根際促生細菌提高植物抗重金屬能力的研究進展

彭云霄

（四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065）

全球工業化的持續發展，已經引起了廣泛的環境和人類健康問題。重金屬污染由于具有高度致畸致癌的風險，并且能夠通過糧食作物進入食物鏈逐級累積，已經威脅人類健康[1]。重金屬污染土壤修復的幾種方式中，植物修復因其具有對環境友好、技術成本低的優勢而獲得了廣泛的關注[2]。目前已經發現許多種植物具有重金屬富集和耐受的能力，然而在實際應用過程中植物修復又存在著許多限制條件。為了解決植物修復過程中面臨的問題，探索更高效的修復方式，重金屬耐受植物與微生物之間的相互作用逐漸被重視。

根際微生物是一類在植物根際內生或存在于根際周圍土壤中的微生物群體。研究表明，部分根際微生物和植物內生菌對提高植物與重金屬的抗性具有顯著的作用[3]。已經系統研究的植物-微生物關系僅僅局限在小部分微生物及其宿主植物中，在龐大的微生物群體中，植物有益的新型微生物的探索仍然具有很大的潛力。本文重點描述了在重金屬脅迫條件下，相關促生細菌提高植物的生物量，影響植物對重金屬的積累或穩定，通過提高植物適應能力、金屬活化/鈍化等方式使植物更好的發揮修復能力。

1 重金屬污染土壤修復過程中植物根際促生細菌的協同作用及機制

在重金屬脅迫條件下，微生物可以通過多種作用機制促進植物的生長，例如固氮作用、磷酸鹽溶解、產生鐵載體、分泌1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶或植物激素等等。有些細菌并沒有直接作用于植物，但是它們通過改變土壤條件（土壤有機質含量、溫度、pH、污染水平等）間接的影響植物的修復效果[4]。

1.1 根際細菌（Rhizobacteria）

在重金屬污染農田中，根際既是作物養分輸送的重要界面，也是重金屬元素通過作物吸收-轉運-累積-進入食物鏈的主要渠道。在參與植物與重金屬污染土壤相互作用的根際微生物群體中，植物促生根際細菌（PGPR） 扮演著特殊的角色。通常情況下，PGPB是從大的土壤環境中遷移至植物的根際，侵染植物的根際或定植于植物根周的土壤中，形成了豐富的植物共生微生物群體，普遍認為PGPB可以促進植物的生長。常見的PGPR有根瘤菌（即無色桿菌）、節桿菌、偶氮桿菌、偶氮螺菌、芽孢桿菌、腸桿菌，假單胞菌和沙雷氏菌[5]。重金屬可以抑制植物激素的產生，而有些PGPR可以產生各種植物激素（IAA、GA、ABA、CTK），這些植物激素通過濃度調節的方式直接或間接地與其他細菌或其他細菌的次級代謝產物共同作用，促進植物的生長[6，7]。有些PGPR產生一些有機酸、生物表面活性劑、氮氧化物、抗生素等抑制其它有害生物/微生物的生長，促進植物對營養物質的吸收，提高植物的固氮，增強植物對脅迫環境的耐受力[8]。重金屬脅迫誘導植物產生大量的應激乙烯，過量的乙烯會抑制植物根生長，從而間接減少植物對重金屬的吸收。植物分泌的ACC是乙烯合成的前體，PGPR可以產生ACC脫氨酶，將ACC水解成 α-酮丁酸 （α-Ketobutyrate） 和氨 （可被PGPR利用為氮源），抑制乙烯合成，減輕了脅迫對植物生長的抑制作用[9]。還有一些具有重金屬抗性的微生物可以通過釋放鐵載體、酸化土壤環境、改變氧化還原電位等方式降低土壤中重金屬的生物可利用度，從而使得生長在其中的植物免受其害[10]。

宿主特異性對根際細菌的群類分布有顯著的影響，而且根際細菌群落組成和多樣性往往隨地區不同而產生很大的變化。在對毛竹的研究中發現，芽胞桿菌屬（Bacillus）是主要的根際細菌類群[11]；對圣羅勒、毛喉蕊花、長春花和蘆薈的初步研究表明，固氮螺菌屬（Azospirillum）、固氮菌屬 （Azotobacter） 和假單胞桿菌屬（Pseudomonas）是根際中最常見的種類。而對不同地區蘆薈的研究表明芽胞桿菌屬（Bacillus）才是其根際的主導菌群[12]。此外，非生物因素如土壤結構、降水量等也對微生物與植物的互作關系有較大的影響。因此，為了改善金屬毒性，促進植物健康生長，需要開展更加廣泛的研究工作，探索微生物的多樣性、分布，揭示各類微生物在原生環境土壤和異地土壤環境中作用的差異和習性變化。

