土壤微生物對小麥根系生長的影響及其調(diào)控機制研究

小麥是全球重要的糧食作物，其根系發(fā)育與水分和養(yǎng)分的吸收效率息息相關(guān)，直接影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。近年，土壤微生物作為根際生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受到越來越多研究者的關(guān)注。土壤微生物不僅通過改變土壤環(huán)境影響根系的生長模式，還通過代謝產(chǎn)物、信號傳導(dǎo)和共生互作等途徑調(diào)控植物生長，提升植物的抗逆性和養(yǎng)分吸收效率。相關(guān)部門圍繞土壤微生物如何影響小麥根系生長及其調(diào)控機制展開研究，探討微生物群落與小麥根系的互作關(guān)系，深入分析微生物如何通過改變根際環(huán)境、促進根系生長和增強植物健康的機制。研究還將闡明微生物對小麥根系生長的具體影響，并提出相應(yīng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用策略，以改善土壤健康、提高小麥生產(chǎn)效率，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

一、土壤微生物與小麥根系生長的理論基礎(chǔ)及互作關(guān)系

（一）土壤微生物群落及其生態(tài)功能

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，按生物學特性可分為細菌、真菌、放線菌及固氮微生物等。細菌數(shù)量最多，主要參與有機質(zhì)降解、氮循環(huán)及病害抑制，如芽孢桿菌和假單胞菌屬的促生菌可增強植物根系生長。真菌包括腐生真菌和叢枝菌根真菌，前者加速有機質(zhì)降解，后者與植物根系共生，提高磷、氮等礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收。放線菌（如鏈霉菌）以產(chǎn)生抗生素和土壤穩(wěn)定作用見長，而固氮微生物（如根瘤菌和固氮芽孢桿菌）利用生物固氮作用改善土攘氮素供應(yīng)。

土壤微生物在根際生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著核心功能。一方面，它們通過分泌纖維素酶、蛋白酶等降解有機質(zhì)，釋放養(yǎng)分，從而提升土壤肥力；另一方面，微生物的代謝產(chǎn)物（如胞外多糖）能夠改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，提升水分保持能力。此外，微生物還可產(chǎn)生植物激素（如吲哚乙酸、細胞分裂素）和有機酸，促進小麥根系的伸長和側(cè)根分化，進而提高小麥對水分和養(yǎng)分的吸收能力。這些作用有助于增強小麥的生長勢，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

（二）小麥根系的生長特性

小麥的根系由主根、次生根和根毛組成。主根在胚根萌發(fā)后形成，早期發(fā)育較快，但隨著生長的進行，逐漸衰退。次生根則由分蘗節(jié)發(fā)出，數(shù)量眾多且分布廣泛，是小麥吸收養(yǎng)分和水分的主要器官。根毛生長在根尖區(qū)，數(shù)量密集，能夠極大地增加根系的吸收面積，促進水分和礦質(zhì)元素的有效獲取。這些根系結(jié)構(gòu)和功能相互配合，共同支持小麥的生長發(fā)育。

在生理功能方面，小麥根系承擔著養(yǎng)分吸收、水分運輸及信號傳導(dǎo)等關(guān)鍵作用。根毛能夠主動吸收土壤溶液中的礦質(zhì)離子，通過質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑將水分及營養(yǎng)物質(zhì)輸送至地上部分。根系還能夠感知土壤環(huán)境的變化，借助激素信號（如生長素、脫落酸）調(diào)控地上部分的生長，從而使植物能夠適應(yīng)外界的各種變化。

小麥根系生長受土壤養(yǎng)分、水分及微生物群落等多種因素的影響。適宜的氮、磷、鉀等養(yǎng)分供應(yīng)有助于根系的伸展，增強其吸收能力。土攘水分狀況對根系的長度和分布具有重要影響。在干旱條件下，根毛的發(fā)育受到抑制，適度的水分虧缺能夠刺激根系的深生長。此外，微生物群落，如叢枝菌根真菌和固氮細菌，與根系形成互利共生關(guān)系，能夠提高養(yǎng)分吸收效率和小麥的抗逆性。這些因素共同作用，促進小麥根系的健康發(fā)育，為作物的高產(chǎn)提供支持。

（三）土壤微生物與小麥根系的互作關(guān)系

小麥根際微生物群落與根系之間形成復(fù)雜的共生互作關(guān)系，其中促生菌和根際真菌在根系發(fā)育及養(yǎng)分吸收中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。植物促生根際菌通過產(chǎn)生生長素、細胞分裂素等植物激素，調(diào)節(jié)根系的分蘗和側(cè)根生長，促進根系的擴展，從而提高小麥對養(yǎng)分的利用效率。叢枝菌根真菌與小麥根系建立共生關(guān)系，形成廣泛的菌絲網(wǎng)絡(luò)，顯著提升了小麥對磷素的吸收能力，同時提高了水分的利用效率和作物的抗逆性。這些微生物的作用不僅有助于根系的生長發(fā)育，還提升了小麥的養(yǎng)分吸收和逆境適應(yīng)能力。

