铁载体细菌对植物缺铁性黄化病生物防治的研究现状

朱芝宜 李培根 李林玉 琚淑明 南 楠

(徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221018)

铁在自然界中广泛存在，尤其在土壤与地壳中，仅次于硅与铝，居矿质元素第三位，占土壤干重的4%～5%[1]。铁在植物体内含量占到0.01%，参与植物的新陈代谢与形态构成，是植物维持生命活动不可缺少的必需元素。虽然土壤中铁含量丰富，但大多数属于植物难溶性铁存在于原生矿物、粘粒、氢氧化物或氧化物中，植物无法有效吸收。研究显示，土壤中满足植物正常生长所需的有效铁含量约是10-6M ～10-8M，但在盐碱土壤中，植物有效态铁(Fe2+)的含量往往达不到10～10mol·L-1[2]，从而导致植物缺铁黄化。

植物缺铁性黄化病是植物体内铁元素含量相对过低使叶片黄化，生长势衰弱，甚至危害植物生存的一种病症。近年来，随着全球干旱逐渐加重，世界耕地盐碱化面积逐渐扩大，植物缺铁性黄化病愈发严重。相关科研人员研发出多种技术来改善此病症，如施用纳米氧化铁溶液、土壤局部酸化、丛枝菌根真菌定殖等，但总是出现经济投入过高，易复发的情况，为此就需要找到一种生态、长效、经济的解决方式。近年来铁载体细菌通过分泌铁载体，络合铁元素，提高植物对铁元素的吸收，这些在改善植物缺铁性黄化病的研究多有报道。

1 铁载体细菌的研究现状

铁载体细菌是指在缺铁条件下，能够分泌分子量低，特异性高，具有极强螯合Fe3+能力的小分子有机化合物(铁载体)的细菌。其分泌物能够将土壤中难溶性的铁(主要以氢氧化物或氧化物形式存在)转变成可溶性铁，从而被植物所利用。

1.1 铁载体细菌的优势

在自然界中，几乎所有好氧和兼性厌氧菌(包括细菌和真菌)都可以分泌铁载体[3]，铁载体具有极强的螯合Fe3+能力，可以溶解难溶性铁，使得微生物有效地获得铁。一些研究发现细菌可以利用真菌和外源细菌铁载体[4-5],而且分泌铁载体结构较为复杂，与真菌铁载体相比具有竞争力，且细菌铁载体比真菌铁载体更具有多样性[6]，所以在应用上更多使用铁载体细菌。

1.2 影响铁载体细菌分泌铁载体的因素

细菌对铁载体的合成环境中铁浓度的调节[7]，表现为低浓度铁的促进，高浓度铁的抑制。除铁离子外，铁载体细菌分泌铁载体也受环境中其他金属离子浓度的影响。研究显示，Cr、Pb 可诱导铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)分泌铁载体[8]，Co2+可以促进荧光假单胞菌分泌更多的铁载体[9]。另外，铁载体上的结合位点还可能被Cu2+、Zn2+、Co2+等重金属离子占据，导致铁载体无法运输铁离子[10]。

由于铁载体是由细菌分泌产生，因此，温度、碳源、氮源等微生物正常生长所需要的因素也会影响铁载体的合成。研究显示，在果糖、甘露醇、葡萄糖充足的情况下，荧光假单胞菌菌株(Pyochelin)分泌量有所不同，发现碳源为甘露醇分泌量最大，其次为葡萄糖，最后为果糖[11]。杀鲑弧菌(Vibriosalmonicida)为一种水生细菌，研究发现只有在10℃以下的条件下，这种细菌才能够分泌异羟肟酸型铁载体。Calvente V发现红酵母菌株以尿素作为氮源，PH接近8，C:N比为8∶1时，红酵母酸(异羟肟酸铁载体)增产70%。

1.3 铁载体细菌的筛选方法

为筛选出高效能铁载体细菌，实验室常用目前应用最广泛的CAS检测法，该方法简单、准确、可检测多类铁载体及产铁载体能力的大小，适用于铁载体细菌的初步筛选。CAS和HDTMA(十六烷基三甲基溴化铵)以及Fe3+混合后可以形成一种蓝色复合物，而铁载体能与Fe3+形成更稳定的螯合物，使其颜色从蓝色变为橙红色。因此，可根据平板上有无显色变化及随着时间颜色的变化程度来定性和定量地检测供试材料产铁载体的能力大小。此外，为获得更为高效能铁载体细菌，应采用诱导方式。何苗利用紫外诱导、紫外氯化锂复合诱导和硫酸二乙脂(DES)诱导，得到高产细菌菌种MX26-18，铁载体产出量较原菌种提高32.9%,杨常娥利用在优化条件碳氮比为3，初始PH8及装液量82ml的MKB培养基，实现铁载体高效诱导。

2 铁载体细菌对防治植物缺铁性黄化病的机理

植物黄化病主要是土壤中有效性铁元素含量过低，提高土壤中的有效性铁的含量，促进植物对土壤铁的吸收以及与其他细菌竞争是铁载体细菌缓解植物缺铁型黄化病的重要机制。

2.1 增加土壤铁的有效性

在环境缺Fe的条件下，植物的根系会分泌出小分子化合物，如酚类、黄素等，而这些化合物对土壤微生物具有毒害胁迫作用，同时部分分泌物又可以作为某些微生物的碳源物质，从而改变植物的根际微生物群落结构，这些改变的微生物群落结构转而影响植物对铁营养的吸收[12-13]。为了克服铁有效性低的问题，许多微生物自身合成并且分泌高铁载体。释放到土壤中的高铁载体具有极强的螯合Fe3+能力，使难溶性的铁得以释放出来，增加土壤中铁的生物有效性[14]。

2.2 增加植物对土壤铁的吸收

铁载体与Fe3+的结合能力高且专一性强，可以从各种水溶性和非水溶性化合物中夺走其中的Fe3+[15]。铁载体产生菌通过合成分泌铁载体，到其细胞表面或细胞外部，借助配位基与Fe3+螯合，并且形成siderophore-Fe螯合物，极大地提高植物对根际及周围土壤中Fe3+的吸收利用，从而保证植物正常生长。铁载体凭借着亲和性极高的摄铁机制，极大的增加植物对土壤铁的吸收量以维持正常的植物机体生命活动。

2.3 利用铁载体细菌与其他细菌的竞争

铁离子是酶合成的必需元素，电子传递的受体，所有生命有机体都需要从环境中获取铁离子来维持正常的生命活动。而病原菌无法利用Fe3+与铁载体形成的螯合物，植物根际周围的铁被铁载体结合，病原菌吸收不到足够的铁，生长繁殖受到阻碍,从而减轻对植物的危害,从而使其得以正常生长[16]。

3 结论与展望

近年来，铁载体细菌在农业、环境等领域中都凸显出其潜在价值，铁载体细菌接种是促进植物对Fe的吸收的重要一环，为防治植物缺铁性黄化问题提供新的途径，为植物缺铁性黄化病的防治提供长期有效的方案，有重要的研究与应用前景。从以上综述可以看到，筛选出高效能的细菌菌种，利用影响因素进行诱导将会是一个重要的研究课题。同时，筛选的铁载体细菌接种到一个新的环境中，必然有一个本土化的过程，如何保证接种菌种成功定植，维持较长时间的竞争力是十分重要的，这仍需进一步的去探讨，其也是稳定防治植物缺铁性黄化病的关键所在。