植物根際促生菌的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

張典利，孟 臻，亓文哲，喬 康

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，泰安 271018)

植物根系周?chē)幸粚颖”〉耐寥溃歉敌玛惔x的一個(gè)非常重要的區(qū)域，被稱(chēng)為根際。根際是指受植物根系生長(zhǎng)和活動(dòng)影響而物理、化學(xué)、生物特性發(fā)生變化的根系周?chē)寥?。在根際存在大量微生物，如細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和藻類(lèi)[1]，其中細(xì)菌最為豐富。植物通過(guò)化感作用增加微生物的生存壓力，來(lái)選擇對(duì)其生長(zhǎng)貢獻(xiàn)最大的細(xì)菌[2]。由于細(xì)菌是根際中最豐富的微生物，特別是考慮到它們?cè)诟慷ㄖ车母?jìng)爭(zhēng)力，很大程度上會(huì)影響植物的生理機(jī)能[3]。

定殖在根際的微生物可以根據(jù)它們對(duì)植物的影響以及它們與根的相互作用的方式分為兩類(lèi)，一些能夠使植物發(fā)病，而另一些對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。根際細(xì)菌能夠定殖在植物的根部，對(duì)植物生長(zhǎng)存在直接或間接的促進(jìn)作用，因此，生長(zhǎng)在植物根際并有利于植物生長(zhǎng)的細(xì)菌被稱(chēng)為植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)[4]。在過(guò)去的幾年中，已鑒定的可作為PGPR的細(xì)菌種類(lèi)大幅度增加，主要是因?yàn)楦H作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的作用在生物圈的運(yùn)作中已經(jīng)變得越來(lái)越重要。目前有幾種PGPR的生物菌劑逐漸被商業(yè)化，它們可通過(guò)一種或幾種機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)。大部分菌株具有顯著增加植株高度、根長(zhǎng)以及植物莖和根的干物質(zhì)的能力。PGPR可取代化肥，也能夠在農(nóng)業(yè)防治中作為生物防治劑以減少化學(xué)農(nóng)藥的使用。

1 植物根際促生菌

研究人員認(rèn)識(shí)到PGPR對(duì)于促進(jìn)植物生長(zhǎng)和增加作物產(chǎn)量具有積極作用。據(jù)報(bào)道，PGPR能夠促進(jìn)馬鈴薯、辣椒、番茄、茄子、黃瓜、甘藍(lán)和蘿卜的生長(zhǎng)并能提高它們的產(chǎn)量[5]。部分 PGPR產(chǎn)品已經(jīng)被商業(yè)化。然而，進(jìn)一步了解PGPR促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制將提高PGPR在實(shí)際生產(chǎn)中的促生效率[6]。PGPR可通過(guò)一系列機(jī)制影響作物的營(yíng)養(yǎng)吸收、生長(zhǎng)和產(chǎn)量。PGPR促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制包括直接促進(jìn)植物生長(zhǎng)和間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)。一些菌株通過(guò)模擬植物激素的合成來(lái)直接調(diào)節(jié)植物生理生長(zhǎng)，而另一些菌株增加土壤中的可利用礦物質(zhì)和氮素從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。這些PGPR可能表現(xiàn)出超過(guò)2種或3種促進(jìn)植物生長(zhǎng)機(jī)制[7]。PGPR對(duì)植物生長(zhǎng)的刺激效果受土壤營(yíng)養(yǎng)條件的影響，相對(duì)于在肥沃的土壤條件下，PGPR在營(yíng)養(yǎng)貧瘠的土壤中對(duì)植物生長(zhǎng)的刺激作用要好得多[8]。植物通過(guò)根系分泌物選擇和富集這些發(fā)揮重要作用的菌種，因此根際微生物群落的構(gòu)建取決于植物根系分泌物的性質(zhì)和濃度，并且根際促生菌能夠利用這些成分作為它們的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[9]。在植物根系、根圍土壤、根系表面和植物根系內(nèi)部的細(xì)菌是一個(gè)連續(xù)的整體，根際菌群具有從根系分泌物中攝取和分解有機(jī)化合物的能力[10]，通過(guò)附著于根表面從而有助于其獲得更多的有機(jī)物質(zhì)。PGPR通常被接種在植物根系以提高農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量，并降低化肥、農(nóng)藥的使用量[11]，從而降低生產(chǎn)成本，這有助于減少污染，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[12]。因此，植物根際促生菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

