根际促生细菌提高植物抗重金属能力的研究进展

彭云霄

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065）

全球工业化的持续发展，已经引起了广泛的环境和人类健康问题。重金属污染由于具有高度致畸致癌的风险，并且能够通过粮食作物进入食物链逐级累积，已经威胁人类健康[1]。重金属污染土壤修复的几种方式中，植物修复因其具有对环境友好、技术成本低的优势而获得了广泛的关注[2]。目前已经发现许多种植物具有重金属富集和耐受的能力，然而在实际应用过程中植物修复又存在着许多限制条件。为了解决植物修复过程中面临的问题，探索更高效的修复方式，重金属耐受植物与微生物之间的相互作用逐渐被重视。

根际微生物是一类在植物根际内生或存在于根际周围土壤中的微生物群体。研究表明，部分根际微生物和植物内生菌对提高植物与重金属的抗性具有显著的作用[3]。已经系统研究的植物-微生物关系仅仅局限在小部分微生物及其宿主植物中，在庞大的微生物群体中，植物有益的新型微生物的探索仍然具有很大的潜力。本文重点描述了在重金属胁迫条件下，相关促生细菌提高植物的生物量，影响植物对重金属的积累或稳定，通过提高植物适应能力、金属活化/钝化等方式使植物更好的发挥修复能力。

1 重金属污染土壤修复过程中植物根际促生细菌的协同作用及机制

在重金属胁迫条件下，微生物可以通过多种作用机制促进植物的生长，例如固氮作用、磷酸盐溶解、产生铁载体、分泌1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶或植物激素等等。有些细菌并没有直接作用于植物，但是它们通过改变土壤条件（土壤有机质含量、温度、pH、污染水平等）间接的影响植物的修复效果[4]。

1.1 根际细菌（Rhizobacteria）

在重金属污染农田中，根际既是作物养分输送的重要界面，也是重金属元素通过作物吸收-转运-累积-进入食物链的主要渠道。在参与植物与重金属污染土壤相互作用的根际微生物群体中，植物促生根际细菌（PGPR） 扮演着特殊的角色。通常情况下，PGPB是从大的土壤环境中迁移至植物的根际，侵染植物的根际或定植于植物根周的土壤中，形成了丰富的植物共生微生物群体，普遍认为PGPB可以促进植物的生长。常见的PGPR有根瘤菌（即无色杆菌）、节杆菌、偶氮杆菌、偶氮螺菌、芽孢杆菌、肠杆菌，假单胞菌和沙雷氏菌[5]。重金属可以抑制植物激素的产生，而有些PGPR可以产生各种植物激素（IAA、GA、ABA、CTK），这些植物激素通过浓度调节的方式直接或间接地与其他细菌或其他细菌的次级代谢产物共同作用，促进植物的生长[6，7]。有些PGPR产生一些有机酸、生物表面活性剂、氮氧化物、抗生素等抑制其它有害生物/微生物的生长，促进植物对营养物质的吸收，提高植物的固氮，增强植物对胁迫环境的耐受力[8]。重金属胁迫诱导植物产生大量的应激乙烯，过量的乙烯会抑制植物根生长，从而间接减少植物对重金属的吸收。植物分泌的ACC是乙烯合成的前体，PGPR可以产生ACC脱氨酶，将ACC水解成 α-酮丁酸 （α-Ketobutyrate） 和氨 （可被PGPR利用为氮源），抑制乙烯合成，减轻了胁迫对植物生长的抑制作用[9]。还有一些具有重金属抗性的微生物可以通过释放铁载体、酸化土壤环境、改变氧化还原电位等方式降低土壤中重金属的生物可利用度，从而使得生长在其中的植物免受其害[10]。

宿主特异性对根际细菌的群类分布有显著的影响，而且根际细菌群落组成和多样性往往随地区不同而产生很大的变化。在对毛竹的研究中发现，芽胞杆菌属（Bacillus）是主要的根际细菌类群[11]；对圣罗勒、毛喉蕊花、长春花和芦荟的初步研究表明，固氮螺菌属（Azospirillum）、固氮菌属 （Azotobacter） 和假单胞杆菌属（Pseudomonas）是根际中最常见的种类。而对不同地区芦荟的研究表明芽胞杆菌属（Bacillus）才是其根际的主导菌群[12]。此外，非生物因素如土壤结构、降水量等也对微生物与植物的互作关系有较大的影响。因此，为了改善金属毒性，促进植物健康生长，需要开展更加广泛的研究工作，探索微生物的多样性、分布，揭示各类微生物在原生环境土壤和异地土壤环境中作用的差异和习性变化。

