植物根際促生菌作用機制研究進展

霍佳慧 畢少杰 于欣卉 馬 爽 王文中 王欣悅 王彥杰

（黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院，黑龍江大慶 163316）

農業是國民經濟的基礎，長期以來，我國農業生產主要依靠增施化學肥料和化學農藥來提高作物產量。但是，化肥的有效利用率不足40%，造成了資源浪費，同時在土壤中積累了大量的重金屬和有毒物質；而且長期使用化學農藥會加劇土壤內磷、鉀的流失，造成嚴重的土壤板結等一系列問題。化學肥料和化學農藥的不合理使用打破了土壤內部環境營養之間的平衡，對農田環境造成嚴重的破壞，導致農產品產量和質量下降，甚至威脅到食品安全[1]。為了保護土壤生態系統，更為了人們的身體健康，化學肥料和化學農藥的施用必然會減少，環境友好型生物肥料和生物農藥產品將得到更多人的青睞。

1904年，Lorenz Hiltner最先提出了“根際”的概念[2]。根際沒有明確的界面，主要指在根部附近、性質與土壤有差異的微小地域[3]。由于植物品系、土壤與根際環境條件的多樣性，根際土壤微生物種類復雜。作物與土壤、微生物等進行能量和物質交換，輸送著植物正常生長發育所需的最基本的養分。植物根際微生物群落中有大量的細菌、古菌、真菌等微生物類群，細菌在根際微生物群落中是最豐富的[4]。植物根際促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）正受到研究人員的廣泛關注、研究與應用，利用PGPR作為生物肥料和生物農藥可以分解土壤內部營養物質、分泌生長素、調節植物生命周期的某些或所有階段植物體內促生菌的含量、抑制有害菌的生長，從而促進作物生長，進一步提高農作物產量。基于此，本文對PGPR促進植物生長的機制及其應用進行了綜述，以期為PGPR產品的研究與應用提供指導。

1 植物根際促生菌的定義和種類

PGPR是生存在根際生境中、能抑制植物病害并促進植物生長的土壤內部細菌的統稱，能夠在植物根部周圍土壤中自由生存或定殖在植物根系表面，常存在于不同的環境中，通常PGPR的種類與植物種類相關[5]。根據PGPR與寄主植物共同生長的復雜程度，可將其分為兩類：一類為定殖于植物的特殊組織和細胞內的PGPR（iPGPR），一般能產生特化的結節狀結構，包括可與高等植物共生固氮的根瘤菌和法蘭克菌等；另一類是定殖在植物根系周圍土壤或根系表面的PGPR（ePGPR），ePGPR分為與根相鄰但不接觸根部的PGPR、根表面附著的PGPR、植物根皮層和細胞之間的PGPR等3種類型。胞外PGPR可產生化學信號刺激植物生長，提升植物的抗性，加速根際內營養物質循環等。

近年來，大多PGPR是從糧食、工業原料、飼料、藥用植物、經濟作物和野生植物中分離得到的，被鑒定出的PGPR菌株已超過20個種屬。有研究表明，熒光假單胞菌屬在植物根際中的促生能力較強。研究人員通過芽孢桿菌屬和節桿菌屬對ePGPR進行研究，進一步對固氮菌屬、鏈霉菌屬、產堿桿菌屬、土壤桿菌屬和根瘤菌屬等進行研究[6]。

2 植物根際促生菌的促生機制

PGPR一般通過直接和間接2種方式促進植物生長[7]。直接作用指PGPR通過合成和分泌植物激素，或經生物固氮、溶磷和解鉀等提高土壤營養元素含量，促進植物生長[8]；間接作用指PGPR通過誘導植物產生拮抗物質等方式降低病原微生物的有害作用，抑制植物病害，促進植株生長（圖1）。

