有益微生物菌肥對農作物的作用機制研究進展

武杞蔓 張金梅 李玥瑩 張穎

（沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034）

隨著人們生活品質的不斷提高，特別是人們對優質食品需求的不斷提高，對人體安全、沒有危害、品質上乘的有機農產品及綠色食品日益受到青睞。綠色食品生產中使用的肥料首先要能夠促進植物生長和提高果實品質；其次肥料中的有害成分在植物中沒有殘留，最重要的肥料施用不能對生態環境造成不良影響，微生物菌肥滿足以上3個條件。近年來，我國已經利用微生物制成了多種功能的生物肥，不僅能夠改善果實品質、增加農產品的產量，還能減少環境污染，為有機農業的發展提供更多可能。

微生物肥料作為一種新型生物肥料，是通過具有活性的微生物生命活動來使作物獲得生長發育所需要的營養［1］，通過在植物根際產生生長素、嗜鐵素等生物物質，進而影響植物某方面的信號通路，達到促進生長、提高抗性的目的。微生物菌肥和普通生物肥相比，可以作用于多種作物，不必局限于一種作物。除此之外，微生物菌肥對土壤的要求并不高，一般來講，作物能夠生長的土地都可以施用微生物菌肥，平衡土壤的酸堿度，改善土壤的理化性質，進而促進作物生長；增加土壤中有益微生物的數量及活性，增加土壤中的有機質，阻止病原菌入侵，從而增強作物本身的抵抗病害的能力。

本文就微生物菌肥促進作物生長、提高果實品質、增強抗性以及改善土壤理化性質及微生物與植物相互作用的分子機制等方面進行了綜述；應用微生物菌肥可以解決農藥與化學肥料施用帶來的一系列土壤有機質含量下降和生態環境污染問題，促進有機農業的發展，進而提高農民收入，發展農村經濟，有極大的發展潛力。

1 微生物菌肥改善土壤理化性質的作用機制

微生物菌肥能活化有機質。土壤中含有豐富的有機質、腐殖質等營養物質，這些物質只有通過微生物的代謝作用或分解作用才能夠被植物所利用，才能給植物提供生長所需的營養。菌肥中的微生物可以與植物形成共生體系，通過代謝活動直接提供給植物可以利用的營養物質，還可以幫助改善土壤某些物理特性、加強土壤還原力，提供給植物有益的生存環境，刺激土壤中有機質釋放營養，改善植物根際土壤的理化性質，達到促進植物生長發育、提高產量的作用。

微生物菌肥能提高土壤酶活力。在農田人工生態系統中，微生物家族在其中占有重要地位，微生物通過自身的生命活動影響植物的代謝過程，在分子水平上微生物與植物之間如何相互作用一直以來都是科學家們研究的重點，土壤中的酶活性與植物的生命活動息息相關。邱吟霜等［2］的研究表明施用有機肥可以增加土壤蓄水能力，改善土壤通透性，降低土壤密度，增加土壤所含養分，提高土壤生產力。而施用微生物菌肥，顯著增加了土壤中微生物的數量，提高了土壤中脲酶和糖酶的活性，保證了微生物群落及農田生態系統的平衡，有利于形成穩定的菌群結構［3］。

微生物菌肥能提高土壤肥力。微生物菌肥中的功能微生物會產生一些糖類等次生代謝產物，然后與植物分泌的某些粘性物質有機結合在一起形成團聚體，這樣可以增加土壤黏性、減少土壤有機質的損失，增加土壤保水保肥的能力，有利于提升土壤肥力。

微生物菌肥能夠改善土壤質量問題。現代農業中一些農田大量使用化學肥料，致使土壤條件變得惡劣、土壤有機質含量下降、土壤中某些元素含量嚴重超標，進而導致土壤中的微生物數量急劇下降，分解有機物的能力下降，土壤肥力不足，最終不能為作物提供需要的養分，影響植物的生長發育。施用微生物菌肥可以有效改善以上情況，微生物菌肥中含有豐富的有益微生物，這些小生物活動能力和適應環境的能力都很強，澆灌到土壤中，還會產生能夠使土壤松散的代謝產物，提高土壤透氣度，解決土壤板結的問題，提高土壤的肥沃程度。不僅如此，這些微生物聚集在植物根系，還能提高植物對病害的抵抗能力，減少患病率。有研究表明微生物代謝產生的有機酸能夠使土壤脫鹽脫堿，降低鹽堿地中的有害離子，提高土壤養分的有效性［4］。黏性比較強的土地，雖然有機質含量豐富，但是植物利用起來卻很困難，施用微生物菌肥可以通過增加黏土之間的空間間隙，提高土壤通透性，有效改善這一問題［5］。

