植物根际促生菌在瓜菜工厂化育苗中的应用技术研究进展

马凯 杨凡 段亚魁 唐艳领 蔡毓新 史宣杰 原玉香

摘 要： 植物根际微生态环境对于根系的健康发育、植株的茁壮生长意义重大。在瓜菜工厂化育苗过程中，幼苗根系生长空间小，持水保肥能力弱，微生态环境差，目前国内外相关学者的研究热点逐渐聚焦在通过接种植物根际促生菌或添加微生物有机肥来调控瓜菜幼苗根际微生物群落结构和多样性，以期达到活化养分、防控病害、促进幼苗生长的目的。笔者阐述了植物根际微生物的作用及其在瓜菜工厂化育苗中的应用技术研究进展。

关键词： 瓜菜； 植物根际促生菌； 根际环境； 工厂化育苗； 应用技术

Abstract： Plant rhizosphere micro-ecological environment is of great significance to the healthy development of root system and the growth of plant. In the process of industrialized seedling cultivation of melon and vegetable， the growth space of root system is small， the ability of water and fertilizer conservation is weak， and the micro-ecological environment is poor. At present， the research hotspot of relevant scholars at home and abroad is gradually focusing on regulating the structure and diversity of rhizosphere microbial community of melon and vegetable seedlings by inoculating plant rhizosphere growth-promoting bacteria or adding microbial organic fertilizer， in order to achieve nutrition activation， disease control and seedlings growth. The role of plant rhizosphere microorganisms and their application in industrial seedling breeding of melon and vegetable are discussed in this paper.

Key words： Melon and vegetable； Plant growth promoting rhizobacteria； Rhizosphere； Factory seedling production； Application technology

植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）作为一种能够促进植物生长、改善土壤环境的根际有益微生物，对农业产业的可持续发展起到十分重要的作用，数千年前就已经应用在农业生产中[1]。近代相关研究表明，PGPR具有促进种子发芽、提升幼苗活力、提高植株生物量及产量、增加植株抗性、调节开花周期等作用[2]。瓜菜工厂化育苗作为一种现代的农业产业化生产方式，在种苗培育过程中存在根系生长空间小、持水保肥能力弱、微生态环境差等问题，陈名蔚、陈姗姗、褚群等[3-6]在西兰花、番茄、西瓜等瓜菜作物工厂化育苗过程中的相关研究表明，通过将有益微生物菌剂或具有微生物活性的有机肥添加到育苗基质中，能够起到活化养分、防控病害、促进幼苗生长的作用。PGPR及其与植物的相互作用在农业可持续发展过程中具有相当高的商业利用价值和重要的科学研究意义，近年来，国内外相关学者的研究热点逐渐聚焦在通过接种植物根际促生菌或添加微生物有机肥来调控瓜菜幼苗根际微生态环境，笔者从植物根际促生菌的作用及其在瓜菜工厂化育苗中的应用两方面阐述植物根际促生菌在瓜菜工厂化育苗中的应用技术研究进展。

1 植物根际促生菌

1.1 植物根际环境

植物根际环境是植株根系周围一个有限的营养空间，是大量微生物活动的区域，包括促生菌、致病菌和中性菌等，Ahmad和O'Gara等[7-8]的研究表明，根际环境的微生物组成要比大田环境复杂许多，这是由于根际环境这个相对狭小的空间能够为微生物生长提供的条件要远远优于大田环境，并且植株的根系也可以分泌促进微生物生长的物质，相关试验的结果显示，根系周围存在的细菌数量是大田环境的10～100倍。

