龍眼根際微生物多樣性研究進(jìn)展

鄧左奇，李英杰，劉 珂，羅雪峰，楊曉紅*

（1 南方山地園藝學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西南大學(xué)農(nóng)學(xué)部園藝園林學(xué)院 400716；2 重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

根際是指植物根系周圍，受到根系分泌物影響的狹小土壤區(qū)域，其理化特性以及生物學(xué)活性明顯不同于原土體[1]。根際微生物生活在根際范圍，主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類、原生動(dòng)物等，其種群組成和數(shù)量變化可反映土壤質(zhì)量的優(yōu)劣和肥力水平的高低[2]，與植物的生長發(fā)育密切相關(guān)。

龍眼（Dimocarpus longan Lour.）屬無患子科龍眼屬植物，是我國南方重要的經(jīng)濟(jì)果樹之一，其果實(shí)營養(yǎng)豐富，口感美味，深受人們喜愛。我國是龍眼的原產(chǎn)地和主產(chǎn)國，具有豐富的龍眼種質(zhì)資源，但在龍眼生產(chǎn)上存在著大小年、產(chǎn)量低和品種良莠不齊等問題，限制了龍眼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。大量研究證明，根際微生物對(duì)果樹的植物營養(yǎng)、生長發(fā)育和病理等方面有著重要作用[4]。通過綜述根際微生物多樣性、植物和微生物間的相互作用，以及栽培過程中龍眼施肥條件、間作模式、藥劑噴施對(duì)根際微生物的影響，指出了龍眼根際微生物的研究前景，以期從根際微生物的角度對(duì)龍眼栽培作出指導(dǎo)，解決生產(chǎn)上的難題。

1 根際微生物多樣性

土壤微生物多樣性指生命體在遺傳、種類和生態(tài)系統(tǒng)層次上的變化，通常以土壤生物區(qū)系的變化和生物化學(xué)過程間的相互作用關(guān)系來反映[5]。目前關(guān)于土壤微生物多樣性的研究，主要集中在物種多樣性、遺傳多樣性以及群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性上。

從物種上看，根際微生物種類豐富，數(shù)量巨大，據(jù)報(bào)道，在距離根系1～2mm 處的根際微生物數(shù)量可達(dá)1×l09/cm3，是根際外土壤微生物的幾倍甚至幾十倍[6]。其中，細(xì)菌的數(shù)量最多，占到了1/2，其次是放線菌，真菌的數(shù)量最少，但由于研究對(duì)象和地區(qū)的差異，也有報(bào)道真菌數(shù)量大于放線菌的。由于不同的微生物喜好的環(huán)境不同，所以環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致微生物的種類發(fā)生一定的變化。細(xì)菌分布極廣，適應(yīng)能力強(qiáng)，喜歡溫暖潮濕的環(huán)境；真菌喜歡有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤，一般在微酸性至中性的土壤中生長良好；放線菌喜歡中性至微堿性的疏松土壤。

從群落上看，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)受到土壤的組成和性質(zhì)[7]，所在地的氣候條件[8]，以及周圍植物的類型和生長狀態(tài)[9]等多方面的影響。由于結(jié)構(gòu)決定功能，故微生物群落功能的也會(huì)受到直接或間接的影響，從而表現(xiàn)出微生物群落和功能上的多樣性。如，Mateos-Rivera 等證明微生物群落的組成和多樣性與土壤表面溫度和土壤年齡有關(guān)[10]；Sheik 等發(fā)現(xiàn)全球氣溫升高和降雨模式的改變對(duì)土壤微生物群落及功能有著巨大影響[11]。

土壤——植物——微生物三者構(gòu)成一體，相互作用，相互影響，對(duì)維持地球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要意義。土壤的性質(zhì)、植物的種類、生長年齡和生命活動(dòng)都會(huì)影響根際微生物的生理代謝，從而影響其數(shù)量和種類；而根際微生物的多樣性也對(duì)土壤的生物化學(xué)活性、養(yǎng)分的組成與轉(zhuǎn)化、植物的生長發(fā)育、抗脅迫能力有直接影響[12]。因此，研究根際微生物多樣性對(duì)監(jiān)測(cè)土壤健康，栽培高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物，特別是解除作物的連作障礙和提高抗性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 根際微生物與植物的相互作用