将从重金属污染土壤中分离得到的Cr抗性菌株Pseudomonas sp.PsA4和Bacillus sp.Ba32施用到芥菜中，结果表明，接种了PsA4和Ba32都可以增加芥菜在95.3 mg/g和198.3 mg/g Cr6+土壤中的生物量[13]。Vivas等测试了从Zn污染的土地中分离出的Brevibacillus属菌株，结果表明，B-I显著地增强了植物生长和氮磷的积累，抑制了Zn的吸收[14]。Rajkumar等从土壤中分离出根际微生物，经过镍、锌抗性筛选，选出了重金属抗性菌株 Pseudomonas sp.和 Pseudomonas jesseni，将它们接种给蓖麻，发现它们显著地增加了蓖麻的生物量，并且增加了Zn、Ni、Cu的积累量[15]。Ma等从 Alyssumserpyllifolium和 Phleum phleoides的根际中分离出5个Ni抗性PGPR菌株，发现SRA2增加了油菜和芥菜的鲜重（351%） 和干重（285%），而 SRA1和SRA10菌株则显著增加了植物地上和地下部分Ni的积累量[16]。这些研究都表明了PGPR在植物吸收重金属方面多种多样的效果，合理地利用抑制作用可以提高轻度污染土壤中经济作物的生长，降低风险；有效地利用促进作用和耐受性则可以优化富集植物对中/重度污染场地的修复效果，缩短修复周期。同时，开发PGPR在土壤改良方面的能力，可以在净化污染土壤的同时改善土壤品质，进一步优化重金属污染土壤生物修复的实施方案。换言之，今后的研究应更着重于精准的特异性和高效的适用性。

1.2 内生细菌（Endophytic bacteria）

寄生在植物内部组织而不会引起症状性感染或对其宿主产生负面影响的细菌被成为内生细菌，它们通常存在于细胞胞浆中。虽然它们存在的时间以及存在的状态变幻不定，但是它们往往能够触发植物的生理变化，促进植物的生长和抗逆[17]。在某些情况下，内生菌对植物的促生作用比根周细菌更为显著，而且在胁迫条件下内生菌的促生效应会被增强。目前已经从许多植物中分离出了多种内生菌，这些内生菌通过提高水分/养分吸收、产生生长调节剂、对抗病原菌生长等方式促进植物的生长[18]。实验还发现接种内生菌后，植物细胞渗透物的积累增加，气孔和渗透的调节能力增强，膜电位降低，细胞膜中磷脂的含量也发生变化，这些都是有利于植物生长的生理变化[19]。目前对于内生菌与植物相互作用的机制已经有部分研究，一些关键内生菌的全基因组测序已经完成，关于内生菌的定植和关系建立的调控基因已经可以确定[18]。然而关于内生菌转录组学和蛋白质组学的研究相对较少，利用成熟的组学技术可以更好的揭示内生菌与植物之间关系的建立。因为内生细菌有很大的物种多样性，常随宿主的不同而变化，充分了解菌-植关系的确立，有助于更好的利用具有促生优势和重金属耐受性的内生菌。

通过16S rDNA序列分析、BOX-PCR染色体组DNA概要分析以及生理特性鉴定（包括底物利用率、抗生素和重金属敏感性），可以确定内生菌在不同植物组织中的分类地位。从具有铜抗性的植物海州香薷和鸭跖草中分离得到的铜抗性内生菌株属于3个系统族群:厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门 （Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria），这些是铜抗性菌株中的主要类群[20]。内生菌的多样性也与土壤条件和植物激素有关,并且内生菌还会经常与土壤根际微生物进行物质和个体间的交换。Long等在对烟草（Nicotiana attenuata）根系的研究中发现，土壤组分和植物体内乙烯的变化对植物内生菌的组成有至关重要的作用[21]。根据已经发现的PGPR作用机制和PGPE的影响因素看出，探索PGPR和PGPE的联合使用也是优化生物修复方式的有效手段。

研究发现在特定的培养基中,PGPB也可以产生一些植物激素，但是,它们能否在植物体内共生状态的条件下产生植物激素还有待研究。关于PGPB的研究仍然具有广阔的前景，这项技术在可持续农业发展和能源植物的生产上也有重要的作用。由于其显著的效果、低廉的成本和广泛的适用性，植物促生菌可能成为未来非常有前途的土壤生物调控剂。

2 总结展望

利用有益菌可以改变金属的生物利用度，大规模地改善重金属污染物的植物修复效果。阐明土壤微生物，尤其是根际促生菌和内生菌与植物之间的关系，对于更好的发展植物修复技术，优化重金属的迁移/吸收/累积效率，加速污染土壤的修复过程具有深远的意义。基于目前的研究结果，开展植物根际促生菌方面的研究将为重金属污染土壤修复研究领域拓展一个新的发展方向，更好地揭示微生物和植物抗胁迫的机制，具有十分重要的科研意义和现实意义。