土壤中的有害微生物，尤其是土傳病原菌（如小麥根腐病菌），對小麥根系構(gòu)成威脅。根腐病菌能夠侵染小麥根系，導(dǎo)致根腐病的發(fā)生，影響植物的正常生長，甚至引發(fā)植株死亡。為抵御這些威脅，有益微生物通過競爭作用抑制病原菌的生長。例如，拮抗菌（如芽孢桿菌屬、假單胞菌屬）能分泌抗生物質(zhì)，競爭營養(yǎng)物質(zhì)，從而有效降低有害微生物的定殖率，維持根際的生態(tài)平衡，促進小麥的健康生長。這種相互作用對提高小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

二、土壤微生物對小麥根系生長的影響

（一）促進根系發(fā)育

小麥根系的發(fā)育受到植物激素的調(diào)控，其中吲哚乙酸和赤霉素在根系形態(tài)建成和伸長過程中起關(guān)鍵作用。某些促生細菌 （如自旋假單胞菌屬、假單胞菌屬）可合成吲哚乙酸，通過促進細胞分裂和伸長，增強根毛形成，提高根系對養(yǎng)分的吸收能力。微生物合成的赤霉素可通過調(diào)節(jié)細胞分裂素的分布，促進主根伸長和次生根的生長，使小麥根系更深層次地分布，提高其水分和礦質(zhì)元素的獲取能力。吲哚乙酸合成菌可提高根系生物量 15%～25% ，赤霉素分泌菌可促進根長增長 20% 。

土壤中的溶磷、固氮和解鉀微生物對根系營養(yǎng)吸收起到關(guān)鍵促進作用。溶磷菌能夠分泌有機酸（如檸檬酸、乳酸），溶解土壤中的難溶性磷酸鹽，使其轉(zhuǎn)化為可吸收的磷離子，提高根系對磷的利用率。固氮微生物可將大氣中的氮氣固定成氨態(tài)氮，提高小麥根系氮素供應(yīng)，進而促進根長和根毛發(fā)育。自旋假單胞菌接種可提高小麥根系氮吸收效率 30%～40% ，進而促進地上部分的生長和產(chǎn)量提升。

微生物分泌的有機酸及其代謝物對根系生長具有重要影響。某些有益微生物（如芽孢桿菌屬）可通過分泌有機酸促進根毛分化，使根際吸收面積顯著擴大，提高水分和礦質(zhì)元素的吸收能力。同時，叢枝菌根真菌可與小麥根系共生，形成廣泛的外生菌絲網(wǎng)絡(luò)，使根系能夠吸收遠離根際的磷、鉀等養(yǎng)分，提高小麥的抗逆性。接種叢枝菌根真菌可提高根系吸收磷的能力約 50% ，并顯著提高小麥的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量。微生物的作用不僅促進了小麥根系的形態(tài)建成，還提高了其營養(yǎng)吸收效率，為作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了保障。

（二）提高根系抗逆性

小麥根系的抗病能力在很大程度上受到根際微生物的競爭性排斥作用和抗菌物質(zhì)的分泌。某些促生細菌和拮抗真菌（如曲霉屬）通過與病原菌競爭營養(yǎng)資源，分泌抗菌物質(zhì)（如木霉素、黃原酸）抑制病原菌的生長，從而降低根腐病、立枯病等病害的發(fā)生率。放線菌在根系病害防治中起著至關(guān)重要的作用，因其具有廣泛的抗菌活性，能夠產(chǎn)生如鏈霉素和放線菌素等抗生素，有效抑制鐮刀菌屬等土傳病原菌的侵染。研究表明，接種鏈霉菌屬可顯著降低根腐病的發(fā)生率，降幅為 40%～60% ，并顯著提升小麥根系的生長活力。這種通過根際微生物抑制病原菌的作用，有助于提高小麥的健康水平和產(chǎn)量。

除了病害防治，根際微生物還通過改善根際微環(huán)境提升小麥根系的抗旱耐鹽能力，這對小麥的生長至關(guān)重要。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如脯氨酸和甜菜堿的積累有助于維持根系細胞的水勢，提高其耐鹽性，使小麥在鹽堿環(huán)境下仍能保持較高的生理活性。此外，植物促生菌通過誘導(dǎo)根系抗氧化酶的活性增加，能夠有效減緩活性氧對根系細胞的氧化損傷。例如，超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性可提高 30%～50% ，這對于增強根系的抗逆性至關(guān)重要。

