根際促生菌對植物生長的調控作用研究進展

薄永琳 葛淼淼 侯冰 朱明君 劉宸 任麗英*

［1. 臨沂大學資源環境學院 山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276000；2. 浙江大學山東（臨沂）現代農業研究院，山東 臨沂 276000］

1 引言

隨著社會的進步與發展，世界人口的不斷增加，人類對糧食作物的需求不斷提高，而化肥的濫用導致耕地的肥力下降，糧食減產，乃至品質降低。因此，世界上許多國家開始致力于微生物肥料的研究，而對植物根際促生菌的研究隨之成為研究熱點，生物肥料也在農業生產中作為化肥的適當替代品而被廣泛應用［1］，其不僅能夠減少化肥的使用和對耕地的破壞，而且對土壤環境的保護具有重大意義。本文對根際促生菌對植物生長的調控機理及其應用進行了綜述。

2 根際促生菌概述

早在1904 年，德國的微生物學家Lorenz Hilnter就提出了根際的概念，他將土壤附近的微生物定義為根際微生物［1］。根據根際微生物對植物的作用分為有益、有害和中性3 類，其中對植物生長有利的這部分細菌被稱為根際促生菌（PGPR）。PGPR 泛指能夠直接或間接促進植物的生長、增加作物產量、防治病蟲害的根際微生物。截至當前，已發現的PGPR 包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬以及農桿菌屬等20 多個種屬［2］，其中熒光假單胞菌被認為最具有應用前景。

PGPR 的多樣性使得其分類方式也有多種，按PGPR 所在的位置可分為定殖在植物根細胞內部的胞內根際促生菌（intracellular PGPR，iPGPR）和自由生活在植物根際周圍或者根細胞與皮質之間的胞外根際促生菌（extracellular PGPR，ePGPR）。iPGPR 能夠與植物產生根瘤，直接和植物發生營養物質的交換，如固氮菌屬和伯克霍爾德氏菌屬等；而ePGPR 則不能生成根瘤，它們通過信號進行物質傳遞，促進土壤營養素的活化，如不動桿菌屬（Acinetobacter）、無色菌屬（Achromobacter）、產堿桿菌屬（Alcaligenes）等。

PGPR 對植物的促生機理包括直接作用與間接作用兩種。直接作用包括產生吲哚乙酸、赤霉素、細胞分裂素等植物激素［3］和提供植物生長所需要的氮、磷、鉀等元素來促進植株的生長。間接作用是改善植物生長的土壤環境條件和減輕植株病害，提高植物的抗旱、耐鹽等抗逆性。

3 PGPR 的直接促生機理

3.1 PGPR 對植物生長植物激素的調控

植物激素在植物生長繁殖等過程中扮演著非常重要的角色。PGPR 可通過直接或間接促進植物激素的分泌與合成來調控植物的生長發育，同時還可以調節植物內一些蛋白質和多糖的合成，進而調控植物的生長發育［4］。PGPR 通過改善誘導系統耐藥性（IAR）控制病原體的耐藥防御機制，并通過影響植物激素代謝來緩解非生物應激，從而提供交叉保護功能［5］。本文重點討論赤霉素、吲哚乙酸和細胞分裂素在植物生長中的調控作用。

3.1.1 赤霉素

赤霉素（GAs）具有促進植物細胞分裂、增大和提高植物葉面積的作用［6］。何玉娟等［7］研究發現，GAs 可以促進基因的表達，促進植物根瘤菌的形成。干旱對植物的光合作用有較強的抑制作用，從而影響作物的生長發育［8］。陳志飛等［9］發現，GAs 可有效促進幼苗生長發育，緩解干旱脅迫。有研究表明，腸球菌LKE12（Enterococcus faecium LKE12）可以通過分泌多種結構的GAs 來增強水稻與甜瓜的生長和產量，且腸球菌LKE12 還能同時合成吲哚乙酸，多種激素共同促進植物生長。假單胞酶蛋白Pf-5（Pseudomonas protegens Pf-5）和革蘭氏陽性細菌（Priestia megaterium QM B1551）暴露于磷酸鹽除草劑的細胞中生長素和抗生素化合物的產量增加了25 倍［10］。

3.1.2 吲哚乙酸

吲哚乙酸（IAA）具有促進細胞生長、增加細胞體積和調節植物根系生長等功能。土壤中約一半以上的細菌能夠產生IAA［11］。李福艷等［12］研究發現，大猩猩芽孢桿菌（Bacillus massiliogorillae）和栗褐芽孢桿菌（Bacillus badius）可以高效產生IAA 來促進植物的生長發育。IAA 可以促進植物在重金屬污染的土壤里生長［13］。Variovorax 菌屬細菌組成的微生物群落，可以降解根際微生物群釋放的IAA，從而在復雜的微生物群落下保持植物根系的生長［14］。施用產IAA 的PGPR，豌豆植株莖、葉以及鮮重都有大幅度增加［15］。海洋銅綠假單胞菌能夠促進植物吲哚-3 乙酸和IAA 的產生［16］。

