植物根际促生菌的研究与应用现状

张典利，孟 臻，亓文哲，乔 康

(山东农业大学 植物保护学院，泰安 271018)

植物根系周围有一层薄薄的土壤，它是根系新陈代谢的一个非常重要的区域，被称为根际。根际是指受植物根系生长和活动影响而物理、化学、生物特性发生变化的根系周围土壤。在根际存在大量微生物，如细菌、真菌、原生动物和藻类[1]，其中细菌最为丰富。植物通过化感作用增加微生物的生存压力，来选择对其生长贡献最大的细菌[2]。由于细菌是根际中最丰富的微生物，特别是考虑到它们在根部定殖的竞争力，很大程度上会影响植物的生理机能[3]。

定殖在根际的微生物可以根据它们对植物的影响以及它们与根的相互作用的方式分为两类，一些能够使植物发病，而另一些对植物生长有促进作用。根际细菌能够定殖在植物的根部，对植物生长存在直接或间接的促进作用，因此，生长在植物根际并有利于植物生长的细菌被称为植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)[4]。在过去的几年中，已鉴定的可作为PGPR的细菌种类大幅度增加，主要是因为根际作为一个生态系统的作用在生物圈的运作中已经变得越来越重要。目前有几种PGPR的生物菌剂逐渐被商业化，它们可通过一种或几种机制促进植物生长。大部分菌株具有显著增加植株高度、根长以及植物茎和根的干物质的能力。PGPR可取代化肥，也能够在农业防治中作为生物防治剂以减少化学农药的使用。

1 植物根际促生菌

研究人员认识到PGPR对于促进植物生长和增加作物产量具有积极作用。据报道，PGPR能够促进马铃薯、辣椒、番茄、茄子、黄瓜、甘蓝和萝卜的生长并能提高它们的产量[5]。部分 PGPR产品已经被商业化。然而，进一步了解PGPR促进植物生长的机制将提高PGPR在实际生产中的促生效率[6]。PGPR可通过一系列机制影响作物的营养吸收、生长和产量。PGPR促进植物生长的机制包括直接促进植物生长和间接促进植物生长。一些菌株通过模拟植物激素的合成来直接调节植物生理生长，而另一些菌株增加土壤中的可利用矿物质和氮素从而促进植物生长。这些PGPR可能表现出超过2种或3种促进植物生长机制[7]。PGPR对植物生长的刺激效果受土壤营养条件的影响，相对于在肥沃的土壤条件下，PGPR在营养贫瘠的土壤中对植物生长的刺激作用要好得多[8]。植物通过根系分泌物选择和富集这些发挥重要作用的菌种，因此根际微生物群落的构建取决于植物根系分泌物的性质和浓度，并且根际促生菌能够利用这些成分作为它们的营养物质[9]。在植物根系、根围土壤、根系表面和植物根系内部的细菌是一个连续的整体，根际菌群具有从根系分泌物中摄取和分解有机化合物的能力[10]，通过附着于根表面从而有助于其获得更多的有机物质。PGPR通常被接种在植物根系以提高农作物生长和产量，并降低化肥、农药的使用量[11]，从而降低生产成本，这有助于减少污染，保护环境，促进生态农业的发展[12]。因此，植物根际促生菌在农业生产方面具有不错的应用前景。

2 根际促生菌的作用机制

PGPR促进植物生长的机制可分为直接和间接作用机制。其中，直接作用是指PGPR可合成某些能够影响植物生长发育的物质(如生长素)或增加土壤中有效元素的含量(如氮、磷、钾)；间接作用是指PGPR具有减轻或抑制植物病害的发生，如诱导植物产生系统抗性或直接产生抑菌物质，在植物根系占据有利的生态位保护植物。

2.1 直接作用

2.1.1 固氮

氮素是植物生长发育过程中的必需元素，地球上大部分氮素都是通过生物固氮的形式转化为生物可利用氮。生物固氮是指微生物将空气中的游离态氮转化为氨，再被植物吸收利用的过程。根据根系细菌的存在形式可将土壤中的固氮分为共生固氮和非共生固氮[13]。其中共生固氮大多专指根瘤菌，通过与豆科植物根系共生，在植物根部形成根瘤共生体，在利用植物根系分泌物的同时通过固氮作用为植物提供氮素。对于非豆科植物来说，非共生固氮起主要的固氮作用。在根际土壤中也存在许多微生物虽然不与根系存在共生关系，也能够通过固氮作用为植物提供一定的氮素营养。根瘤菌能够与豆科植物形成特异性的共生关系，侵染豆科植物根系后与之形成共生关系，形成结节或小瘤[14]；非共生固氮需要通过一种双组分结构的金属酶(固氮酶复合体)来实现，其中固氮还原酶为铁蛋白组分，提供的电子具有高还原力，将较高价态N2还原为低价态的NH3[15]。

