果树根际微生物研究进展

周慧杰

塔里木大学 生命科学学院，新疆阿拉尔 843300

果树根际微生物是生活在果树根域微环境中，活动于根际土壤中的一类微生物群落，它包括细菌、真菌、放线菌、病原体及一些特异菌等，以细菌为主，其中革兰氏阴性菌拥有相对优势。土壤环境是果树与微生物相互作用的场所。根际是土壤—微生物—植物间相互作用的重要界面，是养分或者有害物质从土壤进入植物的重要门户和通道[1]。果树根际微生态系统是以果树—土壤—微生物及其环境条件为主要内容的微生态系统[2]。在果树生长发育过程中，凋亡的根系及其脱落物（根毛、表皮细胞、根冠等）、分泌物是根际微生物重要的营养和能量来源；由于根系的穿插作用，使根际的水分状况和通气条件往往优于非根际土壤，从而形成有利于根际微生物生长繁殖的微环境。根际微生物与果树之间可能存在共生或是寄生等关系。果树根系分泌物影响微生物群落的同时，微生物及其代谢产物也作用于果树，大多数微生物对果树是无害的，一些微生物代谢产物还可以促进果树生长，而果树根际分泌物存在杀害或者抑制微生物生长的现象，也有一些土著性病原微生物会造成果树病害，不利于果树生长。果树—微生物互作是一个十分复杂的关系网，两者以土壤为媒介相互作用、相互影响。

1 果树本体

果树即果实可食用的树木，是指能提供可供食用的果实、种子的多年生植物及其砧木的总称。果树产业是我国农村农业经济收入的一项重要来源，对提高当地人民生活水平，促进当地农业经济发展具有重要意义[3]。对于如何提质增效，已是果树产业实现可持续发展亟待解决的问题[4]。就目前现状而言，人们并不满足于关于果树本身的研究，大部分人都在研究果树外部环境，如根域微环境、物候、生物胁迫等。关于果树根际微生物的研究已成为当前的热点问题，不同果树对根际微生物的影响也不同，邵微等人通过研究8种不同落叶果树的结果表明：不同果树的种植能够显著影响根际微生物群落的代谢与功能多样性指数，其中石榴、樱桃及苹果根际微生物群落代谢水平与功能多样性指数均较高，而杏树与桃树则处于低水平[5]。其实，对果树根际微生物最重要的影响因素主要是根系分泌物和果树脱落物，其中根系分泌物最重要。

1.1 根系分泌物

果树根系分泌物是果树生长过程根系不同部位向土壤介质中分泌或释放的一类有机物、高分子黏胶、气体、离子、根细胞脱落物及其分解产物等物质的总称，是果树通过地下部分与环境之间进行物质、能量以及信息传递的重要媒介[6]。它是影响根际微生物群落分布和变化最重要的因素。不同果树根际分泌物不同，苹果幼苗的根系分泌物主要包含有机酸、乙二醇、酯和苯酚衍生物，桃根分泌物还包含酚酸和苯酚衍生物，枣的根分泌物不含任何酚酸[7]。但它们都会对根际微生物造成一定的影响，果树的化感自毒作用物质也会影响微生物群落变化[8]。有研究表明：根系分泌物在植物诱导微生物繁殖建立共生防御机制时起到介导的作用，是根际对话的调控者，功能包括营养功能、促进植物营养吸收、保护功能等[9]。

1.2 果树脱落物

果树脱落物对根际微生物的影响不如根际分泌物强烈，但它也是影响根际微生物的一个重要因素，同时它会被根际微生物分解。果树地上部分脱落物腐烂分解成有机质等进入根际土壤中则会对根际微生物造成一定影响，同时果树脱落物所分泌的细胞代谢产物可能对根际微生物产生影响。例如，有研究表明：添加秸秆后玉米根际微生物对根系分泌物的同化作用减弱[10]。落叶松凋落叶覆盖可增加土壤微生物的数量，且对真菌数量的增加最显著、落叶松凋落叶水提液可增强土壤酶活性、提高有机质分解速率和土壤中相关营养元素的转化效率[11]。果树地下部分脱落物主要是根系代谢产生的，对根际微生物的影响大于地上脱落物。这都从侧面说明了果树脱落物对果树根际微生物具有一定的影响。

2 根际微生物

果树根际微生物分为有害微生物和有益微生物，有益菌往往促进果树生长，有害菌则抑制果树生长（如病原微生物等），但是它们都参与了生态系统的物质循环、能量流动等过程，对维持生态系统的稳定具有举足轻重的作用。果树根际微生物与果树根系之间的关系主要表现为竞争、抗生、寄生、溶菌和诱导抗性等[12]。另外，根际线虫会影响根际微生物[13]。果树的生长、繁殖、代谢与根际微生物密切相关，利用根际微生物，提高果树的生长量，增强果蔬的抗逆性和抗病性已引起研究者的高度重视，它们甚至会影响果树的次生代谢、物候以及抑制病原微生物的入侵[14-15]。目前，深入研究根际微生物，通过筛选出根际有益菌，扩培接种于果树，增强其抗逆性，或者筛选出有特异功能的新菌株应用于活性药物制造等已经成为主流。相关研究表明：接种PGPR（从香蕉根际土壤分离筛选的植物根际促生菌）菌剂能显著促进香蕉苗期植株生长，加强植株养分吸收，有效防控香蕉枯萎病[16]。一些菌根真菌还具有促进不定根形成和生长的功能。微生物菌根代谢产物球囊霉素（丛枝菌根真菌产生的一种含有金属离子的耐热糖蛋白）相关土壤蛋白的研究也备受重视[17-20]。这说明根际微生物对果树的影响巨大。

