植物根際微生物研究及其在桑樹上的利用

于 翠，胡興明*，鄧 文，葉楚華

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，湖北武漢430064）

根際（rhizosphere）是受植物活根影響的土壤微區(qū)，是土壤微生物活性特別旺盛的區(qū)域。桑樹為多年生葉用植物，由于每年剪伐和一年多次采葉養(yǎng)蠶，需要從土壤中攝取大量營養(yǎng)元素，才能正常生長發(fā)育，根系和根際微生物的生理活動對土壤性狀、植物養(yǎng)分吸收和植物生長發(fā)育都具有明顯的影響，在長期的生長過程中，根系-土壤-微生物間形成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，三者相互作用，相互影響，為土壤微生物提供充足的營養(yǎng)和能量，促進(jìn)土壤微生物活動，反之土壤微生物旺盛的活動加速了土壤養(yǎng)分的活化，通過改善根系周圍土壤環(huán)境等方式影響植物根系對養(yǎng)分的吸收利用，間接影響植株的生長發(fā)育。植物的生長發(fā)育、對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和病蟲害的防治以及抗逆性與根際微生物關(guān)系密切[1～3]。

1 植物根際微生物研究現(xiàn)狀

早在19世紀(jì)中期，由于細(xì)菌學(xué)的誕生，導(dǎo)致了植物病理學(xué)和土壤微生物學(xué)等新學(xué)科的創(chuàng)立。迄今，根際微生物的研究已有100多年的歷史，但我國起步較晚。近年來，諸多研究者對不同植物根際微生物的種類、數(shù)量、種群動態(tài)、活性、生理特點(diǎn)和營養(yǎng)要求等進(jìn)行了研究[1～6]。但大部分根際微生物的作用機(jī)理尚不清楚。深入理解根際微生物生化過程和植物-微生物相互作用的機(jī)理仍然是根際微生物工作所面臨的重大挑戰(zhàn)。

1.1 根際微生物的多樣性

植物根際聚居著大量的微生物，主要包括細(xì)菌、放線菌、真菌。前人已對水稻、大豆、玉米、小麥等農(nóng)作物；烤煙、棉花、油菜、番茄、黃瓜、辣椒、桑樹、茶樹等經(jīng)濟(jì)作物；柑橘、蘋果、甜櫻桃等果樹；杉木、紅柳、沙拐棗、尾葉桉、杜鵑林、格氏栲等林木大約100多種植物根際微生物進(jìn)行了研究報道[1～15]。但因影響植物根際微生物的因素很多，不同研究人員對不同植物根際微生物的數(shù)量報道有差異，甚至對相同植物根際微生物數(shù)量的研究報道也有差異。

1.2 根際微生物的作用及其應(yīng)用

植物根際中有益微生物的生理活動對土壤理化性狀、植物養(yǎng)分吸收、植物生長發(fā)育及植物病源微生物等均具有明顯影響[16～19]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，充分利用這些微生物的生物學(xué)潛力將有助于改善根際微生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)植物生長、抑制或減輕植物病害、減少化肥和農(nóng)藥投入、減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。有關(guān)此方面的研究日益受到重視[2，8，10，20，21，22，23]。

在植物根際存在的能生產(chǎn)植物生長激素直接促進(jìn)植物生長的細(xì)菌和通過對病原菌的生物防治間接促進(jìn)植物生長的生防細(xì)菌統(tǒng)稱植物根際促生細(xì)菌（Plant growth-promoting rhizobactoria），簡稱PGPR。對PGPR的研究，最初是從Azotobacter開始的。20世紀(jì)30年代初，人們對Azotobacter的興趣主要在于它們的固氮能力，后來發(fā)現(xiàn)將它接種于植物種子或根部，能促進(jìn)植物生長和提高產(chǎn)量?，F(xiàn)在已經(jīng)十分明確，Azotobacter的促生作用是由它產(chǎn)生的生理活性物質(zhì)引起的，包括吲哚類、赤霉素類、激動素類等生物刺激素和多種維生素物質(zhì)。到了20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)的土壤生物學(xué)家曾熱衷于對這類細(xì)菌的研究，并把它們作為菌劑，用于拌種，以促進(jìn)植物的生長。但由于田間效果不穩(wěn)定或不顯著，這項(xiàng)研究逐漸冷淡了下來。近年來，這一領(lǐng)域再次出現(xiàn)了一個研究熱潮，大多研究集中于PGPR的防病促生潛能上，如防治幼苗立枯病、枯萎病、猝倒病、莖腐病和根腐病等[19～24]。據(jù)不完全統(tǒng)計，有20多個屬的PGPR具有防病促生潛能。熒光假單孢菌（Fluorescent Pseudomonas）的一些基因型是最常見的生防細(xì)菌，它們能生產(chǎn)抗生素氰化氫（hydrogen cyanide，HCN）和 2，4-二乙?；冱S酚（2，4-diacetylphloroglucinol，Phl），對許多病原菌有抑制作用[24]。