2 根際促生菌的作用機(jī)制

PGPR促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制可分為直接和間接作用機(jī)制。其中，直接作用是指PGPR可合成某些能夠影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)(如生長(zhǎng)素)或增加土壤中有效元素的含量(如氮、磷、鉀)；間接作用是指PGPR具有減輕或抑制植物病害的發(fā)生，如誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性或直接產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，在植物根系占據(jù)有利的生態(tài)位保護(hù)植物。

2.1 直接作用

2.1.1 固氮

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的必需元素，地球上大部分氮素都是通過(guò)生物固氮的形式轉(zhuǎn)化為生物可利用氮。生物固氮是指微生物將空氣中的游離態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨，再被植物吸收利用的過(guò)程。根據(jù)根系細(xì)菌的存在形式可將土壤中的固氮分為共生固氮和非共生固氮[13]。其中共生固氮大多專(zhuān)指根瘤菌，通過(guò)與豆科植物根系共生，在植物根部形成根瘤共生體，在利用植物根系分泌物的同時(shí)通過(guò)固氮作用為植物提供氮素。對(duì)于非豆科植物來(lái)說(shuō)，非共生固氮起主要的固氮作用。在根際土壤中也存在許多微生物雖然不與根系存在共生關(guān)系，也能夠通過(guò)固氮作用為植物提供一定的氮素營(yíng)養(yǎng)。根瘤菌能夠與豆科植物形成特異性的共生關(guān)系，侵染豆科植物根系后與之形成共生關(guān)系，形成結(jié)節(jié)或小瘤[14]；非共生固氮需要通過(guò)一種雙組分結(jié)構(gòu)的金屬酶(固氮酶復(fù)合體)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中固氮還原酶為鐵蛋白組分，提供的電子具有高還原力，將較高價(jià)態(tài)N2還原為低價(jià)態(tài)的NH3[15]。

2.1.2 解磷

磷(P)是僅次于氮的植物生長(zhǎng)必需養(yǎng)分，在植物糖類(lèi)代謝、蛋白質(zhì)代謝和脂肪代謝中起重要作用，是生物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)素。微生物能夠?qū)⑼寥乐胁蝗艿臒o(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化為可供植物利用的可溶性無(wú)機(jī)磷，一些微生物將不溶性磷轉(zhuǎn)化為易得形式的能力是PGPR提高植物產(chǎn)量的重要特性[16]。使用解磷菌作為接種劑會(huì)增加植物對(duì)磷的吸收。利用細(xì)菌增加植物根際可利用磷酸鹽的濃度可能是植物根際促生菌進(jìn)一步研究的方向[17]，對(duì)解磷菌的研究和開(kāi)發(fā)利用有助于滿(mǎn)足植物對(duì)磷素的需求。因此，近年來(lái)從植物根際土壤中篩選出高效解磷菌，用以轉(zhuǎn)化土壤中難溶性磷，減少化肥施用量，成為提高土壤磷利用率的研究熱點(diǎn)。解磷菌被認(rèn)為是有希望的生物肥料。

2.1.3 產(chǎn)生嗜鐵素

鐵是所有生物體必需的生長(zhǎng)因子。生物可利用的鐵在土壤中相對(duì)稀缺，在鐵限制條件下，PGPR產(chǎn)生嗜鐵素以競(jìng)爭(zhēng)性地獲取鐵離子[18]。嗜鐵素是微生物和部分作物在低鐵應(yīng)激條件下產(chǎn)生的一種能夠高效結(jié)合 Fe3+的低分子量有機(jī)化合物。嗜鐵素的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)通常在缺鐵的情況下高效表達(dá)，與 Fe3+結(jié)合能力非常強(qiáng)且具有特異性，能從各種水溶性和非水溶性的化合物中奪走Fe3+[19]。嗜鐵素可活化土壤中難溶的鐵，提高鐵的溶解性、移動(dòng)性和有效性，改善植物缺鐵性失綠。許多研究認(rèn)為微生物鐵載體與 Fe3+的螯合物可直接被植物吸收，并推測(cè)這種機(jī)理是植物抗鐵脅迫的第三機(jī)理[20]。其次是生物防治功能，PGPR分泌嗜鐵素是其控制真菌病害的一種主要機(jī)制，依靠高親和鐵的螯合體產(chǎn)物嗜鐵素與病原菌競(jìng)爭(zhēng)鐵離子，使得病原菌缺乏鐵元素而不能生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而達(dá)到控制植物病害的目的[21]。

