杂草根际促生菌的挖掘与应用综述

孔令冬，张 昱，张洪波，张瑜瑜，夏 云

(昆明学院 农学与生命科学学院，云南 昆明 650214)

有益的植物根际细菌被称为植物根际促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)，PGPR 通常以直接作用(例如增加植物根际矿物质的溶解度和促进营养成分吸收或产生植物生长调节剂)与间接作用(例如通过铁载体增强植物抗病性)来促使植物生长发育[1]，在农业上可直接体现在微肥的应用，以绿色环保、无污染的方式增加农作物产量，扩大经济效益．PGPR不仅可以提升土壤肥力，而且对于抑制病虫害的发生与化肥的减量化和易降解农药的开发也具有较大的潜力．因此，PGPR的挖掘和应用对现代农业的绿色发展增添了一项科学、可持续的、易实现的技术支持，且符合生态农业的发展方向[2]．但是，根据Nakkeeran等[3]报道，可应用于农业生产中比较理想的PGPR应具有以下特性：生态幅宽，能适应不同的土壤环境，还需具备较高的存活能力；能耐寒受热，抗紫外线和抗氧化剂等复杂的环境因素．此外，PGPR对作物的促生效果受到其本身在土壤中的存活率、与作用植物的相容性、与原生土壤中的微生物相互作用能力及环境因素等影响，导致PGPR在现阶段农业上的应用受到了很大的限制[4]．

杂草是农业生态系统中重要的一环，在人类农作物种植历史中起到了重要的作用．一方面，杂草会降低农作物产量，传播病虫害，恶化农业生态环境[5]；另一方面，可以根据杂草与根际微生物在自然进化过程中形成的互利共生机制，利用现代生物技术手段，开发挖掘杂草的PGPR，驯化培养后施用于人类的目标作物，既可以保护环境，也可以作为农业资源进行利用，增产增收，一举多得．Bhandari等[6]在印度拉贾斯坦邦应用豆科杂草心叶木蓝(Indigofercordifolia)和珍珠粟(Pennisetumamericarum)的混种促进了珍珠粟的产量．混种促收最直接的原因就是根际微生物的交互和再适应．根际微生物的生命活动需要依赖植物根际分泌物作为能源物质，次过程中产生的次级代谢物又可反作用于植物，而PGPR的绝大部分次级代谢物可作为植物生长调节剂，促进植物的生长．

我国对杂草的开发利用还处于起步阶段，在中国宁夏地区，银灰旋花(Convolvulusammannii)、沙葱(Alliummongolicum)等杂草也被广泛作为中药药材[7]；野豇豆(Vignavexillata)对Zn和Hg元素具备吸附能力，对于修复重金属污染的土壤也表现出潜质[8]．然而，目前在农业生产过程中应用杂草的有益性受到很多因素的限制，因此研究杂草入侵以及适应环境的生理生化和微生物学机制，不仅有助于杂草的合理利用及防控杂草，对可持续生态农业的发展具有重要意义，还可实现PGPR在农业上的应用，以及提供有效的解决方案和不断丰富菌种资源库．

1 杂草入侵对土壤理化性质的改变

此外，后续一些关于杂草入侵的研究也取得了相同的结果．研究[9,12,14-16]发现，杂草的入侵显著改变了生态系统土壤的理化性质，并且随着入侵程度的加深，土壤的理化性质会驱同发展以适应杂草的入侵．例如：入侵性杂草反枝苋与经济作物大豆混种明显改变了土壤理化性质[14-16]，与单种大豆相比，反枝苋和大豆混种后导致根际土壤的pH降低，从开花结荚期到成熟期，根际土壤pH值的平均值下降了8%，而单种时，大豆根际的土壤pH值的平均值仅下降3%．另外，根际土壤含水量在植物生长过程也呈现下降的趋势，混种和单种相比根际土壤含水总量下降了5.9%．由此可见，该研究结果也进一步证明杂草入侵改变了土壤理化性质，因此，土壤理化性质对杂草入侵过程的响应机制比我们认为的更加复杂．但是，可以确认的是，PGPR对土壤的调节在很大程度上是有利的，其中一些PGPR可以降解土壤中不易被植物吸收的有机物和无机物，也可以降解重金属，改善土壤环境．

2 杂草入侵对当地土壤微生物群落的改变

植物根系可以通过分泌不同的化合物来促进或抑制根际微生物种群的活性，杂草入侵的过程除了影响土壤的理化性质，还会促使土壤微生物群落的组成和功能的快速改变[17]．祁小旭[18]在天津静海、河北衡水、河北沧州、河南安阳调查了杂草黄顶菊的入侵地和未入侵的土壤微生物群落变化，相比之下，河南安阳黄顶菊入侵地土壤中的革兰氏阴性菌增加了37%、革兰氏阳性菌增加54%．但是，在天津静海和河北衡水黄顶菊的入侵却显示相反的结果，黄顶菊的入侵导致两个入侵地土壤的微生物群落多样性指数分别下降了0.65和0.85．该研究结果发现，同种杂草入侵到不同生境的土壤中，土壤微生物群落呈现出不同的反馈机制，进一步说明根际土壤微生物群落的丰度和功能及杂草入侵过程相关性受到很多因素的影响，推测这种复杂性可能是由于杂草本身的生理生化性质和入侵地土壤的理化性质和环境因不同导致的．