1.2 PGPR及其分类

PGPR是一类生长在植株根际环境中，能够促进植株生长、改善土壤环境的微生物的统称。降低化肥和农药的使用、提高作物产量和品质是现代农业可持续发展面临的重大挑战，作为环境友好的PGPR具有促进作物养分吸收、调节植株激素平衡、提高作物抗病能力等作用，可提升作物产量，改善产品品质[1]。目前，一些PGPR已应用于燕麦、油菜、大豆、马铃薯、玉米、番茄、黄瓜等作物中，效果良好[9]。依据与植物根际细胞的关系，PGPR可以分为胞外根际促生菌（extracellular PGPR，ePGPR）和胞内根际促生菌（intracellular PGPR，iPGPR），其中，ePGPR是指寄生于根际环境中或根系细胞表面的PGPR，也被称作自由生长的促生菌（free-living rhizobacteria），主要包括沙雷氏菌属、假单胞菌属等；而iPGPR是指寄生于根系上特有的根结组织中的PGPR，也被称作共生菌（symbiotic bacteria），主要包括固氮根瘤菌属、弗兰克氏菌属等，共生菌可以寄生在植株根系细胞内，直接参与植株的生理代谢[10]。

1.3 PGPR的作用

PGPR对于植株的促生作用包括直接作用和间接作用，其中直接作用主要包括作为生物性肥料刺激根系生长、促进根际修复及调控植株抗性等；間接作用主要是降低病害对植株的影响，其作用机制主要有2点：一是诱导根际环境内系统抗性的形成，二是与致病微生物形成养分竞争，抑制致病微生物生长[11-12]。具体来说，PGPR的作用主要包括：促进作物对养分的吸收，调节植株内激素的平衡，形成铁转运载体，产生挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOCs），提高作物对非生物胁迫的抗性；通过形成几丁质酶、葡聚糖酶及乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶等，提高作物对致病菌的抗性[13-14]。

1.3.1 促进营养吸收 PGPR自身不含营养元素，但能够通过提高根际土壤环境中营养物质的利用效率来促进作物生长。磷（phosphorus，P）作为植物生长发育所必需的大量元素之一，在根际环境中主要以非溶解形态存在，利用效率很低。研究表明，根瘤菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属等都是重要的溶磷细菌，能够促进植物对磷的吸收，其中从根际土壤中分离出的Kocuria turfanensis strain 2M4株系就是一种很好的溶磷细菌，并且还具有产生生长素和铁转运载体（siderophores）的功能[15-16]。铁（iron，Fe）作为植物生长发育所必需的微量元素之一，在土壤中通常以非溶解性矿物质的形式存在，某些PGPR具有分泌铁转运载体的功能，铁转运载体是一类具有螯合Fe3+的小分子蛋白复合物，Flores-Felix等[17]在草莓中的研究表明，Phyllobacterium株系就具有很好地促进作物对铁吸收的功能。

1.3.2 调节植物激素 植物激素对于植株的正常生长及抗性意义重大。PGPR不仅能够在外界条件的影响下自主产生植物外源激素，并且可以调节植株的内源乙烯含量进而促进植株生长[1]。由PGPR产生的生长素IAA能够通过与植物内源生长素的相互作用，共同影响、调节植物细胞分裂和分化，刺激种子萌发，促进根系发育，抵抗各种生物及非生物胁迫等，低浓度的PGPR源IAA能够促进初生根的伸长，而高浓度的PGPR源IAA则能够刺激植株形成侧根。此外，PGPR源IAA还能够提高根系表面积、促进根系分泌物的形成，进而提高营养物质的吸收效率。某些PGPR能够形成赤霉素（GA）或GA类似物，Bottini等[18]研究推测，PGPR源GA能够通过提高植株根毛密度来增加根系对土壤中营养和水分的吸收。在细胞分裂素方面，PGPR源细胞分裂素能够通过调节植株的节间发育来影响植株的株型发育。乙烯作为调节植株抗性的重要激素之一，在许多作物中受到PGPR的影响，其中，根瘤菌作为一种重要的PGPR，主要通过ACC脱氨酶来调节植株内源乙烯含量。Ahmad等[19]的研究表明，能够产生ACC脱氨酶的Rhizobium和Pseudomonas株系在盐胁迫下可以通过调节植株中乙烯含量来促进绿豆的生长发育。因此，在植株的正常生长发育过程中，PGPR源激素能够通过协助植株内源激素的代谢及信号途径调控植株的正常生长发育。