2.1 直接作用

2.1.1 固氮作用。氮（N）是植物生長和發育過程中的必需元素，由于降雨或礦物浸出造成氮損失，氮逐步成為農業生態系統中的一個限制因子。固氮微生物通過固氮的形式將分子氮轉化為作物可直接利用的銨態氮。PGPR可以通過共生固氮作用，使根瘤菌與豆科植物根系形成共生體；或通過非共生固氮中的固氮酶復合體作用于非豆科植物，經由鐵蛋白構成的還原性酶把較高價態N2還原為低價態NH3，最后形成結節或小瘤狀根瘤共生體[9]。具有促生作用且能自生固氮的根際微生物主要為固氮菌屬、布克氏菌屬和草螺菌屬等[10]。研究表明，從不同地區棗椰樹、梨和番茄中分離出的假單胞桿菌Pp20、芽孢桿菌Bt04和梭形芽孢桿菌Lf89均明顯地促進了擬南芥的生長，擬南芥中碳氮比（C/N）也發生了改變[11]。多數芽孢桿菌的生物固氮是通過鉬固氮酶來進行的，多種芽孢桿菌均含有固氮酶[12]。

2.1.2 溶磷作用。磷（P）也是農作物生長和發育需要的重要養分之一，需求量僅次于氮。磷在植物體內的各項代謝過程中發揮著重要的作用。土壤中含有大量的磷，但可供植物使用的磷通常只占很小的一部分。對作物的生長和發育來說，磷的這種低效性是因為絕大多數土壤中的磷以不溶性形式存在，而植物只能吸收一價態（H2PO4-）或二價態（HPO42-）形式的可溶性磷。據報道，主要的解磷細菌有根瘤菌屬、芽孢桿菌屬和假單胞桿菌屬細菌等[13]。

2.1.3 解鉀作用。若農作物生長過程中缺乏鉀元素，會導致植株矮小、生長緩慢甚至死亡[14]。土壤中存在的解鉀菌能分解鉀長石類礦物，促進植物生長，又稱鉀細菌[15]。劉 璐等[16]研究表明，施用解鉀膠凍樣芽孢桿菌有效提高了赤霞珠葡萄的光合特性，改善了赤霞珠葡萄的品質。陳宇豐等[17]從香蕉根際土壤中分離出16株具有解鉀能力的根際細菌，將菌種制成無鉀的菌液后分裝，又在菌液中加入鉀長石，結果表明，各菌株在不同環境下均具有高效解鉀能力。吳俊林等[18]在河南省駐馬店市煙區土壤中篩選出的解鉀菌能溶解土壤中的不溶性鉀，促進煙草對鉀的吸收和利用，對煙葉的品質和產量有明顯的促進作用。研究認為，鉀細菌發揮作用與分泌草酸和乙酸等有機酸有關，使土壤中的鉀含量增加，利于植物充分吸收和利用鉀[19]。

2.1.4 產生嗜鐵素。鐵（Fe）作為生物必需的生長因子在土壤中相對缺乏，在電子傳遞、氧化還原反應、DNA前體的合成等植物生長所涉及的生化過程中發揮著重要的作用[20]。PGPR可以通過產生特異性結合Fe3+的有機化合物（嗜鐵素）改善植物的缺鐵情況，進而促進植物生長。PGPR通過與產生鐵載體較少甚至是不能產生鐵載體的有害微生物競爭鐵元素，使得有害微生物生長受到抑制。植物嗜鐵素還能與其他對環境有影響的重金屬形成穩定的化合物，有助于緩解高重金屬含量對植物的脅迫。

王滌非等[21]從柿子樹根際土壤中分離得到的地衣芽孢桿菌，具有較強的產嗜鐵素能力，能防治堿性缺鐵土壤中植株的缺鐵性失綠癥并促進植物生長。Mushtaq等[22]在黃秋葵播種前撒入重鉻酸鉀，抑制黃秋葵生長和光合速率，在接種PGPR后，可降低根部對鉻的吸收，顯著降低鉻對植株生長的負面影響。Pramanik等[23]從受多種重金屬污染的水稻根際土壤中分離出有效抗重金屬的PGPR菌株，其能讓鎘脅迫下的水稻幼苗表現出明顯的抗鎘活性，有效促進水稻幼苗的生長。夏清強等[24]研究發現，嗜鐵素具有修復砷污染環境的能力，產嗜鐵素的耐重金屬微生物可以作為土壤改良劑或者重金屬分離劑，阻斷重金屬在土壤中的累積。