2.1.4 產(chǎn)生植物生長(zhǎng)促生物質(zhì)

植物激素是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和生殖的化學(xué)信使，激素在低濃度下就調(diào)控植物的生長(zhǎng)。它們通常在植物的一個(gè)部分合成并被運(yùn)送到另一個(gè)地方發(fā)揮作用，它們與特定的靶組織相互作用以引起生理反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)通常是兩個(gè)或更多激素共同作用的結(jié)果。IAA(吲哚-3-乙酸)是植物激素的成員之一，通常被認(rèn)為是最重要的天然生長(zhǎng)素[22]。各種作物根際分離的微生物中，80%具有合成與釋放生長(zhǎng)素的能力[23]。根際細(xì)菌分泌的IAA可參與眾多植物的發(fā)育過(guò)程，植物內(nèi)源IAA庫(kù)也會(huì)因獲取土壤細(xì)菌分泌IAA而發(fā)生改變。此外，最近的一些報(bào)道表明，IAA也可以是細(xì)菌的信號(hào)分子，因此可以直接影響細(xì)菌的生理[24]。PGPR生成的IAA可能通過(guò)改變植物的生長(zhǎng)素庫(kù)來(lái)干預(yù)植物的生理過(guò)程，促進(jìn)根系表面積和根長(zhǎng)增加，更有效地吸收土壤養(yǎng)分；還可使植物細(xì)胞壁松弛滲出更多的根系分泌物，為PGPR提供一些額外的養(yǎng)分，互利共生[25]。

2.2 間接作用

2.2.1 誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性

病原體誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)抗性(ISR)是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，已經(jīng)深入研究了潛在的信號(hào)傳導(dǎo)途徑及其在植物保護(hù)中的潛在用途[26]。植物系統(tǒng)抗性由局部侵染誘發(fā)，植物響應(yīng)水楊酸(SA)依賴(lài)的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)真菌、細(xì)菌和病毒有效、廣譜和長(zhǎng)效抗病性的系統(tǒng)表達(dá)。SA在介導(dǎo)ISR的信號(hào)通路中具有重要作用，在感染后到ISR發(fā)生前，局部和全身內(nèi)源SA水平升高[27]。與誘導(dǎo)ISR的病原體相比，非致病性根際細(xì)菌誘導(dǎo)ISR依賴(lài)于乙烯和茉莉酸的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[28]。

2.2.2 產(chǎn)生氰化物

氰化物是具有毒性的化學(xué)物質(zhì)，雖然氰化物是一種常見(jiàn)的代謝抑制劑，但它被數(shù)百種生物體(包括細(xì)菌、藻類(lèi)、真菌、植物和昆蟲(chóng))合成和代謝，作為避免捕食或競(jìng)爭(zhēng)的手段。寄主植物通常不會(huì)受到產(chǎn)生氰化物菌株的不利影響，宿主特異性的根際細(xì)菌可以作為有害生物的控制劑[29]。氰化氫(HCN)的產(chǎn)生是根際土壤和植物根瘤中假單胞菌(88.89%)和芽孢桿菌(50%)的共同特征，是生物防治的代謝產(chǎn)物[30]。甘氨酸是HCN的碳前體，在無(wú)根土壤中產(chǎn)生的HCN水平通常隨著補(bǔ)充甘氨酸的量增加而增加，惡臭假單胞菌通常在給定的甘氨酸水平下會(huì)產(chǎn)生更多的HCN[31]。

2.2.3 營(yíng)養(yǎng)和生態(tài)位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)