2.1 植物對(duì)根際微生物的影響

植物對(duì)根際微生物的多樣性有著重要的影響作用，主要是通過植物根系的結(jié)構(gòu)，以及生長過程中產(chǎn)生的根系分泌物（root exudates）來影響根際微生物的生長和繁殖。根系分泌物是指植物在生長過程中其根系通過各種方式向周圍環(huán)境釋放的各種有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)[5]，主要包括糖、蛋白質(zhì)、凝膠、酶等大分子物質(zhì)，酸、酚、酮等小分子物質(zhì)，以及黃酮類、甾醇類物質(zhì)和生長因子等[13]。根系分泌物通過不同的pH 和氧化還原電位等因素直接影響著根際微生物群落的形成[14]，而植物的類型、生長發(fā)育階段和生長狀況等因素又影響著根際分泌物的數(shù)量與種類，進(jìn)而間接地影響著根際微生物群落形成。

Berg 等認(rèn)為植物種類和土壤類型的共同作用導(dǎo)致了根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的差異[15]，特別是在特殊生境條件下，植物的種類是導(dǎo)致根際微生物結(jié)構(gòu)和功能變化的主要原因[16]。植物的類型，包括不同種類的植物，同一種類的不同品種，相同品種的不同基因型之間的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)都有一定的差異。如，李強(qiáng)等證明不同品種的烤煙，盡管根際微生物種類和優(yōu)勢(shì)種群數(shù)量并無差異，但微生物種群的分布情況存在顯著差異[17]。呂保玉等發(fā)現(xiàn)同一品種不同基因型的2 種蕹菜間，根際微生物與非根際微生物之間都存在極顯著差異[18]。

許多研究都已證明，根際微生物的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)與植物生長發(fā)育階段密切相關(guān)，一般來說，成熟期植物的微生物數(shù)量和豐度要高于幼苗期和衰老期。如，胡元森等利用PCR-DGGE 技術(shù)對(duì)不同生育時(shí)期的黃瓜進(jìn)行了根際微生物分析，發(fā)現(xiàn)黃瓜根際微生物的數(shù)量一般是從栽種時(shí)開始升高，生殖生長階段達(dá)到最高峰，生長后期開始下降[19]。劉欣等研究證明：大豆根際微生物在不同生育期有著明顯變化，成熟期大豆的土壤中，細(xì)菌豐富度和多樣性指數(shù)均明顯高于苗期[20]。

2.2 根際微生物對(duì)植物的影響

根際微生物又分為根際有害微生物（deleterious rhizosphere bacteria，DRB） 和根際有益微生物（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR），它們對(duì)植物的影響具有兩面性。根際有害微生物主要包括病原真菌、病毒、細(xì)菌和線蟲，其中主要作用的是病原真菌和線蟲兩大類群[21]。由于根際微生物對(duì)植物的影響往往限于根或幼苗發(fā)育不良，生長緩慢，而不產(chǎn)生其它癥狀，對(duì)它們?cè)谥参锊『χ械淖饔煤茈y定性描述[22]。根際有益生物對(duì)植物的影響是多方面的，可以通過促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收而促進(jìn)植物的生長發(fā)育，增加對(duì)病蟲害的抵抗能力，還可以提高對(duì)環(huán)境脅迫的抗逆性。此外，由于土壤微生物作為物質(zhì)循環(huán)中的分解者，可以幫助分解土壤中的有機(jī)污染和重金屬污染，目前研究植物——微生物系統(tǒng)以解決土壤污染問題已成為一大熱點(diǎn)。

