21（2）：535-540.

[17] COOK R J.Management of resident plant growth-promoting rhizobacteria with the cropping system：a review of experience in the US Pacific Northwest[J].European Journal of Plant Pathology，2007，119（3）：255-264.

[18] REMANS R，CROONENBORGHS A，GUTIERREZ R T，et al.Effects of plant growth-promoting rhizobacteria on nodulation of Phaseolus vulgaris L. are dependent on plant P nutrition[J].European Journal of Plant Pathology，2007，119（3）：341-351.

[19] FIGUEIREDO M V B，MARTINEZ C R，BURITY H A，et al.Plant growth-promoting rhizobacteria for improving nodulation and nitrogen fixation in the common bean（Phaseolus vulgaris L.）[J].World Journal of Microbiology & Biotechnology，2008，24（7）：1187-1193.

[20] BARRIUSO J，SOLANO B R，FRAY R G，et al.Transgenic tomato plants alter quorum sensing in plant growth-promoting rhizobacteria[J].Plant Biotechnology Journal，2008，6（5）：442-452.

[21] CASTRO-SOWINSKI S，HERSCHKOVITZ Y，OKON Y，et al.Effects of inoculation with plant growth-promoting rhizobacteria on resident rhizo-sphere microorganisms[J].Fems Microbiology Letters，2007，276（1）：1-11.

[22] PAUL D，NAIR S.Stress adaptations in a plant growth promoting rhizob-acterium（PGPR） with increasing salinity in the coastal agricultural soils[J].Journal of Basic Microbiology，2008，48（5）：378-384.

[23] 李交昆，余黃，曾偉民，等.根際促生菌強化植物修復重金屬污染土壤的研究進展[J].生命科學，2017，29（5）：434-442.

[24] STRIGUL N S，KRAVCHENKO L V.Mathematical modeling of PGPR inoculation into the rhizosphere[J].Environmental Modelling & Software，2006，21（8）：1158-1171.

[25] REMANS R，BEEBE S，BLAIR M，et al.Physiological and genetic analysis of root responsiveness to auxin-producing plant growth-promoting bac-teria in common bean（Phaseolus vulgaris L.）[J].Plant and Soil，2008， 302（1/2）：149-161.