根际促生菌对植物生长的调控作用研究进展

薄永琳 葛淼淼 侯冰 朱明君 刘宸 任丽英*

［1. 临沂大学资源环境学院 山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276000；2. 浙江大学山东（临沂）现代农业研究院，山东 临沂 276000］

1 引言

随着社会的进步与发展，世界人口的不断增加，人类对粮食作物的需求不断提高，而化肥的滥用导致耕地的肥力下降，粮食减产，乃至品质降低。因此，世界上许多国家开始致力于微生物肥料的研究，而对植物根际促生菌的研究随之成为研究热点，生物肥料也在农业生产中作为化肥的适当替代品而被广泛应用［1］，其不仅能够减少化肥的使用和对耕地的破坏，而且对土壤环境的保护具有重大意义。本文对根际促生菌对植物生长的调控机理及其应用进行了综述。

2 根际促生菌概述

早在1904 年，德国的微生物学家Lorenz Hilnter就提出了根际的概念，他将土壤附近的微生物定义为根际微生物［1］。根据根际微生物对植物的作用分为有益、有害和中性3 类，其中对植物生长有利的这部分细菌被称为根际促生菌（PGPR）。PGPR 泛指能够直接或间接促进植物的生长、增加作物产量、防治病虫害的根际微生物。截至当前，已发现的PGPR 包括假单胞菌属、芽孢杆菌属以及农杆菌属等20 多个种属［2］，其中荧光假单胞菌被认为最具有应用前景。

PGPR 的多样性使得其分类方式也有多种，按PGPR 所在的位置可分为定殖在植物根细胞内部的胞内根际促生菌（intracellular PGPR，iPGPR）和自由生活在植物根际周围或者根细胞与皮质之间的胞外根际促生菌（extracellular PGPR，ePGPR）。iPGPR 能够与植物产生根瘤，直接和植物发生营养物质的交换，如固氮菌属和伯克霍尔德氏菌属等；而ePGPR 则不能生成根瘤，它们通过信号进行物质传递，促进土壤营养素的活化，如不动杆菌属（Acinetobacter）、无色菌属（Achromobacter）、产碱杆菌属（Alcaligenes）等。

PGPR 对植物的促生机理包括直接作用与间接作用两种。直接作用包括产生吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素等植物激素［3］和提供植物生长所需要的氮、磷、钾等元素来促进植株的生长。间接作用是改善植物生长的土壤环境条件和减轻植株病害，提高植物的抗旱、耐盐等抗逆性。

3 PGPR 的直接促生机理

3.1 PGPR 对植物生长植物激素的调控

植物激素在植物生长繁殖等过程中扮演着非常重要的角色。PGPR 可通过直接或间接促进植物激素的分泌与合成来调控植物的生长发育，同时还可以调节植物内一些蛋白质和多糖的合成，进而调控植物的生长发育［4］。PGPR 通过改善诱导系统耐药性（IAR）控制病原体的耐药防御机制，并通过影响植物激素代谢来缓解非生物应激，从而提供交叉保护功能［5］。本文重点讨论赤霉素、吲哚乙酸和细胞分裂素在植物生长中的调控作用。

3.1.1 赤霉素

赤霉素（GAs）具有促进植物细胞分裂、增大和提高植物叶面积的作用［6］。何玉娟等［7］研究发现，GAs 可以促进基因的表达，促进植物根瘤菌的形成。干旱对植物的光合作用有较强的抑制作用，从而影响作物的生长发育［8］。陈志飞等［9］发现，GAs 可有效促进幼苗生长发育，缓解干旱胁迫。有研究表明，肠球菌LKE12（Enterococcus faecium LKE12）可以通过分泌多种结构的GAs 来增强水稻与甜瓜的生长和产量，且肠球菌LKE12 还能同时合成吲哚乙酸，多种激素共同促进植物生长。假单胞酶蛋白Pf-5（Pseudomonas protegens Pf-5）和革兰氏阳性细菌（Priestia megaterium QM B1551）暴露于磷酸盐除草剂的细胞中生长素和抗生素化合物的产量增加了25 倍［10］。