根際微生物可以促進(jìn)植物的生長，有利于提高作物的產(chǎn)量。如固氮菌能幫助植物生物固氮，有利于吸收氮元素，采用盆栽試驗(yàn)，在花生中接種了不同根瘤菌，發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌可促進(jìn)植株的生長，提高葉面積指數(shù)，增加產(chǎn)量，不同種類的根瘤菌作用的效果有差異[23]。段灝等選取了3 種濕生植物分別接種了3 種不同的叢枝菌根（AM），發(fā)現(xiàn)AM 可促進(jìn)植物氮磷的吸收，并篩選出了3 組AM 真菌-植物的最佳組合[24]。此外，根際微生物還與土壤作用，可分解難溶性礦物質(zhì)，促進(jìn)土壤中有機(jī)物形成腐殖酸，從而為植物生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。

關(guān)于利用根際微生物來提高植物抗性的研究已在大豆[14]、棉花[25]、茄子[26]、番茄[27-28]等多種作物中均有報(bào)道。大量研究表明，根際微生物可調(diào)節(jié)根際微環(huán)境，促進(jìn)根系發(fā)育，提高植物的抗病性及抗逆性，對(duì)改善由于全球氣候變化導(dǎo)致的作物環(huán)境適應(yīng)能力下降、病蟲害加劇、品質(zhì)和產(chǎn)量下降等難題具有廣闊應(yīng)用前景。例如，Yang 等發(fā)現(xiàn)根際有益微生物對(duì)植物生長有促進(jìn)作用，能降低由植物病原真菌、細(xì)菌、病毒和線蟲引起的疾病的易感性[29]。Selvakumar 等從南瓜花中分離出一種沙雷氏菌菌株SRM，接種于小麥幼苗上可明顯增強(qiáng)其耐寒性[30]，對(duì)改善作物在低溫條件下的生長狀況有較大意義。

3 龍眼根際微生物的初步研究

根是植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)器官，可吸收存儲(chǔ)土壤中的水分和營養(yǎng)元素以維持植物正常代謝活動(dòng)，還起支持和固定的作用。龍眼的根系發(fā)達(dá)，生活力強(qiáng)，在不同的環(huán)境下生長分布狀況有所不同，大部分根系分布在深1m 以內(nèi)的土壤中，但有的垂直分布可達(dá)3m以上。研究龍眼根際微生物對(duì)龍眼根系發(fā)育、樹體生長有重要意義，但目前國內(nèi)外關(guān)于龍眼根際微生物的報(bào)道較少，研究范圍狹窄，大量工作仍需開展。

1964 年，邵錦緞等采取石蠟切片法首次指出了龍眼菌根的存在，發(fā)現(xiàn)菌根大多是總狀式分枝，且呈念珠狀，菌根中的真菌有增加根部吸收鹽分的能力，而且其菌絲體吸水的能力比根毛還強(qiáng)，能夠在萎蔫系數(shù)下從土壤中吸收水分，增強(qiáng)龍眼的抗旱能力[31]。何金澤、姚青等研究了AM 菌根對(duì)龍眼幼苗的影響，發(fā)現(xiàn)菌根能夠提高龍眼對(duì)磷和其他礦質(zhì)元素的吸收和利用，從而促進(jìn)龍眼的生長發(fā)育[32-33]。根際微生物對(duì)植物的影響是多方面的，但目前的研究仍停留在對(duì)生長發(fā)育的影響方面，對(duì)于龍眼根際微生物與環(huán)境脅迫或病害抗性方面的研究仍是一片空白。

龍眼的栽培管理方式會(huì)對(duì)根際微生物的群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量產(chǎn)生影響，近年來，主要報(bào)道了施肥條件、間作模式以及藥劑噴施對(duì)龍眼根際微生物的影響。薛進(jìn)軍等研究了不同糞肥對(duì)龍眼斷根生長及根際環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞和牛糞可以增加放線菌、細(xì)菌的數(shù)量，有利于基質(zhì)中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)和有機(jī)質(zhì)分解，而牛糞中真菌數(shù)量較多，容易造成各種病害的發(fā)生[34]。李昆等研究了施用蛋雞糞對(duì)龍眼園土壤微生物的影響，將施用蛋雞糞的龍眼園與未施用蛋雞糞的橡膠園中的土壤微生物生物學(xué)性狀做對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)蛋雞糞會(huì)對(duì)龍眼園土壤微生物多樣性產(chǎn)生影響：施用蛋雞糞的龍眼園土壤全年平均細(xì)菌總數(shù)均顯著高于不施用蛋雞糞的橡膠園土壤，且細(xì)菌多樣性的相似性更高[35]。