在干旱脅迫下，根際微生物的作用更加突出。接種特定的植物促生根細菌（如枯草芽孢桿菌），能顯著提高小麥根系的生物量，增幅為 20%～35% ，同時耐旱指數(shù)也顯著提升。通過根際微生物的調(diào)節(jié)，不僅能夠提高小麥根系的抗病能力，還能通過優(yōu)化植物的生理代謝，提高其耐鹽抗旱能力。這為小麥等作物的穩(wěn)產(chǎn)提供了有力保障，確保作物能夠在惡劣環(huán)境下保持良好的生長狀態(tài)，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。

三、土壤微生物調(diào)控小麥根系生長的機制

（一）信號傳導(dǎo)機制

根一微生物信號分子互作在根際生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，尤其是群體感應(yīng)信號在根際微生物行為調(diào)控中的作用。群體感應(yīng)信號分子，如N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯，能夠調(diào)節(jié)促生細菌的群體行為，影響生物膜的形成、抗菌物質(zhì)的分泌以及病原菌拮抗等過程。此外，小麥根部分泌物（如有機酸、氨基酸、黃酮類化合物）作為化學信號，能夠誘導(dǎo)根際微生物群落組成的動態(tài)變化。例如，溶磷細菌對檸檬酸的趨化作用增強，使其在根際聚集，從而促進磷素的吸收。研究表明，小麥根分泌物能夠提高有益微生物在根際的定殖率為 30%～50% ，有效改善根際微環(huán)境，提升微生物的生態(tài)功能和小麥的營養(yǎng)吸收效率。通過這種機制，小麥能夠有效改善根際環(huán)境，優(yōu)化其生長條件，進而促進健康生長和穩(wěn)產(chǎn)。

植物激素的協(xié)同調(diào)控在根系形態(tài)建成和信號傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用，尤其是在微生物對植物根系的調(diào)節(jié)作用中。某些根際微生物（如自旋假單胞菌屬、芽孢桿菌屬）分泌的吲哚乙酸能促進根毛的分化和側(cè)根的生長，從而提高根系的吸收能力。微生物還通過調(diào)節(jié)乙烯代謝的關(guān)鍵酶1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶，減少乙烯的積累，緩解乙烯對根系生長的抑制作用。植物與微生物之間的激素信號互作，特別是細菌來源的吲哚乙酸，可以增強小麥內(nèi)源生長素的信號，從而促進主根生長 20%～30% 。這種信號分子之間的協(xié)同作用優(yōu)化了小麥根際環(huán)境，提高了養(yǎng)分利用效率和抗逆性，最終提升了小麥的整體生長能力和對逆境的耐受性，為穩(wěn)產(chǎn)提供了有力保障。

（二）代謝調(diào)控機制

土壤微生物通過分泌多種代謝產(chǎn)物，顯著調(diào)控小麥根系的發(fā)育，尤其是次級代謝產(chǎn)物在促進根系生長方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。根際細菌如假單胞菌屬和芽孢桿菌屬可合成吲哚類化合物（如吲哚乙酸），這一物質(zhì)能夠有效促進根毛分化和側(cè)根的形成，從而增強根系的養(yǎng)分吸收能力。此外，某些生物堿和抗生素類物質(zhì)（如放線菌產(chǎn)生的放線菌素）能調(diào)節(jié)根系的細胞分裂，提升根系生長活力。微生物分泌的纖維素酶、木聚糖酶等酶類物質(zhì)也能降解土壤有機質(zhì)，提高土壤中有機碳的轉(zhuǎn)化速率，優(yōu)化土壤團聚體的結(jié)構(gòu)，進而改善根際微環(huán)境，促進根系向更深層次的伸展。研究表明，吲哚乙酸分泌細菌可提高根系長度 20%～30% ，而溶解酶類的分泌可使土壤有機質(zhì)的分解速率提高約 40% 。這些微生物代謝產(chǎn)物通過優(yōu)化根際環(huán)境，顯著促進了小麥根系的生長和營養(yǎng)吸收。

土壤微生物還通過影響小麥根系的碳氮代謝，優(yōu)化其生長策略。根際微生物能夠調(diào)節(jié)碳水化合物的分配，促進光合產(chǎn)物向根部的轉(zhuǎn)運，從而支持根系的持續(xù)生長。例如，根瘤菌屬等共生固氮菌通過增加根部糖代謝酶（如蔗糖合成酶和淀粉磷解酶）的活性，增強碳源的供應(yīng)，使根系更加健康有活力。氮素固定菌，如固氮阿佐螺菌屬，能夠?qū)⒋髿庵械牡獨廪D(zhuǎn)化為可吸收的銨態(tài)氮，進而提升根系的氮代謝水平，促進根細胞的蛋白質(zhì)合成和細胞分裂。相關(guān)結(jié)果表明，接種固氮微生物可使小麥根系的氮積累量提高 30%～ 50% ，從而提升根系對養(yǎng)分的利用效率，增強小麥的抗逆性和生產(chǎn)力。這些微生物借助優(yōu)化根系的代謝和養(yǎng)分獲取機制，為小麥提供了強有力的生長支持。