2.1.5 產生促進植物生長物質。植物激素雖然不直接為植物提供營養，但是可作為化學信號在一定的濃度范圍內調節植物生長和發育，通常2個以上的激素在特定的靶組織發揮生理反應[25]。PGPR具有產生植物激素的潛力，如生長素（indole-3-acetic acid，IAA）、赤霉素（gibberellic acid，GA）、細胞分裂素（cytokinin，CTK）、脫落酸（abscisic acid，ABA）和乙烯（ethylene，ETH）等[26]。劉澤平等[27]從水稻的根際土壤中分離得到大多為芽孢桿菌屬的植物根際促生菌，具有解磷、溶磷和解鉀的能力，其中對養分轉化能力較強的菌株還能分泌植物生長素和赤霉素等。豌豆根際的根瘤菌能分泌細胞分裂素促進根部表面積增加；短小芽孢桿菌能分泌赤霉素改變植物形態；洋蔥根際假單胞菌能分泌ACC脫氨酶降低乙烯的合成；燕麥和小麥根際分離出的菌株能產生IAA，IAA在適宜濃度下能極大地促進根部細胞的伸長[28]。

IAA能增加根系分泌物，縮短根系長度，松弛細胞壁，令植物吸收更多的營養物質[29]，增強植物對病原菌的敏感性。偶氮結核菌屬、嗜鉻偶氮結核菌屬、熒光假單胞菌屬、根瘤菌屬、銅綠假單胞菌屬、乙酰桿菌屬和豆科根瘤菌屬等菌屬會產生IAA。細胞分裂素在種子萌發到植物衰老的過程中一直發揮著重要的生理作用，節桿菌屬、地衣芽孢桿菌屬和多粘類芽孢桿菌屬等菌屬會產生細胞分裂素。赤霉素除參與植物發育各個過程之外，還可以調節根毛的數量，促進根的生長。不動桿菌屬、黃桿菌屬、微球菌屬、農桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、根瘤菌屬、伯克霍氏菌屬、黃單胞菌屬、固氮菌屬、節肢菌屬和偶螺菌屬等菌屬會產生赤霉素[30]。脫落酸在水分脅迫環境中起到重要的作用，能幫助氣孔關閉抵御脅迫。有研究表明，根瘤菌屬會產生脫落酸。在一定濃度范圍內，乙烯對植物的生長有非常積極的作用。無色菌屬、無氮螺旋菌屬、芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、假單胞菌屬和根瘤菌屬等菌屬具有產生乙烯的能力。

2.2 間接作用

PGPR的拮抗作用是指拮抗微生物同化作用產生抑制病原菌的抗菌物質（一般在低濃度下就能對病原菌的生長和代謝產生抑制），引起細胞內溶的現象[31]。除自身具有的天然屏障，植物也進化產生了不同的誘導防御機制保護自身免受病原菌的侵染[32]，植物誘導系統抗性（induced systemic resistance，ISR）是用非親和性的病原物或其他因素誘導植物產生抗性。同時，PGPR還具有對營養物質、生態位點和氧氣等的競爭作用，有益微生物搶先占領適合微生物生長和繁殖的有利位點，降低有害菌的侵染[33]。植物根際促生菌主要通過對營養和位點的競爭以及產生拮抗作用達到生物防治的效果。