將從重金屬污染土壤中分離得到的Cr抗性菌株Pseudomonas sp.PsA4和Bacillus sp.Ba32施用到芥菜中，結果表明，接種了PsA4和Ba32都可以增加芥菜在95.3 mg/g和198.3 mg/g Cr6+土壤中的生物量[13]。Vivas等測試了從Zn污染的土地中分離出的Brevibacillus屬菌株，結果表明，B-I顯著地增強了植物生長和氮磷的積累，抑制了Zn的吸收[14]。Rajkumar等從土壤中分離出根際微生物，經過鎳、鋅抗性篩選，選出了重金屬抗性菌株 Pseudomonas sp.和 Pseudomonas jesseni，將它們接種給蓖麻，發現它們顯著地增加了蓖麻的生物量，并且增加了Zn、Ni、Cu的積累量[15]。Ma等從 Alyssumserpyllifolium和 Phleum phleoides的根際中分離出5個Ni抗性PGPR菌株，發現SRA2增加了油菜和芥菜的鮮重（351%） 和干重（285%），而 SRA1和SRA10菌株則顯著增加了植物地上和地下部分Ni的積累量[16]。這些研究都表明了PGPR在植物吸收重金屬方面多種多樣的效果，合理地利用抑制作用可以提高輕度污染土壤中經濟作物的生長，降低風險；有效地利用促進作用和耐受性則可以優化富集植物對中/重度污染場地的修復效果，縮短修復周期。同時，開發PGPR在土壤改良方面的能力，可以在凈化污染土壤的同時改善土壤品質，進一步優化重金屬污染土壤生物修復的實施方案。換言之，今后的研究應更著重于精準的特異性和高效的適用性。

1.2 內生細菌（Endophytic bacteria）

寄生在植物內部組織而不會引起癥狀性感染或對其宿主產生負面影響的細菌被成為內生細菌，它們通常存在于細胞胞漿中。雖然它們存在的時間以及存在的狀態變幻不定，但是它們往往能夠觸發植物的生理變化，促進植物的生長和抗逆[17]。在某些情況下，內生菌對植物的促生作用比根周細菌更為顯著，而且在脅迫條件下內生菌的促生效應會被增強。目前已經從許多植物中分離出了多種內生菌，這些內生菌通過提高水分/養分吸收、產生生長調節劑、對抗病原菌生長等方式促進植物的生長[18]。實驗還發現接種內生菌后，植物細胞滲透物的積累增加，氣孔和滲透的調節能力增強，膜電位降低，細胞膜中磷脂的含量也發生變化，這些都是有利于植物生長的生理變化[19]。目前對于內生菌與植物相互作用的機制已經有部分研究，一些關鍵內生菌的全基因組測序已經完成，關于內生菌的定植和關系建立的調控基因已經可以確定[18]。然而關于內生菌轉錄組學和蛋白質組學的研究相對較少，利用成熟的組學技術可以更好的揭示內生菌與植物之間關系的建立。因為內生細菌有很大的物種多樣性，常隨宿主的不同而變化，充分了解菌-植關系的確立，有助于更好的利用具有促生優勢和重金屬耐受性的內生菌。

通過16S rDNA序列分析、BOX-PCR染色體組DNA概要分析以及生理特性鑒定（包括底物利用率、抗生素和重金屬敏感性），可以確定內生菌在不同植物組織中的分類地位。從具有銅抗性的植物海州香薷和鴨跖草中分離得到的銅抗性內生菌株屬于3個系統族群:厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門 （Actinobacteria）、變形菌門（Proteobacteria），這些是銅抗性菌株中的主要類群[20]。內生菌的多樣性也與土壤條件和植物激素有關,并且內生菌還會經常與土壤根際微生物進行物質和個體間的交換。Long等在對煙草（Nicotiana attenuata）根系的研究中發現，土壤組分和植物體內乙烯的變化對植物內生菌的組成有至關重要的作用[21]。根據已經發現的PGPR作用機制和PGPE的影響因素看出，探索PGPR和PGPE的聯合使用也是優化生物修復方式的有效手段。

研究發現在特定的培養基中,PGPB也可以產生一些植物激素，但是,它們能否在植物體內共生狀態的條件下產生植物激素還有待研究。關于PGPB的研究仍然具有廣闊的前景，這項技術在可持續農業發展和能源植物的生產上也有重要的作用。由于其顯著的效果、低廉的成本和廣泛的適用性，植物促生菌可能成為未來非常有前途的土壤生物調控劑。

2 總結展望

利用有益菌可以改變金屬的生物利用度，大規模地改善重金屬污染物的植物修復效果。闡明土壤微生物，尤其是根際促生菌和內生菌與植物之間的關系，對于更好的發展植物修復技術，優化重金屬的遷移/吸收/累積效率，加速污染土壤的修復過程具有深遠的意義。基于目前的研究結果，開展植物根際促生菌方面的研究將為重金屬污染土壤修復研究領域拓展一個新的發展方向，更好地揭示微生物和植物抗脅迫的機制，具有十分重要的科研意義和現實意義。