在龍眼中分別間作豆科植物花生和柱花草發(fā)現(xiàn)，花生可提高土壤有效磷、可溶性有機(jī)碳以及氮的含量；柱花草可增加了土壤中的可溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳（MBC）的含量[36]。微生物生物量碳是指土壤中體積＜5000μm3活的和死的微生物體內(nèi)碳的總和，MBC含量越大，對(duì)有機(jī)碳的利用率越高，說明土壤環(huán)境質(zhì)量較高，有利于土壤微生物生長[37]。張振境等在龍眼中進(jìn)行生草栽培試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生草栽培能提高土壤生物多樣性，改善土壤生物菌落結(jié)構(gòu)，與前人在其他作物上的研究結(jié)果基本一致[38]。

氯酸鉀是被廣泛用作龍眼果園花卉誘導(dǎo)的活性物質(zhì)，但由于氯酸根離子具有強(qiáng)氧化性，其殘留會(huì)造成次生污染，在土壤中施用氯酸鉀會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致土壤中氯酸鹽還原微生物的數(shù)量和活性降低等[39-40]。Li 等對(duì)百慕大草、巴西草和龍眼進(jìn)行盆栽試驗(yàn)以探究氯酸鹽對(duì)其的毒性，結(jié)果表明，氯酸鹽的施用可導(dǎo)致輕微的土壤酸化，但所得pH 仍為5.5 左右，不太可能對(duì)植物生長產(chǎn)生不利影響，但增加氯酸鹽施用量可降低植物根系中叢枝菌根真菌的定殖率，降低植物對(duì)磷的吸收和植物生物量，從而影響植物生長[41]。間作豆科植物花生有益于龍眼的生長，但氯酸鉀的施用會(huì)對(duì)花生的生長產(chǎn)生明顯的負(fù)影響，當(dāng)氯酸鉀濃度高于50mg/kg 時(shí)，花生的發(fā)芽率大大降低，生物量和根瘤菌數(shù)量減少，蒸騰和光合作用也受到抑制[42]，間接影響了龍眼的生長發(fā)育。

4 展望

研究龍眼根際微生物的多樣性對(duì)加強(qiáng)龍眼養(yǎng)分綜合管理、解決龍眼豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)問題、提高龍眼抗環(huán)境脅迫能力有重要意義。目前對(duì)龍眼根際微生物的研究尚不完善，仍有許多問題需引起相關(guān)研究者的注意，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）龍眼根際微生物資源信息匱乏，特別是缺少優(yōu)良菌株的開發(fā)與研究，因此，需加強(qiáng)菌株的收集，為進(jìn)一步探究根際微生物對(duì)龍眼的影響打下基礎(chǔ)。（2）目前的研究仍局限于土壤微生物的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)相關(guān)機(jī)理的研究還不夠深入，特別是土壤、微生物、龍眼三者的相互作用關(guān)系。（3）研究方法需要多樣化，目前很多研究仍采用土壤稀釋涂板法，具有一定的局限性，應(yīng)根據(jù)需要結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)和基因組學(xué)方法，或引入高通量測(cè)序和基因芯片等新技術(shù)來幫助研究。（4）關(guān)于利用根際微生物來提高龍眼抗逆性和抗病性的研究太少。龍眼作為喜溫忌冷植物，冬季常遇寒害，給龍眼生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，利用根際微生物來提高植物耐寒性的研究已在多種作物中有所報(bào)道，也可作為提高龍眼耐寒性的參考。