低温微生物及其在农业生产中的应用研究进展

王奕，宫春杰

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉430086）

寒冷胁迫在地球生态系统中普遍存在，90%的海洋温度在5℃以下，如果包括陆地，约80%的地球生物圈处于永久性寒冷中[1]。微生物在这些寒冷环境中占据主体生态地位，特别是细菌，还有古生菌、酵母、蓝藻和原核生物，此外，微藻类和病毒也很常见[2]。1887年，首次发现微生物在0 ℃下具备生长能力，科学家定义了和低温微生物有关的概念，并将其分为嗜冷微生物和耐冷微生物两大类：嗜冷微生物最适生长温度≤15 ℃，最高生长温度≤20 ℃，且生存于海洋、极地和冰川等永久性低温环境中；耐冷微生物在接近冰点时生长良好，最高生长温度可以超过20 ℃，与嗜冷微生物不同，耐冷菌广泛分布于自然环境和食物中[3]。低温微生物广泛分布于农业生态系统中，在植物中发挥着固氮、促进植物生长和减轻寒冷胁迫等功能，因其促进植物生长和产活性酶的能力受到科学界广泛关注，在农业领域具有广阔的应用前景[4]。

1 低温微生物的适冷机制概述

温度对微生物生存有很大影响，低温会降低细胞膜流动性和代谢速率、降低核酸二级结构的稳定性而影响DNA复制和mRNA转录及翻译，甚至导致死亡。低温微生物能在低温环境中生存和生长，主要因具有其他细菌不存在的生理机制，使得低温微生物能很好地适应低温环境胁迫，这些机制包括：（1）增加细胞膜流动性；（2）降低细胞质水相的凝固点和大分子的稳定性；（3）通过冷休克蛋白和冷驯化蛋白降低细胞对温度的反应；（4）通过过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶和氧化还原酶保护细胞免受活性氧损伤，并保持低温下较高的催化效率[5]。

2 低温微生物在农业生产中的研究进展

低温微生物已被证明在食品、医药、环境保护、纺织等多个领域具有广阔的应用前景，可以通过应用于各个领域提高人类的生活质量等。同时，低温微生物广泛分布于农畜牧业领域，引起了很多学者的兴趣。

2.1 低温微生物促进植物生长

低温影响农业生产，低温下接种具有多种促进植物生长的高效微生物可能成为促进作物生产的方法之一。有研究表明，微生物具有缓解植物冷胁迫方面的作用[4]。这些微生物通过生长素、细胞分裂素等植物激素的合成，磷、铁和锌的增溶，铁载体的合成，1-氨基环丙烷1-羧酸转氨酶的活性和对抗有害微生物等途径对植物生长产生影响。有报道表明[6]，接种某些微生物后，植物对非生物胁迫的耐受性基因上调。许多杆菌菌株表现出促植物生长（PGP）活性，并有大量被开发为生物特异性的植物生长促进剂和杀菌剂。在冷适应植物生长促进菌株中，假单胞杆菌和微小杆菌具有明显促生长功能，且均来自低温环境。近年来，耐冷型植物生长促进菌被用来改善植物低温胁迫。从印度西北部喜马拉雅山脉寒冷沙漠中分离出了低温下具有PGP活性的菌株，有望为山地农业开发有效的植物生长促进剂。除此之外，这些菌株还表现出对低pH和高pH以及高盐浓度的耐受性，说明能在酸性土壤和盐碱土壤的丘陵山区作为微生物接种剂发挥作用[4]。

植物的非生物胁迫对世界各地的谷类作物生产造成了重大威胁，冷胁迫是导致小麦生长缓慢和产量下降的原因之一。科学家从青藏高原极端根际环境中分离到嗜冷的植物生长促进菌：芽孢杆菌CJCL12和芽孢杆菌RJGP41，通过接种这种嗜冷的植物生长促进菌来缓解植物的低温胁迫。研究中发现，冷胁迫下接种菌对植物生长的促进作用是缓解低温胁迫、拥有促进植物生长基因和调节重要植物激素表达的累积效应[7]。

除应用于促进植物生长的细菌，科学家从墨西哥西南特卡特尔火山根际土壤中分离到8株酵母菌，首次使用嗜冷/耐冷酵母作为植物生长促进微生物的进行研究，并用番茄作为实验对象，接种这些酵母菌株。结果表明，在15℃的培养条件下，有些接种菌的番茄植株比未接种的植株表现得更好，这为冷环境中以植物生长促进菌作为添加剂提供了新的可能性[8]。

2.2 低温微生物与病害防治

低温微生物除了能通过各种途径缓解植物的低温胁迫等非生物胁迫，还能缓解植物的生物胁迫，如对抗病原菌。在秘鲁喀喀湖附近的两个海拔超过3 900 m地区，芽孢杆菌在当地马铃薯的根际定植，并抑制真菌类植物病原体（水稻纹枯病菌和茄腐镰刀菌）的生长；从秘鲁和玻利维亚的安第斯山脉中部高地不同海拔高度的土豆根际分离到的芽孢杆菌，既能促进马铃薯的离体生长和发育，又能够保护植株免受水稻纹枯病菌感染。从低温环境中分离出木霉菌的拮抗菌株，发现木霉菌也可以提高植物对病原菌的抗性[9]。

有些低温微生物被发现是对植物生长有益的，也有对植物生长产生有害作用的，如病原菌。北方菌核真菌是一种寄主范围广、环境持久性的坏死性植物病原真菌，最适生长温度在4～10 ℃，在积雪覆盖的情况下感染植物，引起植物雪霉病。Mardanov等[10]对一株菌核病原菌和两株灰霉病菌进行了基因序列分析，发现其中有与植物细胞壁降解有关的基因。因此，研究引起植物生物胁迫的低温病原菌并发现其致病机制，有益于发现新的生物防治方法。