2.2.1 拮抗作用。在植物的根際土壤中能篩選出對植物病原菌有拮抗作用的有益菌，即拮抗菌。芽孢桿菌屬和假單孢桿菌屬是典型的拮抗微生物菌屬。根際拮抗生防菌通過合成、釋放、傳遞抗生素到整個植物根系，進而達到良好的生物防治效果。PGPR能通過產生誘導植物合成抗病蛋白的信號蛋白或產生分泌絲氨酸的特異性內肽酶等蛋白質來誘導植物自身產生抗病性[34]。謝學文等[35]從黃瓜根際土壤中篩選的甲基營養型芽孢桿菌WF-3能有效防治黃瓜炭疽病。Mufti等[36]將施氏假單胞菌KX574858和惡臭假單胞菌KX574857接種于由球孢菌引發木炭腐病的豆芽種子上，種子發芽量、豆芽長度和鮮重等均明顯提高，木炭腐病的病情指數明顯降低，且各防御酶含量上升。孫廣正[37]從小麥、苜蓿等植物根際分離出19株PGPR菌株，分別與立枯絲核菌、黃瓜枯萎病菌、小麥長蠕孢和番茄早疫病菌等病原菌共同培養，其中6株菌株對立枯絲核菌具有較好的拮抗作用，5株菌株能對黃瓜枯萎病菌產生抗菌活性，2株菌株可以抑制番茄早疫病菌，7株菌株能通過不同的機制對小麥長蠕孢菌絲表現出明顯的抑制作用。

2.2.2 競爭作用。PGPR可以通過位點競爭與營養競爭刺激農作物生長。營養競爭是指在同一個微小環境內，PGPR與其他微生物爭奪氧氣、營養物質等。只有少數植株存在營養競爭。位點競爭是指微生物與病原菌競爭作用位點，使自身定殖在根際土壤內，有效預防病原菌對植物的侵染。PGPR與病原體競爭獲取有限的營養，產生無菌活性化合物對病原體進行生物控制，合成真菌細胞壁裂解酶及誘導寄主植物的系統反應[38]。劉艷霞等[39]篩選鑒定出貴州煙區青枯病病原菌株青枯勞爾氏菌及拮抗菌株枯草芽孢桿菌，利用氣質聯用檢測煙草K326根系分泌物的主要物質，并進行病原菌與拮抗菌對根系分泌物利用能力、利用強度等方面的研究，結果表明，拮抗菌對煙草根系分泌物的利用不及病原菌，但在特定碳源條件下拮抗菌能夠利用根系分泌物中的某些碳源產生某種拮抗物質抑制病原菌，拮抗菌與病原菌之間同時存在利用性競爭和干擾性競爭關系。

2.2.3 誘導抗性。系統抗性（systemic resistance）指植物受到病害侵染時自身產生的防御機制。系統抗性可分為誘導性系統抗性（induced systemic resistance，ISR）和獲得性系統抗性（systemic acquired resistance，SAR）。ISR是重要而且有效的生物防治途徑，是指PGPR通過合成并分泌抵抗多種病原菌的抗生素和水解酶，依賴茉莉酸和乙烯調控途徑，增強植物的防御能力，幫助宿主植物防御生物脅迫。馮蕾[40]用內生地衣芽孢桿菌TG116誘導處理番茄植株一段時間，番茄葉片中各防御酶的活性明顯升高；令番茄感染上灰霉病，接種內生地衣芽孢桿菌TG116，防御酶活性升高幅度較單獨接種TG116高，說明內生地衣芽孢桿菌TG116可誘導植物抗性的表達。SAR涉及致病相關蛋白和水楊酸積累，使植物在結構、生理和代謝等方面發生改變，阻隔病害的侵染和發生。

一些根際細菌在根部環境與根相互作用，還會激發植物產生誘導型系統耐性（induced systemic tolerance，IST）[41]。IST是指PGPR可以誘導宿主植物系統耐性，通過有機溶質的合成增強滲透調節能力，調節根系生理結構，促進水分和養分的吸收；提高土壤供肥能力，維持植物體內離子平衡；提高抗氧化酶的活性與抗氧化物質的合成，減少活性氧的形成與積累；促進光合色素合成，提高光合速率；利用微生物間的對抗和協同等途徑，緩解非生物脅迫條件對宿主植物的抑制作用，保障植物健康生長[42]。接種PGPR可以明顯增強植株的耐鹽堿性和耐旱性等，對病毒表現出較高的抗菌活性與溶解無機磷酸鹽的能力。目前，IST是PGPR研究中的熱點。