2.1.2 解磷

磷(P)是仅次于氮的植物生长必需养分，在植物糖类代谢、蛋白质代谢和脂肪代谢中起重要作用，是生物生长和发育的重要营养素。微生物能够将土壤中不溶的无机磷转化为可供植物利用的可溶性无机磷，一些微生物将不溶性磷转化为易得形式的能力是PGPR提高植物产量的重要特性[16]。使用解磷菌作为接种剂会增加植物对磷的吸收。利用细菌增加植物根际可利用磷酸盐的浓度可能是植物根际促生菌进一步研究的方向[17]，对解磷菌的研究和开发利用有助于满足植物对磷素的需求。因此，近年来从植物根际土壤中筛选出高效解磷菌，用以转化土壤中难溶性磷，减少化肥施用量，成为提高土壤磷利用率的研究热点。解磷菌被认为是有希望的生物肥料。

2.1.3 产生嗜铁素

铁是所有生物体必需的生长因子。生物可利用的铁在土壤中相对稀缺，在铁限制条件下，PGPR产生嗜铁素以竞争性地获取铁离子[18]。嗜铁素是微生物和部分作物在低铁应激条件下产生的一种能够高效结合 Fe3+的低分子量有机化合物。嗜铁素的合成与转运通常在缺铁的情况下高效表达，与 Fe3+结合能力非常强且具有特异性，能从各种水溶性和非水溶性的化合物中夺走Fe3+[19]。嗜铁素可活化土壤中难溶的铁，提高铁的溶解性、移动性和有效性，改善植物缺铁性失绿。许多研究认为微生物铁载体与 Fe3+的螯合物可直接被植物吸收，并推测这种机理是植物抗铁胁迫的第三机理[20]。其次是生物防治功能，PGPR分泌嗜铁素是其控制真菌病害的一种主要机制，依靠高亲和铁的螯合体产物嗜铁素与病原菌竞争铁离子，使得病原菌缺乏铁元素而不能生长繁殖，进而达到控制植物病害的目的[21]。

2.1.4 产生植物生长促生物质

植物激素是影响植物生长发育和生殖的化学信使，激素在低浓度下就调控植物的生长。它们通常在植物的一个部分合成并被运送到另一个地方发挥作用，它们与特定的靶组织相互作用以引起生理反应，每个反应通常是两个或更多激素共同作用的结果。IAA(吲哚-3-乙酸)是植物激素的成员之一，通常被认为是最重要的天然生长素[22]。各种作物根际分离的微生物中，80%具有合成与释放生长素的能力[23]。根际细菌分泌的IAA可参与众多植物的发育过程，植物内源IAA库也会因获取土壤细菌分泌IAA而发生改变。此外，最近的一些报道表明，IAA也可以是细菌的信号分子，因此可以直接影响细菌的生理[24]。PGPR生成的IAA可能通过改变植物的生长素库来干预植物的生理过程，促进根系表面积和根长增加，更有效地吸收土壤养分；还可使植物细胞壁松弛渗出更多的根系分泌物，为PGPR提供一些额外的养分，互利共生[25]。

2.2 间接作用

2.2.1 诱导植物产生系统抗性

病原体诱导植物的系统抗性(ISR)是一个普遍存在的现象，已经深入研究了潜在的信号传导途径及其在植物保护中的潜在用途[26]。植物系统抗性由局部侵染诱发，植物响应水杨酸(SA)依赖的信号级联反应，导致对真菌、细菌和病毒有效、广谱和长效抗病性的系统表达。SA在介导ISR的信号通路中具有重要作用，在感染后到ISR发生前，局部和全身内源SA水平升高[27]。与诱导ISR的病原体相比，非致病性根际细菌诱导ISR依赖于乙烯和茉莉酸的信号转导途径[28]。

2.2.2 产生氰化物

氰化物是具有毒性的化学物质，虽然氰化物是一种常见的代谢抑制剂，但它被数百种生物体(包括细菌、藻类、真菌、植物和昆虫)合成和代谢，作为避免捕食或竞争的手段。寄主植物通常不会受到产生氰化物菌株的不利影响，宿主特异性的根际细菌可以作为有害生物的控制剂[29]。氰化氢(HCN)的产生是根际土壤和植物根瘤中假单胞菌(88.89%)和芽孢杆菌(50%)的共同特征，是生物防治的代谢产物[30]。甘氨酸是HCN的碳前体，在无根土壤中产生的HCN水平通常随着补充甘氨酸的量增加而增加，恶臭假单胞菌通常在给定的甘氨酸水平下会产生更多的HCN[31]。