1.3.3 提高植株抗性 植物在生长过程中要承受一系列来源于土壤条件的胁迫刺激，主要包括生物胁迫和非生物胁迫2类，生物胁迫主要是指土壤中具有致病性的真菌、病毒、细菌、根结线虫及其他害虫等；非生物胁迫主要是指重金属、干旱、养分缺乏、盐害和极端温度等[1]。在抵抗非生物胁迫方面，PGPR主要通过促进植株营养吸收、调节植株体内激素代谢来完成。在抵抗生物胁迫方面，PGPR主要是通过产生挥发性有机复合物及保护性酶类来实现。Bacillus、Pseudomonas、Serratia、Arthrobacter及Stenotrophomonas等细菌类PGPR产生的挥发性有机复合物能够诱导植株形成对致病菌的系统抗性，Bacillus形成的羟基丁酮（Acetoin）和丁二醇（2，3-butanediol）等挥发性有机复合物在拟南芥中表现出较好的促生作用[20]。大多数致病微生物细胞壁的组成成分是几丁质和β-葡聚糖，PGPR能够通过产生几丁质酶和葡聚糖酶等保护性酶类来抑制致病菌的生长，进而提高植株对致病菌的抗性。Sinorhizobium fredii KCC5及Pseudomonas fluorescens LPK2产生的几丁质酶和β-葡聚糖酶具有很好地控制枯萎病的功能[21]。Bacillus spp.和Pseodomonas spp.具有良好的芽孢形成能力，在实际生产中具有较好的生防效果，其中，Bacillus subtilis、Basillus amyloliquefacients和Bacillus cereus是最有效的病害防控促生菌，可以通过多种机制控制致病菌的发生发展[22-25]。

1.4 PGPR的负面效果

PGPR在维持土壤肥力、促进作物生长发育方面发挥的作用是毋庸置疑的，但也存在一定的负面影响。例如，Pseudomonas的某些株系产生的氰化物就具有促进和抑制植株生长的双重效应；Vacheron[26]的相关研究表明，PGPR产生的生长素在影响植株生长方面也具有两面性，低浓度的生长素促进根系生长，而高浓度的生长素则会抑制根系生长。另外，Bradyrhizobium elkanii产生的根瘤菌毒素作为一种乙烯合成抑制剂，在调节植株乙烯代谢方面具有重要的作用，但如果使用不当，也会引起叶片黄萎病的发生[27-28]。

2 PGPR在瓜菜工厂化育苗中的应用

2.1 瓜菜工厂化育苗

瓜菜工厂化育苗技术是农艺农技与农业设施设备的高效融合，能够大大提高新优品种的示范推广速度，是瓜菜生产过程中的关键环节之一。随着我国瓜菜生产的标准化、规模化发展，瓜菜产业对工厂化育苗水平提出了更高的要求。工厂化育苗虽然具有省工、节能、适于机械化操作等诸多优势，但存在根系生长空间较小、育苗基质保水保肥能力弱等弊端，所以基质水肥的有效、适量、稳定供应对于优质种苗的培育至关重要。瓜菜幼苗生长过程中对矿质养分的吸收利用，除受自身遗传特性的影响外，还与环境因子、灌溉等其他育苗技术措施密切相关，是一个非常复杂的过程[29-30]。特别是在穴盘育苗条件下，根系发育空间有限，基质缓冲能力小，根际环境变化快，养分容易被冲淋，更增加了施肥难度，育苗者还需要依靠养分供给控制幼苗生长速度。在实际生产中，即使是多年从事育苗工作的技术工人，仍难以完全避免幼苗缺素症和中毒症的发生。目前，通过应用PGPR调控根际微生态环境来促进幼苗生长发育、提高幼苗抗性、降低幼苗病害发生是瓜菜工厂化育苗关键技术的前沿热点[31]。