3 PGPR的應用

首先，PGPR可以誘導作物產生系統抗性，促進作物生長。其次，PGPR在作物種植中能解決連作障礙問題。目前，部分來源于植物根際的PGPR菌株已經被加工成微生物農藥、生產菌或潛在的載體菌定殖到作物根際，在作物生長中發揮作用。最早產量化生產應用枯草芽孢桿菌A13時，種植經過A13處理的胡蘿卜、燕麥和花生，增產最高近50%[43]。我國于1979年開始使用植物根際促生菌，并逐步在田間使用PGPR菌株保障作物抗病增產。Yasmin等[44]研究表明，接種克雷伯氏菌的甘薯根部營養元素含量升高，在生長時期可影響土壤細菌數量，使甘薯產量升高。Mohamed等[45]將枯草芽孢桿菌、熒光假單胞菌聯合接種于普通豆科植物，再用羅氏菌侵染植物，結果表明，羅氏菌感染得到控制，植物內有益酶活性明顯提升，秸稈產量提高，植株對磷和鐵的吸收也進一步提高，復合菌劑具有作為生物肥料改善植物營養狀況的潛力。張 敏等[46]在干旱脅迫條件下紅棗盆栽試驗中，接種PGPR菌劑Pseudomonas koreensis、Bacillus filamentosus及兩者混合菌劑，均能調節植株光合作用、抗氧化酶活性等，明顯提高植株各項指標。黃文茂等[47]研究表明，PGPR復合菌劑能使辣椒幼株頸部變粗，根際微生物活性增強，辣椒產量增加近1 000 kg/hm2。楊靜云[48]對水稻幼苗施用化學肥料或微生物菌肥，對產量進行比較后發現，施加微生物菌肥的水稻產量明顯增加。

利用PGPR可以減少化學農藥的使用量，減輕對環境的污染，修復不良土質，對重金屬的去除等有明顯作用。目前，許多國家已經注冊、生產和使用了一些PGPR工業制劑，包括利用活性細菌改善土壤狀態的PGPR活菌制劑和通過抑制植物病原菌而起作用的PGPR代謝產物制劑。

PGPR微生物制劑有固體和液體2種劑型。固體微生物制劑分為粉末和顆粒2種狀態，便于運輸和儲存。如PGPR活菌制劑，在應用過程中，菌種能夠穩定并長期存在。液體微生物制劑包裝上表面會覆蓋礦物油，不如固體劑型容易儲存和耐用。李 琦等[49]研究表明，在不同劑型微生物制劑對燕麥品質的影響試驗中，液體菌劑不如固體菌劑持效期長，在化肥和菌肥比例為7∶3時燕麥產量最高。

根據微生物類型，可將PGPR制劑分成細菌型PGPR制劑、放線菌型PGPR制劑、真菌型PGPR制劑和其他類型的PGPR制劑。其中，細菌型制劑按來源和作用可劃分為根瘤菌制劑、固氮菌制劑和硅酸鹽菌制劑等。

根據PGPR制劑的組分，PGPR制劑又可分成純微生物制劑與復合型制劑。純微生物制劑是由一種微生物或多種微生物混合發酵后制成的；在復合微生物制劑中，除微生物外，還有其余一些對農作物生長有用的微生物發酵產物。微生物制劑無毒副作用，符合綠色生態農業發展的需要[50]。

4 展望

PGPR的應用是實現農業可持續發展的有效途徑之一，將在農業生產中起到舉足輕重的作用，但目前對PGPR的研究尚在發展階段。今后，需要科研工作者在PGPR的探索過程中應用更多的先進技術，了解PGPR的結構和功能多樣性，建議研究人員對以下幾方面的工作給予更多關注：①加強PGPR菌種發掘，豐富PGPR菌種資源；②土壤微生物種類眾多、生理功能復雜，保證實驗室和溫室條件下效果顯著的PGPR菌株能有效定殖并在土壤微生物群落競爭中發揮作用是目前研究的關鍵；③探索PGPR對逆境環境的適應規律，加強高鹽堿等脅迫條件下PGPR的篩選，強化PGPR適應環境的能力；④明確PGPR利用寄主根系分泌物的能力以及接種PGPR后對根際微生物群落產生的影響，針對不同農作物和植物品系，加強篩選具有針對性的PGPR。