2.2.3 营养和生态位点竞争

PGPR还能通过营养竞争、位点竞争、小生境形成等机制促进植物生长。竞争作用是PGPR发挥作用的重要机制之一，PGPR通过在植物根际或植物体内高密度定殖，与存在于同一微小环境中的微生物争夺这一环境内的氧气、营养、空间等。研究发现，营养竞争只在少数菌株中存在。位点竞争指微生物在植物根际土壤中定殖，有效地阻止和干扰病原菌对植物的侵染，从而达到防病促生的作用[32]。

3 植物根际促生菌的应用

3.1 固氮类植物根际促生菌的应用

从大气层中固定氮素并富集于土壤的能力仅限于细菌和古细菌[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兰克氏菌属)，以及非共生固氮菌，如蓝细菌、固氮螺菌属、固氮菌属、固氮弧菌属等。

3.1.1 共生固氮

目前已知的共生固氮菌包括根瘤菌属和弗兰克氏菌属。弗兰克氏菌属能在来自8个不同科的280多种植物上形成根瘤，但是它们的共生关系还不是很清楚。已知弗兰克氏菌属能够与桤木属和木麻黄属形成有效共生关系[34]。当根瘤菌以非特异性关系定殖于非豆科植物的根时，来自该属的菌株可表现为植物根际促生菌。在田间条件下，与没有接种根瘤菌的植物相比，接种根瘤菌会促进植物生长并且增加产量，接种根瘤菌后植物根系的根瘤数目显著增多[35]。在印度进行的田间试验表明，根据豆科植物、土壤和农业气候条件，接种根瘤菌可以节约近50%的氮肥，植物产量也有相当大的增加[36]。在国内，马霞等研究发现，在苜蓿上接种一定量的根瘤菌能增加苜蓿的根瘤数量和根瘤重量，提高苜蓿的固氮效率和固氮量；提高地上部干重，促进苜蓿的生长，增加有效分枝数、荚果数并能够提高种子产量[37]。增加根瘤菌能够有效促进玉米生长，增加豌豆的结瘤数，提高氮素吸收和干物质积累[38]。此外，根瘤菌在重金属污染环境修复中也有重要地位[39]。在低温地区，同时接种根瘤菌和PGPR可以提高根瘤的数量和质量，增加结瘤干重，提高土壤养分利用率以及增加固氮酶活性，提高作物产量[40]。

3.1.2 非共生固氮

非共生固氮在农业生产方面具有重要意义，一些重要的非共生固氮菌包括固氮弧菌属、草螺菌属、固氮菌属、醋杆菌属、节杆菌属、固氮螺菌属、氮单胞菌属、芽孢杆菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属、假单胞菌属和黄色杆菌属[41]。固氮菌通常被认为是一种自由生活的好氧氮固定微生物。国外对固氮菌的研究较早，有报告证明，固氮菌属和固氮螺菌属的应用可以提高一年生和多年生牧草的产量[42]。在国内固氮菌已经应用于多种作物，陈胜男等通过在玉米田接种固氮菌，显著提高了玉米田土壤脲酶活性[43]；邢永秀等将固氮菌接种于甘蔗上，显著提高了甘蔗的生长量，对甘蔗有明显的促生效果[44]；韩晓阳等将高活性固氮菌接种到茶树上，与未接种菌株的茶树相比，处理后茶树根、茎、叶的干重分别增加了 42%、58%、55%，新梢和根系的含氮量分别增加15%和6%[45]。固氮菌具有不错的应用前景。自19世纪70年代，固氮螺菌属菌株已被分离和使用[46]，固氮螺菌不是植物特异性菌株，对作物或杂草或一年生或多年生植物没有偏好，并且可成功地应用于在其根中以前没有固氮螺菌属的植物[47]。固氮螺菌属菌株在微需氧条件下固氮，并且经常应用于农业重要作物。