從分子的角度來分析，一些固氮菌、溶磷菌及解鉀菌中的相關基因在改善植物營養方面發揮著直接作用。研究發現在高磷條件下，從具有溶磷效果的假單胞菌wj1中克隆得到的gdh基因表達量最高［6］；pqq基因密切調控與溶磷作用有關的葡萄糖酸的產生［7］；fdxN 基因編碼高效共生固氮所需的鐵氧還蛋白，在固氮過程中發揮重要作用，nifQ 基因與nifB、nifE、nifN 在合成固氮酶的鐵鉬輔因子中起關鍵作用［8］。總之，這些微生物之所以能夠發揮溶磷和固氮的作用，是因為溶磷和固氮作用的相關基因通過調控生成了蛋白及其他物質，進而達到溶磷和固氮的作用，這些生成的蛋白及其他物質對植物的生長發育至關重要。

2 微生物菌肥促進作物生長的作用機制

微生物菌肥中富含各種微生物，這些微生物可以改善植物根際土壤性質，增加土壤有機質含量，增加根際有益微生物數量，從而達到促進植物生長、增加植物對不良環境的抗性、提高植物對病害的抗性、改善果實品質的功效。

2.1 微生物菌肥的促生作用

研究發現，微生物菌肥對黃瓜、大豆、番茄、辣椒等植物的產量、結果率、根系狀態等各個方面都有較明顯的促進作用。Selvakumar等［9］研究發現用毛狀野豌豆和堆肥處理紅辣椒，比用化學肥料處理更能促進紅辣椒植物的生長；劉燕等［10］研究發現施用帶有枯草芽孢桿菌的肥料能夠促進黃瓜生長，增加黃瓜單株結果數和單果重，大幅度提升黃瓜產量；王書娟等［11］研究發現施用微生物菌肥處理的番茄果實較大，皮色深紅，果皮較薄，汁液較多，生長勢強、抗病性好；黃玉波等［12］采用復合微生物菌肥對大豆進行處理，結果表明根系的根條數以及根瘤數明顯提高。由此可見，施用微生物菌肥能夠促進農作物的生長，增加果實的產量，改善果實的風味，這對有機農業的發展有很大的促進作用。

近年來，隨著農業的發展和飲食水平的提升，人們對水果蔬菜的質量提出了更高的要求，更加注重食品的安全和風味，尤其喜歡無污染、口感佳、品質上乘的有機食品。微生物菌肥可以從維生素含量、可溶性糖、可溶性蛋白、有機酸、硝酸鹽等方面來改善果實品質，提升水果的口感，使果實達到綠色食品的標準。維生素含量、可溶性糖含量、有機酸和可溶性蛋白質含量都是評測果實品質的指標，其含量越高，說明果實品質越好；硝酸鹽特別是亞硝酸鹽對人體健康有極大危害，其含量越高，說明果實品質越差。

研究表明，隨著微生物菌肥施用量逐步的增加，維生素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白質含量3種指標總體呈上升趨勢，硝酸鹽含量呈逐漸下降趨勢［13］。這說明施用微生物菌肥對提高黃瓜品質具有重要作用。余小蘭等［14］的研究表明施用巨大芽孢桿菌，可提高小白菜產量，降低硝酸鹽含量，改善小白菜品質。此外，微生物菌肥還可以顯著促進白菜的生長發育，提高白菜的單株鮮重和葉綠素含量，降低白菜的硝酸鹽含量，提高可溶性糖含量和維生素含量，同時增強土壤中酶的活性［15］。因此，施用微生物菌肥可以降低農作物中硝酸鹽含量，提高可溶性糖和可溶性蛋白含量，改善農作物品質，這可能是通過提高土壤中酶的活性來實現的，需要更進一步的研究探索。