PGPR還能通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)、小生境形成等機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)。競(jìng)爭(zhēng)作用是PGPR發(fā)揮作用的重要機(jī)制之一，PGPR通過(guò)在植物根際或植物體內(nèi)高密度定殖，與存在于同一微小環(huán)境中的微生物爭(zhēng)奪這一環(huán)境內(nèi)的氧氣、營(yíng)養(yǎng)、空間等。研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)只在少數(shù)菌株中存在。位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)指微生物在植物根際土壤中定殖，有效地阻止和干擾病原菌對(duì)植物的侵染，從而達(dá)到防病促生的作用[32]。

3 植物根際促生菌的應(yīng)用

3.1 固氮類(lèi)植物根際促生菌的應(yīng)用

從大氣層中固定氮素并富集于土壤的能力僅限于細(xì)菌和古細(xì)菌[33]，包括共生固氮(豆科植物中的根瘤菌和非豆科植物中的弗蘭克氏菌屬)，以及非共生固氮菌，如藍(lán)細(xì)菌、固氮螺菌屬、固氮菌屬、固氮弧菌屬等。

3.1.1 共生固氮

目前已知的共生固氮菌包括根瘤菌屬和弗蘭克氏菌屬。弗蘭克氏菌屬能在來(lái)自8個(gè)不同科的280多種植物上形成根瘤，但是它們的共生關(guān)系還不是很清楚。已知弗蘭克氏菌屬能夠與榿木屬和木麻黃屬形成有效共生關(guān)系[34]。當(dāng)根瘤菌以非特異性關(guān)系定殖于非豆科植物的根時(shí)，來(lái)自該屬的菌株可表現(xiàn)為植物根際促生菌。在田間條件下，與沒(méi)有接種根瘤菌的植物相比，接種根瘤菌會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)并且增加產(chǎn)量，接種根瘤菌后植物根系的根瘤數(shù)目顯著增多[35]。在印度進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，根據(jù)豆科植物、土壤和農(nóng)業(yè)氣候條件，接種根瘤菌可以節(jié)約近50%的氮肥，植物產(chǎn)量也有相當(dāng)大的增加[36]。在國(guó)內(nèi)，馬霞等研究發(fā)現(xiàn)，在苜蓿上接種一定量的根瘤菌能增加苜蓿的根瘤數(shù)量和根瘤重量，提高苜蓿的固氮效率和固氮量；提高地上部干重，促進(jìn)苜蓿的生長(zhǎng)，增加有效分枝數(shù)、莢果數(shù)并能夠提高種子產(chǎn)量[37]。增加根瘤菌能夠有效促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，增加豌豆的結(jié)瘤數(shù)，提高氮素吸收和干物質(zhì)積累[38]。此外，根瘤菌在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中也有重要地位[39]。在低溫地區(qū)，同時(shí)接種根瘤菌和PGPR可以提高根瘤的數(shù)量和質(zhì)量，增加結(jié)瘤干重，提高土壤養(yǎng)分利用率以及增加固氮酶活性，提高作物產(chǎn)量[40]。

3.1.2 非共生固氮

非共生固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有重要意義，一些重要的非共生固氮菌包括固氮弧菌屬、草螺菌屬、固氮菌屬、醋桿菌屬、節(jié)桿菌屬、固氮螺菌屬、氮單胞菌屬、芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬、假單胞菌屬和黃色桿菌屬[41]。固氮菌通常被認(rèn)為是一種自由生活的好氧氮固定微生物。國(guó)外對(duì)固氮菌的研究較早，有報(bào)告證明，固氮菌屬和固氮螺菌屬的應(yīng)用可以提高一年生和多年生牧草的產(chǎn)量[42]。在國(guó)內(nèi)固氮菌已經(jīng)應(yīng)用于多種作物，陳勝男等通過(guò)在玉米田接種固氮菌，顯著提高了玉米田土壤脲酶活性[43]；邢永秀等將固氮菌接種于甘蔗上，顯著提高了甘蔗的生長(zhǎng)量，對(duì)甘蔗有明顯的促生效果[44]；韓曉陽(yáng)等將高活性固氮菌接種到茶樹(shù)上，與未接種菌株的茶樹(shù)相比，處理后茶樹(shù)根、莖、葉的干重分別增加了 42%、58%、55%，新梢和根系的含氮量分別增加15%和6%[45]。固氮菌具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。自19世紀(jì)70年代，固氮螺菌屬菌株已被分離和使用[46]，固氮螺菌不是植物特異性菌株，對(duì)作物或雜草或一年生或多年生植物沒(méi)有偏好，并且可成功地應(yīng)用于在其根中以前沒(méi)有固氮螺菌屬的植物[47]。固氮螺菌屬菌株在微需氧條件下固氮，并且經(jīng)常應(yīng)用于農(nóng)業(yè)重要作物。

