根际促生菌在植物盐胁迫方面的应用研究

吴玉德邢思文张旭关法春吴恒梅翟登攀李春丰许龙李修平邹玉

(1.佳木斯大学生物与农业学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.吉林农业科学院，吉林 长春 130033)

农业种植产业开始以来，对于如何提高作物生产力以供养不断增长的人口一直是一个严峻问题。如2018年全球农业生产力指数所强调，目前的农业生产增长率不足以满足2050年预计的100亿人口的粮食需求[1]；报告还指出，在这种情况下，全球农业生产率必须每年提高至少1%。在农业生态系统中提高作物生产力是一个复杂的过程，而且受到土壤气候条件、耕作系统和管理技术的极大影响至今[2，3]，全世界约有8亿hm2的可耕地受到土壤盐碱化的影响，有1%～2%的可耕地因土壤盐碱化而减少[4]。据预测，到2050年，盐碱化将影响全球50%的耕地，盐浓度过高会导致土壤中种植的植物根系无法正常吸收水分，作物体内会产生渗透胁迫和离子胁迫，造成严重的产量损失。为了使作物提高产量并在不同环境中生存来降低盐胁迫，如代谢调节、增加Na+、清除自由基、保护细胞机制、维持离子稳态、一些蛋白表达及其基因上调等调节方式[5，6]。盐碱化是通过改变植物的形态、生长发育和分子机制从而干扰作物的生长、发育和产量，是一种重要的非生物胁迫方法。而近年来，耐盐微生物可以在渗透和离子胁迫下生存改变植物离子稳态、光合机制、抗氧化机制和减少氧化损伤来增强植物的耐盐性，进而增强植物的生长和增加产量[7]。在盐胁迫条件下接种根际促生菌可提高作物生产量，增强不同植物的耐盐性。

1 概念及特性

植物根际促生菌能促进植物生长并且能够定殖在植物根系的微生物上，其中根际促生菌有一种耐盐基因，为杆状革兰氏阴性菌，能产生大量鞭毛[8]。在农业中常被用作化学替代品，作用于作物生产和植物保护方面[9]。植物根际促生菌在作物生长过程中起着重要作用，能够参与土壤各种生态系统的活动，使其动态周转和可持续作物生产，通常以竞争方式定殖于植物根系，并通过不同的机制促进植物生长来合成多种物质，包括胞外聚合物质、1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶、植物激素、抗氧化剂和挥发性化合物等。研究表明，根际细菌不仅促进植物发育，还能同时向植物提供氮、磷、钾、生长素、细胞分裂素和脱落酸来减少盐胁迫的程度[10]。

2 盐度对作物的危害性

土壤盐度对植物健康具有全方面的危害影响。盐度影响开花和结果的状态，生殖生理失去平衡，最终影响作物产量和生物量。有研究表明，盐度可导致种香菜开花减少50%[11]。据研究表明，在番茄中高盐胁迫会影响开花过渡期，会导致花序延迟开放，并降低茎和根的生长[12]。在鹰嘴豆中，延迟开花与完全展开叶片中较高浓度的Na+直接相关[13]。盐过敏感(SOS)途径是参与Na+挤压和维持细胞水平离子稳态的主要防御途径，报告指出，在盐胁迫下与开花相关的SOS和光周期和及其开放蛋白失活[14]。盐胁迫对植物生殖生理有显著影响，在番茄中，暴露于盐胁迫导致花柱、子房和花药中间层Na+积累，导致花败育率增加，花粉数量减少，植株活力降低。盐胁迫通过抑制穗发育和降低产量能力来减缓小麦的生长，而在盐过敏水稻中，小穗的形成也会降低产量[15]。在水培溶液中研究了盐度对拟南芥的影响，发现盐会导致许多症状，包括育性降低，果实长度下降，短暂萎蔫以及果实中胚珠和胚胎的主要流失，胚珠和胚胎更窄、尺寸变小[16]。同样，盐对油菜籽植物早花期和雄配子体的影响表现为花粉粒数减少和花药生长异常，这些症状间接导致作物减产。

盐胁迫的剧烈影响可以从产量损失方面看出来。与作物产量相关的主要影响可以从发芽方面看到，在极端盐水条件下，发芽要么减少，要么有时停止。Ali Khan等[17]研究表明，在盐条件下，珍珠粟的生长、产量和生物量在发芽率、株高、叶面积、总生物量和籽粒产量等方面都受到不利影响。盐度对豌豆的影响也被发现对生长、产量和生物量产生不利影响[18]。Farooq等[19]回顾了盐胁迫对豆类作物的影响，描述了豆类作物的盐度可能使作物产量降低12%～100%。Faravani等[20]研究了黑孜然的耐盐性及其对种子萌发和产量的影响，虽然精油的百分比没有受到影响，但盐度水平从0.3dS·m-1增加到39dS·m-1，降低了平均种子产量和生物产量。同样，不同盐度对具有重要营养价值的杂草植物马齿苋的影响表现为生物量和产量减少，生理属性及其茎和根结构都会发生变化[21]。因此，盐度对不同的作物有广泛的影响，甚至完全丧失产量。这对土壤质量、温室气体(GHG)排放和粮食安全有其自身的影响。