郑洁[19]使用磷脂脂肪酸法(PLFA)对杂草互花米草入侵地土壤微生物群落的组成调查发现，与未入侵地土壤相比，互花米草的入侵导致土壤真菌的总量从18.29 μg/g下降到10.46 μg/g，放线菌的总量从8.57 μg/g下降到2.33 μg/g，此研究结果表明，互花米草的入侵降低了土壤微生物群落多样性．而另一项研究却呈现相反的结果，韦梅等[20]调查了杂草一年蓬和加拿大一枝黄花入侵后的根际土壤细菌种群，与未入侵地的根际土壤相比，两种杂草的入侵显著增加了土壤根际细菌的多样性和丰度，例如，浮霉菌门(Planctomycetes)增加了3.6%、绿弯菌门(Chloroflexi)增加了2.1%、疣微菌门(Verrucomicrobia)增加了1.2%，以及未分类的微生物群落增加了3.0%，该研究结果表明，一年蓬和加拿大一枝黄花入侵后显著增加了某些细菌种群的丰度，并形成一个有利于自身生长的土壤环境．另一项对黄顶菊(Flaveriabidentis)入侵地微生物群落特性的研究[21]发现，入侵地处于显著优势的微生物种群相对于其他微生物种群具有更高的碳氮比(C/N)，优势微生物的代谢特征的改变是黄顶菊快速生长的主要原因，黄顶菊的入侵显著影响了土壤微生物群落的多样性和功能菌群的丰度．因此，了解和掌握杂草入侵地土壤微生物种群的组成和功能的变化，是防控杂草入侵的关键所在．由于不同入侵地土壤微生物种群构成差异，以及不同的杂草入侵响应机制也没有统一的特性，导致了土壤微生物群落演替的复杂性[17-19]．

3 杂草PGPR功能菌群的研究进展

利用杂草PGPR功能菌群促进农作物的生产尚处于起步的阶段，尽管一些研究[6,22]表明，从杂草根际土壤分离和鉴定的PGPR对于某些农作物有促生的作用，但是，由于对其研究的深度和广度都还没完全成熟，导致在实际农业生产中应用的进展速度缓慢．随着研究的不断深入，PGPR在未来农业中的作用将越来越不容小觑．通常，PGPR会以以下3种不同的方式来发挥其作用

3.1 PGPR可合成特定的化合物

PGPR可以通过分泌植物激素(例如植物生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯和脱落酸)来发挥其促生效果，其中，能分泌合成吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid，IAA)和产ACC脱氨酶的PGPR是目前报道最多的一类功能菌群．IAA可以诱导根系的生长，在中柱鞘细胞中促使侧根原基的产生[22-23]；ACC脱氨酶通过植物内部的乙烯循环，将ACC分解为α-丁酮酸和氨，减少乙烯的生成，并且通过这一循环来促使种子发芽，加快植物生长的速度，有利于植物有机物质的合成和积累[24]．

Bhromsiri等[25]从泰国杂草香根草(Vetiveriazizanioides)中分离出的枯草芽孢杆菌 (Bacillussubtilis)、 固氮螺菌属(Azospirillum)、根癌农根菌(Agrobacteriumtumefaciens)和根瘤菌属(Rhizobium)在内的4种PGPR，都具有产IAA的能力；Fang等[26]从紫茎泽兰的根际中分离出390株PGPR，其中354株(90.8%)具有产IAA的功能．在另一项研究中，Sarathambal等[27]从8种印度杂草中筛选并鉴定了一些PGPR，其中43%具有固氮功能的细菌中还具有产ACC脱氨酶的能力，其包括枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)、粘质沙雷氏菌(Serratiamarcescens)和地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)．

3.2 PGPR可提升作物抗胁迫能力

细菌、真菌和一些藻类在同化植物根际分泌物过程中会产生氰化物，其中HCN是PGPR产生的重要生防物质之一．研究[22]发现，HCN除了能促进种子萌发外，还在提高植物应对有害生物及非生物胁迫能力方面发挥着重要作用．另外，Riaz等[28]对假单胞菌属的研究结果证明了某些荧光假单胞菌产生的HCN具有抑制植物根部病原菌的功能；Nagórska等[29]对普遍存在于植物根际的芽孢杆菌属的微生物进行研究，其结果进一步证实芽孢杆菌可产生具有广谱作用的化合物HCN;Sarathambal等[30]从杂草中分离的16株根际固氮菌，其中7株具有产HCN的能力，且粘质沙雷氏菌产HCN的能力最强，为(68.70±1.13) μg/(mg蛋白)．