3.2 解磷植物根際促生菌的應(yīng)用

磷是生物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)素，在根際豐富的微生物中，解磷菌為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了一種生物技術(shù)解決方案，以滿(mǎn)足植物對(duì)磷的需求。最有效的解磷菌為細(xì)菌中的芽孢桿菌屬、根瘤菌屬和假單胞菌屬，真菌中的曲霉屬和青霉屬也有一定的解磷能力。林啟美等曾發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)芽孢桿菌具有優(yōu)良的解磷作用[48]。來(lái)自茶樹(shù)根際的巨大芽孢桿菌能夠溶解磷酸鹽，從而有助于促進(jìn)植物生長(zhǎng)[49]。方華舟等將解磷菌接種到水稻，能顯著增加土壤中可利用磷鉀量，水稻株高、鮮重、干重也顯著高于不接種菌株的處理[50]。從煙草根際土中分離出解磷菌，并用分離的菌株驗(yàn)證對(duì)煙草的促生效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用解磷菌后能顯著增加土壤中有效磷的含量，接種解磷菌后煙草株高、鮮重、干重及煙葉中的磷含量都高于對(duì)照，說(shuō)明解磷菌可通過(guò)增加土壤中的有效磷含量來(lái)促進(jìn)煙草的生長(zhǎng)[51]。除了能夠向植物提供磷之外，這些根際促生菌還通過(guò)其他機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

3.3 產(chǎn)嗜鐵素植物根際促生菌的應(yīng)用

鐵是所有生物體必需的生長(zhǎng)因子，植物缺鐵容易造成葉片發(fā)黃，導(dǎo)致缺鐵性失綠。通過(guò)16S rRNA分析鑒定發(fā)現(xiàn)大部分能夠產(chǎn)嗜鐵素的菌株屬于假單胞菌屬和腸桿菌屬的革蘭氏陰性菌，而芽孢桿菌屬和紅球菌屬是產(chǎn)生鐵載體的革蘭氏陽(yáng)性菌[52]。嗜鐵素功能多樣，具有生物防治、致毒、植物營(yíng)養(yǎng)、載體功能等[53]。劉艷萍等從大棚蔬菜根際土中分離到產(chǎn)嗜鐵素的惡臭假單胞菌，并在黃瓜上驗(yàn)證其促生功能，使用含有嗜鐵素的發(fā)酵液能顯著增加黃瓜幼苗的株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、鮮重及葉綠素含量，這表明惡臭假單胞菌產(chǎn)生的嗜鐵素在低鐵條件下對(duì)黃瓜幼苗具有促生作用[54]。來(lái)自茶樹(shù)根際的巨大芽孢桿菌能產(chǎn)生鐵載體，從而有助于促進(jìn)植物生長(zhǎng)[55]。嗜鐵素對(duì)病原菌也有一定的抑制作用，陳旋等研究發(fā)現(xiàn)嗜鐵素對(duì)板栗疫病病菌的生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)具有抑制作用[56]，冉隆賢證明熒光假單胞菌能夠防治桉樹(shù)灰霉病部分原因是熒光假單胞菌能分泌嗜鐵素[57]。余賢美等報(bào)道，嗜鐵素在促進(jìn)植物生長(zhǎng)及病害防治方面都起著重要的作用[58]。