2.2 微生物菌肥促進植物生長的機制

植物生長發育所需要的水分和營養物質從植物根際吸收，然后運輸到植物的各個組織。植物根 際 促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR），是生活在植物根際能夠刺激植物生長同時還能抑制病原菌生存的細菌，在植物的生長過程中發揮重要作用［16］。微生物菌肥中起主要作用的就是這些根際促生菌PGPR，它們生存在植物根系或根際土壤，具有固定氮元素、溶解磷元素、分泌抗生素與植物激素等物質的作用。

PGPR參與促進植物生長發育的各種機制。科學家們篩選了對擬南芥早期生長有效的PGPR得到了一種枯草芽孢桿菌L1（BsL1），發現BsL1通過促進硝酸鹽的同化和利用，促進植物生長和各種代謝物質的產生，從而使植物在正常條件下生長的更好，在擬南芥、小麥和生菜上有明顯的促生效果［17］。除了對這些植物具有促生效果，PGPR菌肥對貓尾草和小黑麥也具有明顯的促生長的作用［18］。對PGPR菌株枯草芽孢桿菌EA-CB0575中植物生長促進機制相關的基因進行注釋和分析后發現這些基因與乙酰乙酸、2，3-丁二醇和LPs的產生，固氮，磷酸鹽增溶及對植物病原體的拮抗活性有關［19］。因此，PGPR能夠通過調控基因，產生乙酰乙酸、2，3-丁二醇等物質，實現對擬南芥、小麥和生菜等農作物的促生作用。

在PGPR促進植物生長的諸多機制中，生長素的產生是一個重要的機制［20］。研究表明，PGPR能夠通過色氨酸代謝產生內源性生長素IAA，產生的IAA被植物吸收，誘導細胞分裂和細胞伸長，進而影響根的形態和發育，增加根的表面積、體積和長度，讓植物更容易獲得土壤中的養分［21］。因此，PGPR通過養分吸收間接促進植物生長，同時改變根系功能，改善植物營養，從而影響整株植物的生理功能［22-23］。另一方面，ACC脫氨酶的活性可以通過IAA進行調節，IAA刺激植物體內ACC合成酶的生物合成，從而導致ACC表達增加［24-25］，ACC脫氨酶通過降低植物內乙烯水平，來促進植物生長［26］。PGPR對農作物促生長的作用具體詳見表1。

表1 PGPR對農作物促生長的作用Table 1 Effect of PGPR on the growth of crops

3 微生物菌肥提高植物抗性

南京農業大學生物農藥及綠色植保實驗室研發出新型微生物復合肥料“寧盾”中富含多種芽孢桿菌，主要起作用的是枯草芽孢桿菌，這些細菌在植物根際土壤或植物體內大量繁殖，通過和病原菌競爭營養、誘導植物防御機制、分泌抗菌物質3種方式來抵御病原菌入侵，進而保護植物免受病害侵襲并促進植物生長［16］。

3.1 微生物菌肥提高植物抗逆性與抗病性的作用機制

微生物菌肥除了能夠促進植物生長發育、增加作物產量，還能提高植物對不良環境的適應能力，對番茄青枯病、草莓枯萎病、大豆根腐病也具有防治效果。植物在生長發育過程中常常因為生長環境惡劣，而導致植株生長緩慢、植株矮小、營養不良等問題，在這種環境下生長的作物容易出現減產的現象。

連作土地由于連續種植，容易積累大量的有毒有害物質。作物在連作土壤的環境下生長，容易導致抗病能力下降、生長遲緩、產量低等問題，作物為了能在這種環境下很好的生存，逐漸形成了多種次生代謝途徑，并產生相應的次生代謝產物來抵御逆境［34］。過氧化物酶（peroxidase，POD）、兒茶酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和苯丙氨酸解氨酶（phenylalanineammo-nialyase，PAL）都能夠在植物抗逆反應中發揮作用，PPO能夠減緩兩種植物間相互排斥或抑制的作用［35］，PAL是苯丙烷類次生代謝途徑的限速酶和關鍵酶［36］。謝東鋒等［37］的研究表明，微生物菌肥能促進連作土地黃瓜植株的生長，激活黃瓜相關抗性反應，提升黃瓜體內POD、PAL等防御性酶活性，從而增強黃瓜自身抗性。周游等［38］的研究也發現了枯草芽孢桿菌能提高芹菜中過氧化氫酶（cata-lase，CAT）和過氧化物酶等防御酶活性。說明微生物菌肥可以通過激活植物體內的防御酶活性來提高植物的抗逆性。