固氮細(xì)菌能將大氣N2轉(zhuǎn)變成氨態(tài)氮，是重要的PGPR。固氮細(xì)菌可分成共生固氮菌和非共生固氮菌。20世紀(jì)70年代初，自巴西學(xué)者報道了從雀稗根面分離到活性強(qiáng)的固氮菌以來，根際聯(lián)合固氮菌引起國內(nèi)外許多研究者的極大興趣，對水稻、小麥、玉米、高粱、甘蔗、棉花，及一些樹種如桉樹、楊樹、茶樹等進(jìn)行了研究[25，26]。Lifshitz等[27]用一個能固氮的Pseudomonas putida的菌株（GR12-2）接種油菜種子，非常顯著地促進(jìn)了油菜根的伸長。

近年來，國內(nèi)外研究者還應(yīng)用單一或組合有益微生物制成菌劑，作為生物肥料或生物農(nóng)藥施入作物根際，為根際引進(jìn)和富集這些有益的種類，并發(fā)揮它們促進(jìn)植物生長發(fā)育和抑制病菌的作用，獲得增產(chǎn)和防病的效果[28]。增產(chǎn)菌的應(yīng)用就是其中一例。對植物根際解磷細(xì)菌、固氮細(xì)菌、消化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌的研究近年也有起步，許多學(xué)者已從多種作物根際分離出了這些菌株并進(jìn)行了初步研究[2，8，10，14，25]，但對其機(jī)理尚未進(jìn)行深入研究。

根據(jù)上面介紹的一些實(shí)例可以看出，PGPR在植物的根際普遍存在，應(yīng)用某些優(yōu)良菌種促進(jìn)植物生長的試驗(yàn)也獲得了不少好的結(jié)果，但這些試驗(yàn)多在人工控制的條件下進(jìn)行，真正應(yīng)用于大田生產(chǎn)的效果卻很不穩(wěn)定或無效果。其原因在于接種的菌株未能在植物根際存活或繼續(xù)生長繁殖。因此，要想使PGPR在生產(chǎn)中穩(wěn)定、有效地發(fā)揮其作用，必須在這方面加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究，深入地了解PGPR的作用機(jī)理及各種環(huán)境因子對它們的影響，并通過各種技術(shù)措施調(diào)控外界環(huán)境，滿足它們的要求，才能使這類有益的細(xì)菌持續(xù)有效地在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。

2 桑樹根際微生物的研究現(xiàn)狀

我國桑樹資源豐富，廣泛分布于全國各地，為蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的物質(zhì)保障。桑樹為多年生作物，長期定植于同一位點(diǎn)，其生長發(fā)育與土壤微生物，尤其是根際土壤微生物有密切的關(guān)系。吳凡等[9]對不同肥力條件下桑樹根際微生物種群分析的研究表明，肥沃土壤根際細(xì)菌和放線菌的數(shù)量均高于貧瘠土壤，而真菌數(shù)量低于貧瘠土壤；相同肥力條件下，三類促生細(xì)菌中溶磷細(xì)菌的數(shù)量最多，其次是硅酸鹽細(xì)菌，固氮細(xì)菌的數(shù)量最少。

PGPR中的固氮菌和解磷細(xì)菌可通過固氮作用和促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)（如磷）的溶解等方式促進(jìn)植物生長。吳凡等[8]對桑樹根際解磷細(xì)菌進(jìn)行分離鑒定并對解磷能力進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，桑樹根際分離獲得32個具有解磷能力的細(xì)菌分離物，經(jīng)rep-PCR基因指紋分析得到19株解磷細(xì)菌。經(jīng)解磷能力測定，11株菌株的解磷能力較強(qiáng)，分別為假單胞菌屬（Pseudom onas sp.）、貪噬菌屬（Variovorax sp.）和根瘤菌屬（Rhizobium sp.）。吳凡等[10]也對桑樹根際固氮細(xì)菌進(jìn)行分離鑒定并對固氮酶活力進(jìn)行測定，結(jié)果表明，桑樹根際分離獲得24個具有固氮能力的細(xì)菌分離株，經(jīng)固氮酶活性測定，3株菌株具有較強(qiáng)的固氮酶活性，分別為中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium sp.）、假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）和土壤桿菌屬（Agrobacterium sp.）。以上研究只是對桑樹根際高效解磷與固氮細(xì)菌進(jìn)行分離鑒定，并沒有對這些有益細(xì)菌施于土壤后的活動規(guī)律、繁殖特點(diǎn)和消長動態(tài)以及解磷作用的發(fā)揮條件和影響因素進(jìn)行研究，繼續(xù)研究此項(xiàng)工作能更好地挖掘微生物的解磷、固氮潛能。通過開發(fā)高效微生物肥料，對減少化學(xué)肥料的使用、提高土壤中養(yǎng)分的含量、改善土壤環(huán)境、降低環(huán)境污染、提高桑樹生產(chǎn)力以及促進(jìn)蠶桑產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有積極作用。