2.3 对农畜牧产品生产的影响

20世纪以来，人们开始研究乳制品中腐败微生物。1960年，科学家发现一株嗜冷的名为色素细菌的革兰氏阴性菌，这种菌是引起冷藏、巴氏杀菌零售牛奶和奶制品中发生紫色变色的病原菌，且被分离出来的色素细菌在56℃下暴露5 min即可被杀死，说明来自该色素细菌的污染是在巴氏杀菌之后产生的[11]。

生牛奶营养丰富，酸碱中性，为微生物生长提供了理想条件。原料奶通常贮存在低温环境下，以减缓或遏止细菌的生长，但嗜冷菌能够在低温环境下繁殖，令超高温处理的奶类及其他奶制品变质。嗜冷菌的存在对乳制品工业形成了极大挑战。有些嗜冷菌能产生肽酶和脂肪酶等胞外耐热酶，大多数嗜冷菌能在各种牛奶贮存和加工设备上形成生物膜，保护自身免受乳制品加工环境中消毒等应激条件的影响。低温有利于胞外多糖的产生，增加生物膜形成的可能性。生物膜可能导致设备损坏、产品腐败，从而增加能源成本，甚至可能导致交叉污染和人体食源性疾病感染。原料奶中的嗜冷细菌，一般包括假单胞菌属、不动杆菌属、沙雷氏菌属、芽孢杆菌属、乳球菌属和葡萄球菌属。其中，假单胞菌是从冷牛奶中分离出来的最常见的污染菌[12]。

真空包装冷却肉也是畜牧产品中重要的一大类。真空包装冷却肉中微生物发酵产生的气体导致包装膨胀，通常被称为吹制包装，这种特征在一些耐冷和嗜冷的梭状芽孢杆菌中也被证明。一些能产生CO2的菌种，如大肠杆菌、沙雷氏菌、哈夫尼亚菌和兰氏菌也可能起作用，这类型微生物产生的恶劣影响在许多国家都有报道[13]。

2.4 在生物技术研究领域的应用潜力

低温微生物在生物技术研究中也有广泛的应用潜力。科学家将嗜冷微生物（Psychromonasingrahamii）的丝氨酸羟甲基转移酶在大肠杆菌中异源表达并纯化，发现其在低温下具有较高的特异活性，是一种更有效的生物催化剂。羟甲基氨基酸是药物、农药和食品添加剂合成中的重要化合物，表明该种嗜冷微生物可能是一种具有生物技术应用潜力的酶来源[14]。嗜冷酵母也是其作为冷活性酶的重要来源，还有用于生物修复的潜力[15]。Lin等[16]分离到一株耐冷石油降解菌，该菌可能优先代谢短链烷烃，并能以混合油或减压油作为唯一碳源和能源，特别是在寒冷污染环境中具有潜在的生物技术的开发利用价值，在污染农田的生物修复领域具有一定应用潜力。Silva等[13]从3种来自南极大陆的色素细菌中提取并测试了色素，发现大多数色素在紫外光照射下具有很高的抗氧化活性和良好的稳定性，该项工作中鉴定出的类胡萝卜素，为探索具有高活性、低毒性、无残留、无环境风险和易分解的天然色素及其应用提供了机会。

3 展望

极端环境蕴藏的微生物具有多样性特征，可能是全球遗传资源维护和保存的基础。在低温环境中就有各类适应低温生长的菌株被发现和研究。

（1）具有耐冷特性并促进植物生长的微生物，在丘陵和山地等高海拔土壤农业生态系统中的应用前景巨大。使用这种微生物接种剂既能减少使用能源密集型化学肥料，又能使植物对低温胁迫的耐受性变得更加显著，从而减少作物损失。相较于农用化学品，这种微生物接种剂对环境更为友好[8]。在探索基于微生物培养的新技术以提高农业生产过程中，促进植物生长的微生物的生态适应性等因素很重要。已有研究表明，微生物菌株促进植物生长的能力大小受植物种类、土壤特性、气候条件、其他微生物的捕食行为以及与更适应环境的本地微生物的竞争行为等多种因素影响[9]。所以，为了更好地应用这些环境友好型生物产品，还需要进行更多的有关方面研究。

（2）具有病原对抗性的低温微生物，可以对其进行研究并将其应用为低温环境下作物对抗病原菌的生物防治剂。对于耐冷致病菌，特别是目前已经发现的致病菌，对其致病机制的研究有利于提出好的防治措施等。

（3）腐败会对肉类工业和乳制品工业造成损害。原料奶中细菌污染来源的多样性使得控制原料奶的污染和产生的酶变得极为困难。一旦嗜冷菌耐热水解酶形成，通过加热来降低其活性是非常困难的，降低酶活并限制其分泌仍是一个巨大的挑战。另一种控制腐败的方法是通过限制嗜冷细菌在生牛奶中的生长来防止耐热酶的产生。目前，关于这些微生物中肽酶和脂肪酶的产生和活性控制还没有具体的解决办法。在挤奶和牛奶加工过程中实施良好的卫生措施仍然是避免嗜冷菌交叉污染的最佳途径。对真空包装冷却肉来说，控制包装肉的酸碱度，并准确保持理想的贮存温度，可使变质问题减至最低[15]。为了更好地解决这些问题，畜牧产品中低温微生物引起的腐败问题需要进一步研究。

4 结语

低温微生物在农业生产、食品制造等方面具有巨大的应用潜力。利用好低温微生物的特殊产物和功能是人们应该思考的问题。低温微生物在低温条件下的长期进化不仅能为农业生产带来益处，也会在医药、环保、科研等领域为人类社会的发展作出贡献。