3 促生菌在抑制植物盐胁迫的应用研究

3.1 促进植物生长发育

根际促生菌在促进植物的生长发育的同时，还具有固氮能力，根际促生菌侵入到植物的根部为植物提供氮营养，研究表明，在盐碱土壤条件下的田间试验时，加入PGPR的作物在生长和产量方面情况较好，PGPR增加了盐胁迫下的种子萌发、植株高度、生物量和叶绿素含量，从而改善了土壤盐度的负面影响。PGPR合成植物促进生长剂吲哚-3-乙酸(IAA)，可以促进植物体内的细胞分裂从而加快植物的生长发育促进果实的成熟。研究发现，水势和气孔开放也是植物生存的关键性生理活动，在盐胁迫条件下也被PGPR调节，以改善盐胁迫[22]。常萌[23]研究发现，在星星草中筛选出1株植物促生菌，在盐浓度为0.15mol·L-1NaCl处理下，水稻幼苗叶片中叶绿素、可溶性蛋白、脯氨酸的含量都具有显著提高，丙二醛(MDA)和各种抗氧化酶都有明显下降趋势，证明H5根际促生菌对水稻在应对盐胁迫的反应时可以明显起到抑制作用，促进水稻的生长发育。Sibponkrung等[24]研究发现，将芽孢杆菌S141与USDA110同时接种至大豆植物中会产生较大的根瘤菌，可能是菌株S141可以产生细胞分裂素从而提高大豆结瘤和固氮的效率。赵玲玉等[25]研究表明，将芽孢杆菌WM13-24、假单胞菌M30-35、根瘤菌WMN-3、解淀粉芽孢杆菌GB03和苜蓿中华根瘤菌ACCC17578复合配制施肥番茄植株与没有添加根基促菌的组别对比使用复合菌肥处理后的效果更加明显，番茄的生产量、可溶性糖含量及维生素C含量等均有显著提高。枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和巨大芽孢杆菌可以大大减轻盐胁迫对玉米植物的毒性作用，并可以促进玉米的生长，提高玉米耐盐性[26]。在盐胁迫条件下，与对照处理相比，阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)PM23促进了玉米的生长、生物量、光合色素含量、类胡萝卜素和相对水分含量[27]。慢生根瘤菌属(Rhizobium sp.)的使用与对照组相比效果显著，提高大豆的耐受性及植株生长，从而提高了作物产量[28]。

3.2 维持离子稳定性、抗氧化酶活性

盐浓度高的土壤中物理化学性质受到破坏，会导致土壤中Na+含量较高，严重阻碍作物根部对氮、磷、钾、钙等元素的吸收，PGPR可以促进作物根系对阳离子的吸收，调节植物体内离子平衡PGPR可以通过正向调节离子稳定性和抗氧化酶活性，改善光合特性、次生代谢产物积累和降低氧化应激，缓解盐分队植物生长的抑制。通过加入PGPR提高植物的脯氨酸和可溶性糖含量，同时降低钠(Na+)含量，降低了盐度的恶劣影响，从而减少电解质泄漏量和H2O2含量[29]。部分PGPR降低了氯气和二氧化氮浓度，提高了K+/Na+比值，这有助于提高气孔导度，维持了盐胁迫下的激素平衡和光合作用[30]，根瘤菌(Kocuria rhizophila)可提高玉米IAA和ABA活性；耐盐基因ZmNHX1、ZmNHX2、ZmNHX3、ZmWRKY58和ZmDREB2A表达上调；K+/Na+比值的升高，所以PGPR改变盐胁迫下Na+、K+和Ca2+的选择性，从而通过离子稳态性维持离子平衡[31]。荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescence)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)和金橙色微小杆菌(Exiguobacterium aurantiacum)在10%NaCL的浓度下根系生长最大，干生物量最高，脯氨酸和总可溶性蛋白含量较高，抗氧化活性提高，水和渗透势提高[32]。此外，在生理盐水的条件下，接种PGPR会使玉米降低根系的K+，而增加枝条的K+浓度，这种可能与高亲和力的K+转运体有关[33]。PGPR的加入可以降低盐度对植物生长的影响，调节植物体内离子平衡。

3.3 调节基因表达

PGPR在盐胁迫下生存，会改变耐盐基因的表达[34]。TaABARE、TaOPR1、TaMYB、TaWRKY、TaST、TOS1、SOS4、TaNHX1、TaHAK和TaHKT1基因在PGPR接种植株中表达上调，导致胁迫相关基因的表达[35]，耐盐基因ZmNHX1、ZmNHX2、ZmNHX3、ZmWRKY58和ZmDREB2A上调，抗氧化剂ZmGR1(玉米谷胱甘肽还原酶)和ZmAPX1(玉米抗坏血酸过氧化物酶)转录水平上调，当接种植株中的PGPR增强了CAT、POD、APX、MnSOD、GR和GPX等抗氧化酶基因的表达后，其耐盐性也会增强[36]。在盐条件下通过施用PGPR可以提高植物的生长和产量，接种PGPR的植物中观察到促进耐盐相关的基因TaST的表达增强，改善离子转运体TaNHX1、TaHAK和TaHKT1和抗氧化物酶，此外在高盐度下的接种谷氨酸杆菌属显著降低了MDA水平，同时提高了SOD、CAT、APX和GR的活性[37]，PGPR被认为是一种很有前景的植物在盐环境下生存现代农艺策略。在未来，分子研究可能会揭示PGPR分离株的有效性和作用机制，以在短时间内提高其对可持续农业生产的应激响应能力。

4 小结

农业生产力的被限制最具破坏性的环境因素之一就是盐度[38]。盐胁迫引起的氧化应激和Na+离子吸收导致离子不稳定导致植物体内的细胞损伤，从而抑制植物生长，会对植物的形态和生理特性产生不利影响。寻找一种可持续发展方案减少盐对植物的危害是有必要的，植物根际促生菌通过维持离子稳态，增强抗氧化酶活性，降低渗透和氧化应激，调节基因表达等方式促进植物生长和提高耐盐性，从而提高植物的生长和生产力。虽然在盐胁迫下根际促生菌对不同作物的调控作用进行了一些研究，但在分子、生化和生理特性水平上仍需要进一步探索。