3.4 產(chǎn)植物促生物質(zhì)的植物根際促生菌的應(yīng)用

生長(zhǎng)素(IAA)具有促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)、誘導(dǎo)維管束分化、調(diào)控根的分化形成、促進(jìn)果實(shí)發(fā)育等功能，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育極其重要。產(chǎn)生IAA的菌株對(duì)植物生長(zhǎng)具有刺激作用，當(dāng)植物接種能產(chǎn)生IAA的菌株時(shí)，植物對(duì)N、P、K、Ca和Mg的吸收增加從而植物生長(zhǎng)被促進(jìn)[59]。從豇豆根瘤中分離出的根瘤菌可產(chǎn)生高濃度的IAA[60]，試驗(yàn)表明，在小麥田中接種產(chǎn)IAA的根瘤菌可以促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)[61]。事實(shí)上，多種生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和赤霉素在植物根際促生菌中都可以被檢測(cè)到[62]，其中生長(zhǎng)素的數(shù)量對(duì)產(chǎn)量最重要[63]。巴西固氮螺菌屬菌株能在營(yíng)養(yǎng)脅迫下觸發(fā)IAA積累，并有益地影響高粱的生長(zhǎng)，此外它還具有促進(jìn)綠豆、玉米、小麥等其他一些植物生長(zhǎng)的能力[64]。馬驄毓等從黃芪根際土中分離得到具有分泌IAA能力的菌株，并證明可用于中藥種植中[65]。趙柏霞等分離的產(chǎn)IAA根際促生菌為甜櫻桃增產(chǎn)及生物菌肥開(kāi)發(fā)提供了重要菌株資源[66]。

3.5 具生防作用的植物根際促生菌的應(yīng)用

PGPR在植物病原菌的生物防治中起重要作用，可以廣泛抑制細(xì)菌、真菌和病原線(xiàn)蟲(chóng)，也可以保護(hù)植物免受病毒的危害，在防病方面PGPR已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。假單胞菌具有許多特性，非常適合作為生物防治和生長(zhǎng)促進(jìn)劑[67]。這些特性包括⑴ 室內(nèi)培養(yǎng)條件下快速生長(zhǎng)和批量生產(chǎn)的能力，⑵能夠利用種子和根分泌物，⑶ 在根際和大氣環(huán)境中以及在植物內(nèi)部定殖并繁殖，⑷ 產(chǎn)生廣譜的生物活性代謝物，⑸ 與其他微生物競(jìng)爭(zhēng)激烈，⑹ 適應(yīng)環(huán)境壓力[68]。假單胞菌作為生物防治劑的主要弱點(diǎn)是它們不能產(chǎn)生休眠孢子(如芽孢桿菌屬)，這使得用于商業(yè)用途的細(xì)菌的配制復(fù)雜化。熒光假單胞菌屬通過(guò)有效抑制土傳植物病原菌促進(jìn)植物生長(zhǎng)已經(jīng)被研究了幾十年，它們產(chǎn)生各種抗生素、幾丁質(zhì)分解酶、生長(zhǎng)促進(jìn)激素、鐵載體、HCN和過(guò)氧化氫酶，并能溶解磷等，通過(guò)多種途徑促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[69-70]。熒光假單胞菌對(duì)蘋(píng)果病原菌具有顯著抑制作用，在田間對(duì)蘋(píng)果再植病害具有良好的防控效果，連續(xù)處理 4年的蘋(píng)果樹(shù)平均單株產(chǎn)量提高 139.46%，且消除了再植病害癥狀[71]。芽孢桿菌在土壤中普遍存在，其宿主范圍廣泛，能形成內(nèi)生孢子和產(chǎn)生具有廣譜活性的化合物，故被認(rèn)為是一種強(qiáng)有力的生物防治劑[72]。來(lái)自茶樹(shù)根際的巨大芽孢桿菌能夠產(chǎn)生抗真菌代謝產(chǎn)物，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抑制植物病害[55]。蘇云金芽孢桿菌和球形芽孢桿菌有助于控制鱗翅目害蟲(chóng)[73]。多黏類(lèi)芽孢桿菌對(duì)植物沒(méi)有致病性，某些菌株可產(chǎn)生如抗生素、拮抗蛋白、酶等多種生物活性物質(zhì)，在植物病害防治方面具有誘人的應(yīng)用前景[74]。芽孢桿菌對(duì)植物病原線(xiàn)蟲(chóng)有較好的防效，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在番茄上接種多黏芽孢桿菌、B697菌株、巨大芽孢桿菌和A135菌株對(duì)南方根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的防效分別達(dá)65.4%、68.2%、53.8%和53.8%[75]。