根腐病是一種由腐霉、疫霉等多種真菌侵染植物而引起的病害，這種病會導致植物根部腐爛，進而導致作物死亡。在大豆的種植過程中，很容易發生根腐病等病害，這些病害嚴重影響著大豆產量。有研究表明木霉菌、芽孢桿菌、假單胞桿菌等微生物對大豆根腐病具有明顯的防治效果［39］。施加相應的微生物菌肥，可以有利于增強大豆對病害的抗性。生物防治是最有效，最持久的防治大豆根腐病的方法［40］。有研究發現枯草芽孢桿菌8-32對大豆根腐病具有良好的防治效果［41］。以枯草芽孢桿菌為主要成分的生物拌種劑，能夠大大提升對大豆根腐病的防治率［42］。也就是說，微生物菌肥中的有效菌對大豆根霉病具有良好的防治效果，因此，微生物菌肥在有機農業上具有很廣闊的應用前景。

草莓是世界上最受喜愛、最經濟美味的水果之一。然而，在同一塊地上連續種植多年，草莓的產量會受到嚴重影響，由脆弱型鐮刀菌引起的鐮刀菌枯萎病嚴重威脅著世界各地的草莓生產。Chen等［43］的實驗研究表明富含多種芽孢桿菌的生物有機肥顯著提高了SOD、PPO、POD和CAT等根際酶的活性，顯著增加了根際有益微生物含量，對草莓枯萎病的防治效果顯著，通過盆栽試驗，可以使草莓無病害產量達到80%。

灰霉病和青枯病是影響番茄產量的兩大病害。灰霉病是一種真菌性疾病，發病時果實表面先生有灰霉，后導致果實腐爛。青枯病是田間常見的細菌性病害之一，發病時會導致植物莖葉青枯，影響作物產量。芽孢桿菌菌株SG08-09和SG09-12屬于根際促生細菌群PGPR，在溫室條件下對番茄灰霉病菌表現出拮抗作用，有可能成為抵抗灰霉病的有價值的生物防治劑［44］。研究發現芽孢桿菌菌株SG08-09能夠防治灰霉病是因為菌株激活了植物發病機理相關基因PR蛋白基因Chi3（酸性的幾丁質酶3）和PR2a（酸性β-1，3-葡聚糖酶）的表達，這些基因參與生產幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶，而這兩種酶通常應用于抑制真菌的生長。此外，研究表明接種了解淀粉芽孢桿菌IUMC7的蘑菇堆肥顯著降低了番茄植株的青枯病嚴重程度，這是因為蘑菇堆肥中含有的淀粉樣蛋白具有抑制病害的作用［45］。因此，微生物菌肥通過芽孢桿菌等有效菌種的生物活動對番茄灰霉病和青枯病達到良好的防治效果。

綜上所述，微生物菌肥可以有效的防治番茄灰霉病和番茄青枯病，主要是通過微生物菌肥中PGPR細菌處理植株，產生了能夠抑制真菌的蛋白或者激活了植株中與抑制真菌有關基因的表達，從而達到抑制病害的作用。

3.2 微生物菌肥增強作物抗性的機制

有的PGPR可以產生增加植物抗性的物質，如生長素、鐵載體和嗜鐵素等。生長素、嗜鐵素的產生對抑制有害病原微生物的滋長、防治植物疾病等方面都發揮著重要的作用，而鐵載體可通過與植物根際病原菌競爭鐵營養，從而達到抑制病原微生物生長繁殖的目的［46］。