3 桑樹根際微生物的利用前景

自1904年“根際”一詞提出以來，因根際對植物營養(yǎng)、生長發(fā)育和病理等方面的研究有極為重要的意義而受到全世界的廣泛重視。作為多年生植物，桑樹生產(chǎn)中缺素癥、化肥施用量過多、環(huán)境污染等問題的解決都與根際微生物的研究密切相關(guān)。但是由于桑樹根系較龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)操作不便，對其根際微域環(huán)境的報道相對較少，研究多集中在小麥、大麥、燕麥、玉米等淺根性的一年生的農(nóng)作物上。近年來，隨著化學(xué)肥料所帶來的土質(zhì)下降、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題日益突出，桑樹根際微生物資源逐漸受到重視。桑樹根際微生物的深入研究將為蠶桑產(chǎn)業(yè)向縱深發(fā)展帶來新的機(jī)遇，提出新的挑戰(zhàn)。

3.1 桑樹根際微生物在生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國目前的桑園面積約81萬hm2。桑園肥培管理不但關(guān)系到桑葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且影響到養(yǎng)蠶成績的好壞。在蠶業(yè)生產(chǎn)上，桑園過量施用化肥尤其是過量施用氮肥的現(xiàn)象比較普遍，造成了桑園土壤中的磷素水平下降較快，桑園土壤有機(jī)質(zhì)降低，土壤理化性狀惡化及肥力下降，同時也在一定程度上污染了環(huán)境。利用PGPR是解決上述問題的有效途徑之一。

PGPR能夠促進(jìn)植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和利用，或者產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的代謝物，甚至抑制有害微生物。深入研究桑樹根際微生物，篩選出具有促生生防功能的桑樹促生菌，并施放活菌制劑于健康桑樹幼苗，或已感染特定病原微生物的桑樹，能建立或恢復(fù)桑樹的微生態(tài)平衡，促進(jìn)桑樹的健康成長。相比化學(xué)肥料及農(nóng)藥單純的促長和抑病，及其所造成的極大的環(huán)境壓力，桑樹根際促生菌更環(huán)保，更有利于增強(qiáng)桑樹自身的抗逆性。如固氮菌資源則是利用生物固氮減少化肥使用量的有效途徑之一[25]；另外，解磷菌或溶磷菌能夠?qū)⒅参镫y以吸收利用的難溶性或不溶性磷轉(zhuǎn)化為可利用的形態(tài)，還能夠吸附植物根際周圍的鋅、銅、硒等微量元素，改善植物營養(yǎng)，分泌生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，促進(jìn)根系生長等[29]。所以尋找新的固氮及溶磷細(xì)菌等根際微生物資源，增加氮素和磷素及其它營養(yǎng)元素的供應(yīng)水平，促進(jìn)桑樹健康的生長，對保護(hù)環(huán)境、發(fā)展可持續(xù)性綠色蠶業(yè)具有重要意義。

另外，由于長期使用化肥和農(nóng)藥，以及一些工廠廢氣、廢水、廢渣的不規(guī)則排放，使得土壤中的有機(jī)、無機(jī)污染物日益增多，降低土壤肥力，抑制植物生長甚至毒害植物使之死亡。新研究發(fā)現(xiàn)，許多PGPR類群能降解無機(jī)、有機(jī)污染物，減輕污染物對植物的毒害，為植物的生長提供一個良好的生態(tài)環(huán)境。

3.2 桑樹根際微生物的應(yīng)用形式

隨著資源的枯竭，微生物被認(rèn)為是地球上最大的、未被充分認(rèn)識和開發(fā)的生物資源。微生物作為一種寶貴的資源，它與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系十分密切，它在土壤肥力的提高與保持、營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化、抑制植物病害、環(huán)境凈化與生態(tài)系統(tǒng)的平衡等方面起著極其重要的作用。因此，加強(qiáng)以微生物肥料、微生物農(nóng)藥、微生物食品、微生物飼料、環(huán)境激素和環(huán)境工程微生物等為核心的農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)利用將具有廣闊的應(yīng)用前景。桑樹作為重要的中藥材，含有多種藥物成分，相關(guān)研究期待能篩選出特定的桑樹根際微生物，其能產(chǎn)生與桑樹相同或相似的次生代謝產(chǎn)物。同時，利用微生物代謝時間短、活性物質(zhì)生產(chǎn)條件易控、分離純化更為容易等優(yōu)勢，為活性成分的大規(guī)模生產(chǎn)提供新的可能。桑樹根際微生物相關(guān)研究的深入開展將可能為新藥的研究和開發(fā)帶來新的契機(jī)。

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