（三）土壤環(huán)境優(yōu)化機制

土壤微生物在改善土壤理化性質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用，特別是通過形成生物土壤團粒結(jié)構(gòu)來提高土壤通氣性，從而促進根系的生長。某些根際微生物，如芽孢桿菌屬和假單胞菌屬，能夠分泌胞外多糖和蛋白質(zhì)，這些分泌物將土壤顆粒結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)，進而提高土壤的孔隙度和水分保持能力。此外，微生物分泌的有機酸（如檸檬酸、蘋果酸）能夠與土壤礦物發(fā)生絡(luò)合作用，調(diào)節(jié)土壤pH，緩解酸堿失衡問題，并提高養(yǎng)分的可溶性和有效性。接種促生微生物可使土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高20%～40% ，并顯著改善土壤的pH調(diào)節(jié)能力，這有助于優(yōu)化根際環(huán)境，促進小麥根系的生長和提高其適應(yīng)能力。研究表明，這些改善措施能夠有效提高小麥在不同環(huán)境條件下的根系發(fā)育，進而促進作物的生長和產(chǎn)量。

在根際微生物組的優(yōu)化策略中，施用微生物菌劑和生物有機肥被認為是提升土壤生態(tài)功能的有效手段。微生物菌劑通常包含功能性菌株，如固氮菌、溶磷菌和解鉀菌，這些菌株能夠提高養(yǎng)分的利用率，增強根系對不良環(huán)境的適應(yīng)能力。此外，生物有機肥不僅為土壤提供豐富的有機質(zhì)，還能夠促進有益微生物的定殖，抑制土壤傳播的病原菌，增強根際的生態(tài)穩(wěn)定性。實驗數(shù)據(jù)顯示，長期施用生物有機肥可以提高根際有益微生物的比例為 30%～50% ，同時降低有害病原菌的相對豐度。這些改變有助于優(yōu)化土壤環(huán)境，提高小麥根系的健康水平和作物產(chǎn)量。因此，通過合理使用微生物菌劑和生物有機肥，可以顯著改善土攘生態(tài)功能，從而促進小麥的根系發(fā)育和提高作物的綜合產(chǎn)量。

（四）微生物群落演替對根系功能動態(tài)調(diào)控的影響

在小麥生長周期中，根際微生物群落結(jié)構(gòu)并非靜態(tài)存在，而是呈現(xiàn)動態(tài)演替的特征。這種群落的時空演替與小麥根系的生長發(fā)育階段密切相關(guān)。研究表明，在萌芽初期，促生菌和固氮菌等先鋒菌群快速定殖根際，提供初期營養(yǎng)支持；而在營養(yǎng)生長期，則以溶磷菌、解鉀菌及叢枝菌根真菌等功能型微生物為主，提高養(yǎng)分吸收效率；進入灌槳與成熟期，微生物群落趨于穩(wěn)定，有益拮抗菌增強病害防御能力。群落結(jié)構(gòu)的多樣性和功能的時序補位，構(gòu)成了一個動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)優(yōu)化小麥根系的功能狀態(tài)。這種基于演替規(guī)律的微生態(tài)調(diào)控機制，為實現(xiàn)作物全周期營養(yǎng)支持和逆境適應(yīng)提供了生態(tài)學支撐，也為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了微生物調(diào)控的理論基礎(chǔ)和實踐路徑。

四、結(jié)語

土壤微生物可通過根際信號傳導(dǎo)、代謝產(chǎn)物調(diào)控以及土壤環(huán)境優(yōu)化等多重機制，深刻影響小麥根系的生長發(fā)育。大量研究證實，有益微生物能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，刺激根系向更廣闊的空間延伸，增強根系對養(yǎng)分的吸收能力，同時提升植株的抗逆性能，進而顯著提高小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)。微生物與根系之間的相互作用，不僅增強了小麥對逆境環(huán)境的適應(yīng)能力，還優(yōu)化了水分和養(yǎng)分的利用效率。

展望未來，借助現(xiàn)代生物技術(shù)，科學開發(fā)與合理利用土壤微生物資源，進一步提升微生物菌劑的應(yīng)用效能，已成為保障小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵路徑。深入探究土壤微生物與小麥根系生長的分子作用機制，有助于優(yōu)化農(nóng)業(yè)微生物調(diào)控策略，為小麥種植提供更加精準、科學的管理方案。此類研究不僅為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，也為提升作物生產(chǎn)效率、推動生態(tài)環(huán)境保護提供了重要的科學依據(jù)。

作者簡介：馬云霞（1978—），女，河南宜陽人，大專，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣工作。