在防御機制中，IAA幾乎參與了植物生長發育的所有階段，細菌IAA使植物細胞壁松弛，導致根滲出量增加，從而提供額外的營養來支持根際細菌的生長［47-48］。有研究表明，PGPR產生生長素能夠激活生物合成信號通路［20］。植物激素作為信號分子，主要參與細菌-植物信號傳導和生長素信號傳導［49］。通過誘導分泌相關蛋白或誘導相關基因的表達，從而影響酶的活性，進而達到促進植物生長和防治病害的目的。有研究表明，植物根際有益微生物假單胞桿菌通過產生一種嗜鐵素（假單胞菌素358），在根際掠奪其他有害或病原根際微生物生長所必需的鐵元素，從而使病原菌活性降低，生長減慢來達到抑制病原菌的作用［50］。

研究發現通過質粒拯救技術篩選出7株對3種病原細菌抑制效果明顯下降的綠針假單胞菌YL-1突變體，經過對突變體插入位點基因序列的測序和生物信息學分析發現，其中6個突變位點是嗜鐵素合成基因簇，說明嗜鐵素對病原菌的抑制有顯著作用［51］。從解淀粉芽孢桿菌B1619菌株的基因組DNA 中克隆的脂肽類抗生素合成基因sfp、ituA和fenB，能夠抑制番茄枯萎病菌的生長［52］。除此之外，在鐵載體產生菌E1中克隆的cysI 基因可能與鐵載體合成途徑中關鍵蛋白酰基硫載體蛋白acyl -S-PCPs的形成有關［53］。短小芽孢桿菌抑菌相關基因Tasa具有廣譜抑菌活性，能夠競爭性抑制許多植物病原細菌的生長，表面活性素合成酶基因Surf2的合成產物是一種重要的非核糖體途徑合成的脂肽類抗生素，在芽胞桿菌的生防機制中占有重要地位。從枯草芽孢桿菌中克隆得到的ituD基因與殺菌劑伊枯草菌素 IturinA的合成密切相關。因此，微生物菌肥之所以能夠達到抑制病原菌生長的效果，是因為其中的芽孢桿菌、假單胞菌等PGPR菌株能夠產生嗜鐵素、抗生素等具有抑菌作用的物質，而這些物質都是受抑菌相關基因進行調控的。也就是說，這些菌株通過調控酶合成基因、抗生素合成基因，進而調控下游的抑菌關鍵酶與關鍵蛋白，刺激生成相關的酶、蛋白及抗生素等其他物質，最終達到抑菌的作用。PGPR提高農作物抗性的具體表現詳見表2。

4 結語

微生物菌肥對植物的生長發育、抗逆性、抗病性和土壤理化性質等方面都具有積極的影響。目前來看，全球范圍內大部分國家已經開始生產和推廣使用微生物菌肥，我國也已經有很多企業看中了有益微生物菌肥的商業價值，陸續開始投入生產。這說明微生物菌肥已經開始在農業生產中發揮作用，并且為企業發展帶來了一定的經濟效益。

表2 PGPR提高農作物的抗性Table 2 PGPR can improve the resistance of crops

微生物菌肥中的有效微生物多為根際促生菌（PGPR）。PGPR通過色氨酸代謝產生內源性生長素、對硝酸鹽的同化與利用、調節ACC脫氨酶活性來促進植物生長；另一方面，PGPR通過激活植物發病機理相關基因表達、產生嗜鐵素等增加植物抗性的物質、產生生長素激活生物合成信號通路來提高植物抗性。研究微生物與植物互作機制可以根據需求，定向的改變植物的信號通路，提高作物產量，改善果實品質，提高作物抗性，發展農業經濟，推動農業發展。因此微生物菌肥在未來的可持續農業生產中將占有重要地位。

微生物菌肥的使用，有效推動了有機農業的發展。有機農業是一種健康可持續的農業發展方式，在自然條件下，生產安全可靠、健康美味的產品，為人們提供放心滿意的食品［61］。微生物菌肥是一類對環境友好的新型肥料，不僅不會對環境造成污染，而且還能夠提高果實品質，增強土壤理化性質，減緩輪作對土壤的影響，應用到有機農業中可有效促進我國有機農業的整體發展。