3.1.3 細胞分裂素

細胞分裂素（CTK）具有促進細胞分裂、植物分化、植物開花結果以及減緩和抑制葉片衰老的作用。6-芐氨基腺嘌呤（6-BA）屬于第一代的細胞分裂素。有研究表明，外施6-BA 會影響植物的光合作用，施加IAA 和6-BA 的草莓葉片凈光合速率有明顯提高，同時葉片中的葉綠素a，b 含量增加［17］。外源施加KT 和6-BA 草莓體積和重量都顯著增加，同時草莓中營養物質的含量也有所增加［18］。CTK 與其他內源植物激素之間會通過信號傳導、協同與拮抗等共同調節植物的生長［19］。谷氨酸桿菌YD01（Glutamicibacter sp.）通過介導植物激素（乙烯）和ROS 積累、保持離子穩態，提高光合作用能力和增強協迫反應基因的表達，從而減輕鹽協迫對水稻生長發育的不良影響［20］。有些PGPR，如貝萊斯芽孢桿菌CT2628（Bacillus velezensis CT2628）會對植物體起到維持植物內源激素水平的作用［21］。

3.2 PGPR 對元素的活化作用

不同的元素在植物生長發育過程中均發揮著重要的作用，植物缺乏任何一種元素都會影響其生長發育。PGPR 具有活化植物所需營養元素的作用。

3.2.1 氮元素

植物所需要的氮源最主要的來源是生物固氮。PGPR 的固氮機理與其有相關基因（BNF nif）密切相關，該基因通過酶促反應將氮氣轉化為氨［22］。PGPR還可以通過反硝化作用將作為電子受體，轉化為NOX，并最終被還原為［23］。此外，PGPR 還可以通過硝化作用和氨化作用釋放水解酶，將有機態氮礦化為無機態氮［24］。假單胞桿菌1-42（P. fluorescens MK880644）與褐環乳牛肝菌N94（Suillus luteus）對樟子松根際土壤養分的速效氮、速效磷及全氮、全磷、全鉀、有機質和速效鉀有顯著影響［25］。綜上所述，PGPR 在氮循環中發揮著重要作用，可以通過固氮、土壤有機質礦化、反硝化等酶促作用為植物生長提供必需的氮源［26］。

3.2.2 磷元素

一些植物PGPR 能夠通過分泌低分子量有機酸降低土壤溶液pH 或分泌胞外磷酸酶等方式溶解土壤難溶性無機磷酸鹽［27］。PGPR 按照轉化方式可分為無機磷溶解細菌（phosphate-solubilizing bacteria，PSB）和有機磷礦化細菌。PSB 能分泌有機酸、質子、鐵載體及胞外酶等物質，將磷酸三鈣、羥基磷灰石等不溶磷轉化為可溶性磷酸鹽，其中分泌有機酸溶磷是高溶磷特性PSB 主要的溶磷機制［26］。有機磷礦化細菌則主要是通過非特異性酸性磷酸酶、植酸酶和C-P 裂解酶的協同作用將有機磷礦化為可用的磷酸鹽［28］。綜上所述，PGPR 通過分泌有機酸、質子等來促進無機磷溶解，并通過酶促作用使有機磷礦化［26］。

3.2.3 鉀元素

鉀元素是植物必需的營養元素之一，具有促進根系發育，提高水分利用效率，參與有機酸、脂肪、氮等化合物的代謝等作用，雖然土壤中含有豐富的鉀元素，但80%～90%的鉀元素以礦物質形式存在［29］。土壤中可將礦物鉀轉化為可溶鉀的PGPR 稱為溶鉀細菌（potassium-solubilizing bacteria，KSB）［26］。PGPR可將土壤中的磷元素和難溶性鉀轉化為植物可以吸收利用的有效磷和速效鉀［30］。KSB 溶鉀理論主要包括酸解、多糖絡合溶解、生物膜促進溶解等［29］。酸解是KSB 通過產生有機酸和無機酸來降低pH，從而促進含鉀礦物風化和可交換性鉀的釋放。多糖絡合溶解則是KSB 分泌的有機配體、螯合物和細胞外酶等物質，通過螯合、交換反應、金屬絡合配體等作用來促進鉀的溶解［31］。有機酸的螯合作用是含鉀礦物溶解的重要機制，且KSB 通過酸溶和絡合溶解的共同作用能大幅度提高礦物鉀的溶解［32］。此外，KSB 分泌多糖或形成生物膜附著在礦物表面，使礦物表面有機酸保持在高濃度，從而促進鉀的溶解［26］。

3.2.4 鐵元素

微生物細胞可以產生鐵載體，與鐵形成螯合物促進缺鐵植物對鐵的獲?。?0］。PGPR 通過分泌鐵載體螯合根際土壤Fe3+元素在植物根系附近富集，并通過根表螯合鐵還原酶（Ferric helatereductase，FRO）將Fe3+還原為植物能夠利用的Fe2+。還原態鐵在分布于根表皮細胞的鐵高親和體介導下，被轉運進入植株的根系養分轉運系統，供給葉片等地上部組織器官生長發育所需要的鐵元素［33］。