3.2 解磷植物根际促生菌的应用

磷是生物生长和发育的重要营养素，在根际丰富的微生物中，解磷菌为可持续农业提供了一种生物技术解决方案，以满足植物对磷的需求。最有效的解磷菌为细菌中的芽孢杆菌属、根瘤菌属和假单胞菌属，真菌中的曲霉属和青霉属也有一定的解磷能力。林启美等曾发现胶质芽孢杆菌具有优良的解磷作用[48]。来自茶树根际的巨大芽孢杆菌能够溶解磷酸盐，从而有助于促进植物生长[49]。方华舟等将解磷菌接种到水稻，能显著增加土壤中可利用磷钾量，水稻株高、鲜重、干重也显著高于不接种菌株的处理[50]。从烟草根际土中分离出解磷菌，并用分离的菌株验证对烟草的促生效果，结果发现，使用解磷菌后能显著增加土壤中有效磷的含量，接种解磷菌后烟草株高、鲜重、干重及烟叶中的磷含量都高于对照，说明解磷菌可通过增加土壤中的有效磷含量来促进烟草的生长[51]。除了能够向植物提供磷之外，这些根际促生菌还通过其他机制促进植物生长。

3.3 产嗜铁素植物根际促生菌的应用

铁是所有生物体必需的生长因子，植物缺铁容易造成叶片发黄，导致缺铁性失绿。通过16S rRNA分析鉴定发现大部分能够产嗜铁素的菌株属于假单胞菌属和肠杆菌属的革兰氏阴性菌，而芽孢杆菌属和红球菌属是产生铁载体的革兰氏阳性菌[52]。嗜铁素功能多样，具有生物防治、致毒、植物营养、载体功能等[53]。刘艳萍等从大棚蔬菜根际土中分离到产嗜铁素的恶臭假单胞菌，并在黄瓜上验证其促生功能，使用含有嗜铁素的发酵液能显著增加黄瓜幼苗的株高、根长、叶长、鲜重及叶绿素含量，这表明恶臭假单胞菌产生的嗜铁素在低铁条件下对黄瓜幼苗具有促生作用[54]。来自茶树根际的巨大芽孢杆菌能产生铁载体，从而有助于促进植物生长[55]。嗜铁素对病原菌也有一定的抑制作用，陈旋等研究发现嗜铁素对板栗疫病病菌的生长和孢子萌发具有抑制作用[56]，冉隆贤证明荧光假单胞菌能够防治桉树灰霉病部分原因是荧光假单胞菌能分泌嗜铁素[57]。余贤美等报道，嗜铁素在促进植物生长及病害防治方面都起着重要的作用[58]。

3.4 产植物促生物质的植物根际促生菌的应用

生长素(IAA)具有促进细胞伸长生长、诱导维管束分化、调控根的分化形成、促进果实发育等功能，对植物的生长发育极其重要。产生IAA的菌株对植物生长具有刺激作用，当植物接种能产生IAA的菌株时，植物对N、P、K、Ca和Mg的吸收增加从而植物生长被促进[59]。从豇豆根瘤中分离出的根瘤菌可产生高浓度的IAA[60]，试验表明，在小麦田中接种产IAA的根瘤菌可以促进小麦的生长[61]。事实上，多种生长素、细胞分裂素和赤霉素在植物根际促生菌中都可以被检测到[62]，其中生长素的数量对产量最重要[63]。巴西固氮螺菌属菌株能在营养胁迫下触发IAA积累，并有益地影响高粱的生长，此外它还具有促进绿豆、玉米、小麦等其他一些植物生长的能力[64]。马骢毓等从黄芪根际土中分离得到具有分泌IAA能力的菌株，并证明可用于中药种植中[65]。赵柏霞等分离的产IAA根际促生菌为甜樱桃增产及生物菌肥开发提供了重要菌株资源[66]。