3 根际土壤

果树根际土壤是果树和微生物进行互作的界面，是联通果树与根际微生物的重要桥梁。果树根际土壤状况, 在很大程度上影响果树的生长发育和果实的产量与品质, 还与果树的抗逆性和根系病虫害的防治密切相关。根际微生物生活在根际范围，主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类、原生动物等，其种群组成和数量变化可反映土壤的质量和肥力水平[21]。土壤微生物、酶活性和土壤养分相互之间存在较为广泛的相关关系[22]。有学者研究表明：土壤不同指标的根际效应间存在强烈的正相关关系，例如H+浓度的根际效应和土壤有机碳、总氮和微生物生物量等存在显著的正相关关系，土壤酶活性也会影响根际微生物活性。陈汝[23]研究也表明：土壤微生物数量与土壤酶活性之间存在相关关系。

4 果树根际微生物的研究方法

果树根际微生物的研究方法已经不受传统研究方法的限制，虽然传统的培养方法是最基础的实验方法，但是传统方法不仅费时费力，还会受到各种不确定因素的影响，想要快速、准确地筛选和鉴定果树根际微生物，必须应用新技术。例如，高通量测序技、同位素示踪技术、微生物定量分析等已成为新潮，目前这些技术已经广泛被应用于根际微生物的研究中[24]。

4.1 高通量测序技术

高通量测序技术包括16 S rRNA基因测序、Ⅰ llumina MiSeq 高通量测序等，能一次性对几十万到几百万条DNA分子序列进行测序，目前已经得到广泛应用。由于土壤微生物的多样性和根际土壤的复杂性，传统的微生物分析方法无法更深入地研究大多数微生物，高通量测序技术应运而生。新一代高通量测序技术的出现加速了根际微生物的研究，与传统测序技术相比，它更加具有自动化、通量高、成本低等特点，能在整体水平上破译原位复杂环境中土壤微生物群落的多样性[25]。

4.2 同位素追踪技术

同位素追踪技术就是利用放射性同位素或富集的稳定核素作为示踪剂（关于植物—微生物的研究常用13C、15N、18O等做标记底物），通过相关检测研究其在植物、动物、微生物等中的流动、转运、代谢等过程的新技术，目前已被广泛运用于一些农作物与根际微生物关系的研究。有人通过同位素追踪技术追踪从植物到根际土壤的13C的运动，然后利用13C标记的DNA的高通量测序来表征真菌群落，发现长期施氮会改变小麦13C标记的根际真菌群落组成，但不会改变微生物多样性，这就是同位素示踪技术的应用实例[26]。

4.3 根际微生物定量分析

根际微生物的定量分析是以一些rRNA、质粒等为指标，研究确定微生物总量和个体微生物相对于植物宿主丰度的一种新技术，它常常联合高通量测序技术共同使用[27]。高通量测序无法确定微生物总量和个体微生物相对于植物宿主丰度，而进一步分析根际微生物定量，便可达到此目的。

4.4 根际根箱法

根际根箱法用于根际微生物研究主要是利用厚度为1～2 mm 的聚乙烯根箱、塑料框或孔径小于25 μm的尼龙网等控制土壤厚度，将土壤分割成很多土壤微区域，然后对各个微区域土壤进行破坏性取样，以研究根际微生物状况。该方法相比抖落法、土壤溶液法、根垫法和离子交换树脂埋置法，它的应用更为广泛，实际操作过程也不难[28]。但该方法所获得的结果也并不是准确无误的将含有根系的微区土壤作为根际土壤，无根系微区作为非根际土壤并不准确，实际上并非所有根箱中的土壤都会受到根系的显著影响，可能既低估了根系对土壤的影响，也低估了根系对根际微生物的影响。而且植物吸收水分的同时，降低了根箱中土壤含水量，抑制了根际微生物的活动，这必然会影响根际微生物效应的测定。目前，使用最理想的方法还是高通量测序、同位素示踪及微生物定量分析等方法。

5 未来展望

果树—土壤—微生物三者相互作用，相互影响，对维持果树产业发展，维持生态系统的稳定性等有着重要意义。土壤的性质、果树的种类、年龄和生命活动等都会影响果树根际微生物的生理代谢，从而影响其数量和种类；而根际微生物也对土壤的生物化学活性、养分的组成与转化；果树的生长发育、抗胁迫能力具有直接影响。植物—微生物互作研究是当前的热点，关于果树—土壤—微生物的相互作用关系的研究还需要进行更深一步的研究和探索。果树根际微生物的研究方法还需要更加精细化和准确化。未来果树产业的发展应该朝着栽培高效化、产量最大化、品质优质化等方向发展，不断增强果树的抗逆性，通过研究果树根际微生物和根域微环境，可以找到适宜的种植方法。随着人们物质生活水平的提升，将果树作为居家观赏植物已成为趋势，这就要对果树进行矮化和根域限制，而这一切与根际微生物的研究息息相关。另外，果树根际微生物新菌株的筛选鉴定不容忽视，研究果树根际微生物的同时，找到并筛选出新的菌株，并用于果树抗性接种、微生物肥料调配和活性药物制造等方面，这必将造福于人类社会。