4 PGPR 的間接促生機制

4.1 提高作物的抗逆性

高濃度的鹽離子會對植物體內葉綠體和線粒體的電子傳遞產生嚴重影響，抑制其光合作用，造成活性氧的積累。鹽脅迫促使植物產生高濃度的乙烯，而導致植物壽命很短［34］。王允［8］研究發現，干旱脅迫下，生姜葉片中活性氧的積累減少，活性氧長期維持在較低水平，生姜葉片活性顯著提高，作物抗旱性提高。Yuan J 等［35］研究發現，施用生物有機肥（含有芽孢桿菌淀粉菌株NJN-6）可顯著降低香蕉枯萎病的發病率，促進香蕉植株的生長。接種菌株CT2628 的植株，使得植物保水能力增強，誘導植物抗鹽、抗干旱脅迫［21］。ACC 脫氨酶細菌有較強的逆境耐受能力和逆境條件下促進植物生長的潛力，假單胞桿菌P. brassicacearum KY5404 的抗性基因具有穩定的抑制油菜菌核病的能力［36］。根際定殖的偶氮假單胞菌FAP5（P.azotoformans）在干旱條件下顯著增強了微生物被膜的形成，并有效緩解小麥植物的干旱脅迫［37］。

PGPR 可通過促進根系增長、減少氧化應激來緩解重金屬脅迫，提高植物的重金屬耐受性，強化植物修復效率。Mesa-Marín 等［38］研究發現，PGPR 通過減少根系呼吸和氧化應激，從而促進海岸米草根系生長和緩解重金屬脅迫。接種PGPR 對植物的抗氧化活性有重要作用［34］。

4.2 改善植物生存的土壤條件

土壤中有機質組分是作物營養的重要來源［39］。PGPR 對土壤生物酶活性、土壤微生物的含量以及土壤pH 有一定的影響［40］。PGPR 在逆境土壤中對改善土壤肥力、促進逆境植物對養分的有效吸收具有極大潛力。

5 PGPR 的應用

5.1 PGPR 在農業生產中的應用

PGPR 能夠影響植物基因的表達，PGPR 可通過激活受感染的宿主植物β-1，3-葡萄糖酶基因的表達，在形態、生化、生理和分子水平上誘導宿主植物的修飾效果達到更好，葡萄糖酶可以通過親水相互作用與GTP 形成復合物，使植物獲得對鎂萘普西的耐藥性［41］。在農業方面，用PGPR 來代替化學肥料，與天然來源的生物肥料Macrocystis pyrifera 藻提取物結合，Julia 等［42］研究結果表明，用海藻提取物接種生菜籽后，發芽能量和發芽能力有所提高。PGPR在鹽度條件下也有助于提高R.officinalis 的精油產量［43］。接種PGPR 對小麥種在生理生長和產量方面有著積極的作用［44］。接種植物PGPRNRCB010和NRCB026能有效減少農田土壤N2O 的排放，為發展具有促生和減排效應的生物肥料提供實際指導［45］。

5.2 PGPR 在重金屬污染修復中的應用

應用于重金屬污染的土壤，PGPR 可以促進植物提取重金屬的效率，從而治理被重金屬污染的土壤。研究表明，同時種植植物和接種PGPR 有利于植物提取重金屬［20］。在較低污染水平下，PGPR 不會受到污染物的干擾，植物體內污染物的積累量增多；而在較高污染水平下，PGPR 的活性受到抑制，存活率降低，對污染物的吸附作用也相對減弱［46］。重金屬污染條件下，PGPR 通過分泌相應激素，刺激植物根系的生長來增大植物根表面積，使吸收效率提高［47］。PGPR 能使Cr 的植物修復增強，假單胞菌株NT27（Pseudomonas sp）的分泌物在促進植物生長和降低應激水平方面極其有效［48］。PGPR 能夠通過分泌有機酸或胞外磷酸酶等方式活化結合型重金屬離子，并將其吸收與轉運［47］。PGPR 有助于改善金屬誘導的植物毒性，減少活性氧對植物細胞的傷害，獲得更高的生物量和植物的金屬攝取量，有助于消除土壤中重金屬污染［49］。PGPR 可以充分利用并轉化水中的污染物，從而使水體得以凈化，在水系的綜合治理方面成效顯著。

6 結語

PGPR 對整個生態環境有重要影響，它不但可直接作用于植物體，影響植物體的生長發育，進而對人類所需的糧食、果樹等經濟類作物的培育有積極作用，而且PGPR 對土壤的理化性質產生影響，能改善土壤條件，修復被破壞的土壤，對環境保護有重要價值。但由于微生物總量很大，目前所能探知的PGPR的具體作用效果仍然有限，所以對于PGPR 每一個菌種的研究還需要繼續深入。鑒于PGPR 對環境的無害性，未來PGPR 在很多領域的應用具有極大潛力。