3.5 具生防作用的植物根际促生菌的应用

PGPR在植物病原菌的生物防治中起重要作用，可以广泛抑制细菌、真菌和病原线虫，也可以保护植物免受病毒的危害，在防病方面PGPR已经在世界范围内广泛应用。假单胞菌具有许多特性，非常适合作为生物防治和生长促进剂[67]。这些特性包括⑴ 室内培养条件下快速生长和批量生产的能力，⑵能够利用种子和根分泌物，⑶ 在根际和大气环境中以及在植物内部定殖并繁殖，⑷ 产生广谱的生物活性代谢物，⑸ 与其他微生物竞争激烈，⑹ 适应环境压力[68]。假单胞菌作为生物防治剂的主要弱点是它们不能产生休眠孢子(如芽孢杆菌属)，这使得用于商业用途的细菌的配制复杂化。荧光假单胞菌属通过有效抑制土传植物病原菌促进植物生长已经被研究了几十年，它们产生各种抗生素、几丁质分解酶、生长促进激素、铁载体、HCN和过氧化氢酶，并能溶解磷等，通过多种途径促进植物的生长[69-70]。荧光假单胞菌对苹果病原菌具有显著抑制作用，在田间对苹果再植病害具有良好的防控效果，连续处理 4年的苹果树平均单株产量提高 139.46%，且消除了再植病害症状[71]。芽孢杆菌在土壤中普遍存在，其宿主范围广泛，能形成内生孢子和产生具有广谱活性的化合物，故被认为是一种强有力的生物防治剂[72]。来自茶树根际的巨大芽孢杆菌能够产生抗真菌代谢产物，从而促进植物生长和抑制植物病害[55]。苏云金芽孢杆菌和球形芽孢杆菌有助于控制鳞翅目害虫[73]。多黏类芽孢杆菌对植物没有致病性，某些菌株可产生如抗生素、拮抗蛋白、酶等多种生物活性物质，在植物病害防治方面具有诱人的应用前景[74]。芽孢杆菌对植物病原线虫有较好的防效，试验发现，在番茄上接种多黏芽孢杆菌、B697菌株、巨大芽孢杆菌和A135菌株对南方根结线虫的防效分别达65.4%、68.2%、53.8%和53.8%[75]。

3.6 根际促生菌在胁迫条件下的作用

农作物总是遭受许多生物和非生物因素胁迫，这些胁迫降低作物的产量，并且成为将作物引入不适合作物种植地区的障碍。非生物胁迫因素包括高温、低温、盐度、干旱、洪水、紫外线、空气污染(臭氧)和重金属。PGPR使植物可以更好地抵御不利环境条件的胁迫[76]。室内盆栽试验表明，接种具有产ACC脱氨酶活性的PGPR，能够有效缓解棉苗所受的盐胁迫，使棉花种子的萌发率提高185%，提高棉花的渗透调节能力，降低胁迫对棉花的伤害，同时棉花叶片的光合能力和根系活力也都优于无菌处理[77]。PGPR能够减缓重金属离子对植物的毒性，还能够改变重金属的形态和迁移率，并通过分泌铁载体、有机酸、生物表面活性剂、植物激素等，直接或者间接地促进植物生长和增强植物对重金属的抗性，在植物修复土壤重金属污染过程中发挥着重要的作用[78]。接种PGPR菌株能显著提高黑麦草地上部生物量，而叶片的膜脂过氧化水平则显著降低，接种耐镉根际促生菌株可显著促进镉胁迫下黑麦草幼苗生长[79]。在干旱胁迫条件下，接种蜡质芽孢杆菌可显著增加抗氧化酶活性，不同程度地提高侧柏生长素、赤霉素和玉米素的含量，显著增加侧柏干物质积累[80]。低温条件下多黏类芽孢杆菌能够提高黄瓜生长量及SOD、POD和CAT活性，提高植株耐冷性[81]。

4 结 论

植物根际促生菌(PGPR)在根际、根表或与根结合在一起可以直接或间接促进植物的生长。在过去的几十年中，大量的细菌，包括假单胞菌属、固氮螺菌属、固氮菌属、克雷伯菌属、肠杆菌属、产碱杆菌属、节杆菌属和芽孢杆菌属等都被证实有促进植物生长的作用。PGPR要直接促进植物生长需要为植物提供由细菌合成的植物生长促进物质或促进植物对环境中某些营养物质的吸收；当PGPR防止一种或多种植物病原微生物的侵害时，间接促进植物生长。PGPR促进植物生长的确切机制尚不完全清楚，但被认为包括⑴ 能够产生植物生长调节剂如吲哚乙酸、赤霉酸、细胞分裂素，⑵ 氮素的固定，⑶ 产生铁载体、抗生素和氰化物，⑷ 对矿物磷酸盐和其他营养素的溶解，⑸ 对植物病原微生物的拮抗作用。除此之外，植物根际促生菌必须能够在根际土壤中生存和定殖，但PGPR和植物之间的相互作用可能不稳定，盆栽试验结果良好不代表能够在田间使用。PGPR性能可能受环境变化的影响，其所具有的促生功能也可受到影响，为了使PGPR与作物之间的相互作用最大化，有必要在当地大田条件下筛选开发高效菌株。一种可能的方法是在特定的条件下筛选功能菌株，并使其适应特定的土壤环境。在筛选优良功能PGPR基础上开发适用于不同作物、不同地区的专用型PGPR制剂，是PGPR制剂研究和开发的方向和目标，也是其产业发展的核心环节和推动力。