2.2 PGPR的应用

PGPR作为生物肥料的重要原料之一，在全球范围内农业可持续发展方面发挥着重要的作用，其应用范围涵盖了种子处理、植株叶面喷施及土壤修复等方面。但在实际应用方面，只有充足的活菌数才能发挥PGPR对N、P、K等营养元素的转换作用和对致病菌的抑制作用[3]。芽孢杆菌属PGPR的应用较为广泛，主要在于其耐受极端条件的能力较强，而其他种类的PGPR尽管在研究阶段取得了较好的成效，但由于各类PGPR对于生长条件要求严苛，使得其在接种后不久，土壤中菌落数量就会迅速下降，无法起到预期的效果，由于热量、紫外线照射等因素，PGPR的实际应用效率在10%左右。因此，目前对于PGPR的研究主要集中在提高其定殖能力和定殖后的活性等方面，全面了解PGPR的作用机制对于充分发挥其在农业系统中的作用至关重要。Tarafdar A等[32-35]的研究表明，将纳米技术与PGPR应用技术的有机结合是今后生物肥料的发展方向。

2.3 PGPR在瓜菜工厂化育苗中的应用

在瓜菜工厂化育苗过程中，主要是将PGPR添加到基质中，以配制功能型微生物活性基质。将PGPR接种到育苗基质中不仅能够促进瓜菜种苗的生长，而且可以提高种苗对致病菌的抗性，将种苗定植到大田环境之后，幼苗根际环境的PGPR仍处于高浓度状态，其作用还将持续一段时间，起到一定的防治土传病害和连作障碍的效果。

草炭是育苗基质的主要原料，其中的磷以有机磷为主，质量分数占4%～10%，很难被作物吸收，解磷菌能够降解不能被植物直接吸收利用的磷，将其加入基质中可将有机磷转化为无机磷，以提高磷的有效利用率。陈姗姗等[4]在烟草上的研究发现，分离出的10种PGPR都具有促生效果，包括固氮、解钾和溶磷等，最佳使用浓度也有所差异，以106 cfu·mL-1的菌液浓度接种，应用效果较好的有GN01、RP01和JK03；以103 cfu·mL-1的菌液浓度接种，应用效果较好的有JK04、RP02和JK02；但结合幼苗生长情况，接种具有解钾作用的PGPR要优于接种具有固氮和溶磷作用的PGPR，且103 cfu·mL-1为最佳接种浓度。在瓜菜种苗培育过程中，褚群[5]通过将解磷菌M20应用于番茄、西瓜工厂化育苗过程中发现，在基质中接种108 cfu·mL-1的解磷菌能使番茄、西瓜幼苗叶面积、茎叶干质量、根干质量和壮苗指数增加，磷吸收量增加，基质中性磷酸酶活性和植酸酶活性提高，幼苗根际细菌群落结构发生变化，根际细菌多样性降低，并使某些有益微生物丰度增加，促进了番茄和西瓜幼苗的生长发育和壮苗形成。王其传[36]在功能型防病促长基质应用方面的相关研究表明，接种108 cfu·mL-1的BBS合剂的功能型生物活性基质在西瓜、西兰花、辣椒等瓜菜作物种苗培育过程中具有良好的促生和抗病效果，与常规育苗基质相比，促生效果分别能够达到63.13%、74.20%和35.27%，防病效果分别能够达到87.5%、83.1%和79.5%；在防治黄瓜根结线虫方面，应用微生物功能型基质（接种108 cfu·mL-1的AR156-2生防菌剂）培育黄瓜幼苗，促生效果明显，且定植后对根结线虫病害有明显的抑制作用。陈名蔚等[3]在西兰花工厂化育苗中的相关研究表明，喷施PGPR能有效降低西兰花幼苗的株高，并提高茎粗、根系生长量和根冠比，增加地上部分和地下部分质量及有机质含量，促进西兰花壮苗的形成。

3 小结与展望

根系的良好生长是瓜菜壮苗形成的前提条件，尽管根际微生物对于根系的生长发育十分重要，但是人们对根际复杂的植物-微生物相互作用的了解尚处于起步阶段。由于它们的相互依存关系，植物和微生物可以被认为是超级有机体，类似于人类与肠道微生物菌群的关系，植物依靠根际微生物辅助完成营养物质的吸收等特定功能。与微生物相关的植物根系研究目前处于根系生物学研究的前沿。

PGPR并不属于肥料，但其能够通过改善基质或土壤条件进而增加肥效，促进植株生长发育。但与肥料相比，PGPR菌剂具有安全环保、肥效持久、改善土壤理化性状等优势，在瓜菜工厂化育苗中具有广阔的应用前景。

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