3.3 PGPR可促进植物对土壤养分的吸收

氮(N)是地球上最重要的元素之一，在大气中的体积分数(含量)高达78.01%，对生态系统至关重要．目前，已知的生命活动都有蛋白质的参与，大到动植物器官直接的相互联系，小到酶在细胞个体内的催化，所有生命体的基本结构都离不开氮元素的参与．但实际上生物体可直接利用的氮是有限的，而微生物固氮则是给生态系统提供氮素的最基本途径，PGPR可将大气中的氮进行固定并转变为植物可以利用的形式.Bhromsiri等[25]研究发现，杂草根际细菌具有固氮能力，同时测试了102株分离菌株的固氮酶活性，研究显示，所测菌株的固氮酶活性平均为0.2 n mole C2H4mg-1protein h-1， 其中31株的固氮酶活性(占总量的30.4%)高于平均活性．每年仅在陆地生态系统中就有100～290 t 氮被微生物固定进入生态系统中[31]．主要的形式包括共生和非共生，如根瘤菌与豆科植物的共生固氮．而共生形式的固氮是指含有固氮能力的微生物在与高等植物共生时才能进行固氮．非共生形式的固氮分为联合固氮和自生固氮，联合固氮是指微生物生活在植物的根际或叶面等位置进行固氮，但不形成共生组织；自生固氮则是指微生物不依存于植物独立进行固氮过程，如圆褐固氮菌和蓝藻等．虽然非共生形式的固氮相较于共生固氮效率偏低，但其时空分布更为广泛[32-33]．

铁载体是存在于微生物中的有机物质．PGPR产生的铁载体能与某些重金属离子相结合形成螯合物，从而达到修复重金属污染的目的．细菌和真菌需要铁来形成血红素，产生能量和其他物质，维持自身正常的生命活动[37]．郭欣[38]从三叶草根际土壤分离出41株PGPR，进行功能筛选与鉴定后发现，其中8株具有产铁载体的能力，占PGPR总数的44.44%．Fang等[26]从紫茎泽兰的根际土壤中分离出390株具有植物促生功能的细菌，其中202株(51.8%)具有能产铁载体的功能，有199株(51.2%)能溶解磷酸盐，其中还有143株表现出上述两种功能．以上研究表明，杂草根际土壤PGPR具有复杂的组成和功能的多样性，特别是部分PGPR菌株表现出具有两种以上PGPR功能的特性有待进一步开发和利用．

4 杂草PGPR在农业生产的应用进展

目前，PGPR在生物防控、生物修复和生物肥料方面都得到了较为广泛的应用，且对农作物的产量以及生态系统功能的修复都产生了积极的影响[30]．杂草的入侵虽然影响了土壤的理化性质和微生物群落的组成和功能[39]，但是，近年来一些研究已经将从入侵杂草根际土壤分离和鉴定出的PGPR应用于农作物的生产中，并取得了较好的效果[16,26,27,38,40]．Sturz等[41]将意大利黑麦草(Loliumperenne)根际土壤分离鉴定出的PGPR对马铃薯进行了2年的促生试验，其中应用分离出的18株PGPR菌子施加给马铃薯苗，与未施加PGPR菌剂的对照组相比，马铃薯的产量第1年增长了17%，第2年增长了28%，表明施加PGPR菌剂显著促进了马铃薯的生长．Sarathambal等[30]从杂草香附子(Cyperusrotundus)、髯毛风铃草(Campanulabarbata)、野生稻(Oryzarufipogon)和矮生百慕大(Cynodondactylon)的根际中分离出6株具有固氮功能的细菌，并将其应用于水稻的促生试验，与对照组相比，施加固氮菌剂导致水稻株高增高了13%，谷物产量提高了32%．许芳芳[42]在内蒙古荒漠地区从杂草梭梭(Haloxylonammodendron)和白刺(Nitrariatangutorum)中分离和筛选出的PGPR包括16株肠杆菌属(Enterobacter)、1株小坂菌属(Kosakonia)、1株沙雷氏菌属(Serratia)，并将以上菌株制成混合菌剂应用于盐胁迫下的小麦进行促生试验，结果发现，相比于不加PGPR菌剂的对照组，混合菌剂处理的小麦根长增加了196.7%，根干质量增加了107.47%，根际盐质量浓度降低了49.88%，此研究结果表明，杂草PGPR对盐胁迫下小麦的生长具有显著的促生作用以及对盐碱地的改良具有较大的潜力．

5 总结与展望

目前，国内对于杂草根际土壤PGPR的开发还处于一个起步的阶段．而杂草是组成生态系统的一个重要部分，如何应用杂草PGPR迅速改变土壤生理生化以及吸附营养物质的性质以提高农作物的产量具有广阔的研究前景．特别是在胁迫环境下利用入侵性杂草PGPR对农作物进行促生具有重大意义，将其应用在营养缺乏以及金属污染的土壤中可以用较少的投入来实现经济作物的可持续栽培，对农业发展具有广阔的前景．但是，怎样在农作物的生产过程中，更有效地利用杂草根际土壤PGPR，仍然是一项艰巨的挑战，这需要进一步了解杂草入侵过程中微生物和土壤环境的响应机制，以及植物对根际微生物的反馈机制．