3.6 根際促生菌在脅迫條件下的作用

農(nóng)作物總是遭受許多生物和非生物因素脅迫，這些脅迫降低作物的產(chǎn)量，并且成為將作物引入不適合作物種植地區(qū)的障礙。非生物脅迫因素包括高溫、低溫、鹽度、干旱、洪水、紫外線(xiàn)、空氣污染(臭氧)和重金屬。PGPR使植物可以更好地抵御不利環(huán)境條件的脅迫[76]。室內(nèi)盆栽試驗(yàn)表明，接種具有產(chǎn)ACC脫氨酶活性的PGPR，能夠有效緩解棉苗所受的鹽脅迫，使棉花種子的萌發(fā)率提高185%，提高棉花的滲透調(diào)節(jié)能力，降低脅迫對(duì)棉花的傷害，同時(shí)棉花葉片的光合能力和根系活力也都優(yōu)于無(wú)菌處理[77]。PGPR能夠減緩重金屬離子對(duì)植物的毒性，還能夠改變重金屬的形態(tài)和遷移率，并通過(guò)分泌鐵載體、有機(jī)酸、生物表面活性劑、植物激素等，直接或者間接地促進(jìn)植物生長(zhǎng)和增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的抗性，在植物修復(fù)土壤重金屬污染過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[78]。接種PGPR菌株能顯著提高黑麥草地上部生物量，而葉片的膜脂過(guò)氧化水平則顯著降低，接種耐鎘根際促生菌株可顯著促進(jìn)鎘脅迫下黑麥草幼苗生長(zhǎng)[79]。在干旱脅迫條件下，接種蠟質(zhì)芽孢桿菌可顯著增加抗氧化酶活性，不同程度地提高側(cè)柏生長(zhǎng)素、赤霉素和玉米素的含量，顯著增加側(cè)柏干物質(zhì)積累[80]。低溫條件下多黏類(lèi)芽孢桿菌能夠提高黃瓜生長(zhǎng)量及SOD、POD和CAT活性，提高植株耐冷性[81]。

4 結(jié) 論

植物根際促生菌(PGPR)在根際、根表或與根結(jié)合在一起可以直接或間接促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。在過(guò)去的幾十年中，大量的細(xì)菌，包括假單胞菌屬、固氮螺菌屬、固氮菌屬、克雷伯菌屬、腸桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、節(jié)桿菌屬和芽孢桿菌屬等都被證實(shí)有促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用。PGPR要直接促進(jìn)植物生長(zhǎng)需要為植物提供由細(xì)菌合成的植物生長(zhǎng)促進(jìn)物質(zhì)或促進(jìn)植物對(duì)環(huán)境中某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；當(dāng)PGPR防止一種或多種植物病原微生物的侵害時(shí)，間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)。PGPR促進(jìn)植物生長(zhǎng)的確切機(jī)制尚不完全清楚，但被認(rèn)為包括⑴ 能夠產(chǎn)生植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑如吲哚乙酸、赤霉酸、細(xì)胞分裂素，⑵ 氮素的固定，⑶ 產(chǎn)生鐵載體、抗生素和氰化物，⑷ 對(duì)礦物磷酸鹽和其他營(yíng)養(yǎng)素的溶解，⑸ 對(duì)植物病原微生物的拮抗作用。除此之外，植物根際促生菌必須能夠在根際土壤中生存和定殖，但PGPR和植物之間的相互作用可能不穩(wěn)定，盆栽試驗(yàn)結(jié)果良好不代表能夠在田間使用。PGPR性能可能受環(huán)境變化的影響，其所具有的促生功能也可受到影響，為了使PGPR與作物之間的相互作用最大化，有必要在當(dāng)?shù)卮筇飾l件下篩選開(kāi)發(fā)高效菌株。一種可能的方法是在特定的條件下篩選功能菌株，并使其適應(yīng)特定的土壤環(huán)境。在篩選優(yōu)良功能PGPR基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適用于不同作物、不同地區(qū)的專(zhuān)用型PGPR制劑，是PGPR制劑研究和開(kāi)發(fā)的方向和目標(biāo)，也是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)和推動(dòng)力。