3.1.2 吲哚乙酸

吲哚乙酸（IAA）具有促进细胞生长、增加细胞体积和调节植物根系生长等功能。土壤中约一半以上的细菌能够产生IAA［11］。李福艳等［12］研究发现，大猩猩芽孢杆菌（Bacillus massiliogorillae）和栗褐芽孢杆菌（Bacillus badius）可以高效产生IAA 来促进植物的生长发育。IAA 可以促进植物在重金属污染的土壤里生长［13］。Variovorax 菌属细菌组成的微生物群落，可以降解根际微生物群释放的IAA，从而在复杂的微生物群落下保持植物根系的生长［14］。施用产IAA 的PGPR，豌豆植株茎、叶以及鲜重都有大幅度增加［15］。海洋铜绿假单胞菌能够促进植物吲哚-3 乙酸和IAA 的产生［16］。

3.1.3 细胞分裂素

细胞分裂素（CTK）具有促进细胞分裂、植物分化、植物开花结果以及减缓和抑制叶片衰老的作用。6-苄氨基腺嘌呤（6-BA）属于第一代的细胞分裂素。有研究表明，外施6-BA 会影响植物的光合作用，施加IAA 和6-BA 的草莓叶片净光合速率有明显提高，同时叶片中的叶绿素a，b 含量增加［17］。外源施加KT 和6-BA 草莓体积和重量都显著增加，同时草莓中营养物质的含量也有所增加［18］。CTK 与其他内源植物激素之间会通过信号传导、协同与拮抗等共同调节植物的生长［19］。谷氨酸杆菌YD01（Glutamicibacter sp.）通过介导植物激素（乙烯）和ROS 积累、保持离子稳态，提高光合作用能力和增强协迫反应基因的表达，从而减轻盐协迫对水稻生长发育的不良影响［20］。有些PGPR，如贝莱斯芽孢杆菌CT2628（Bacillus velezensis CT2628）会对植物体起到维持植物内源激素水平的作用［21］。

3.2 PGPR 对元素的活化作用

不同的元素在植物生长发育过程中均发挥着重要的作用，植物缺乏任何一种元素都会影响其生长发育。PGPR 具有活化植物所需营养元素的作用。

3.2.1 氮元素

植物所需要的氮源最主要的来源是生物固氮。PGPR 的固氮机理与其有相关基因（BNF nif）密切相关，该基因通过酶促反应将氮气转化为氨［22］。PGPR还可以通过反硝化作用将作为电子受体，转化为NOX，并最终被还原为［23］。此外，PGPR 还可以通过硝化作用和氨化作用释放水解酶，将有机态氮矿化为无机态氮［24］。假单胞杆菌1-42（P. fluorescens MK880644）与褐环乳牛肝菌N94（Suillus luteus）对樟子松根际土壤养分的速效氮、速效磷及全氮、全磷、全钾、有机质和速效钾有显著影响［25］。综上所述，PGPR 在氮循环中发挥着重要作用，可以通过固氮、土壤有机质矿化、反硝化等酶促作用为植物生长提供必需的氮源［26］。

3.2.2 磷元素

一些植物PGPR 能够通过分泌低分子量有机酸降低土壤溶液pH 或分泌胞外磷酸酶等方式溶解土壤难溶性无机磷酸盐［27］。PGPR 按照转化方式可分为无机磷溶解细菌（phosphate-solubilizing bacteria，PSB）和有机磷矿化细菌。PSB 能分泌有机酸、质子、铁载体及胞外酶等物质，将磷酸三钙、羟基磷灰石等不溶磷转化为可溶性磷酸盐，其中分泌有机酸溶磷是高溶磷特性PSB 主要的溶磷机制［26］。有机磷矿化细菌则主要是通过非特异性酸性磷酸酶、植酸酶和C-P 裂解酶的协同作用将有机磷矿化为可用的磷酸盐［28］。综上所述，PGPR 通过分泌有机酸、质子等来促进无机磷溶解，并通过酶促作用使有机磷矿化［26］。

3.2.3 钾元素

钾元素是植物必需的营养元素之一，具有促进根系发育，提高水分利用效率，参与有机酸、脂肪、氮等化合物的代谢等作用，虽然土壤中含有丰富的钾元素，但80%～90%的钾元素以矿物质形式存在［29］。土壤中可将矿物钾转化为可溶钾的PGPR 称为溶钾细菌（potassium-solubilizing bacteria，KSB）［26］。PGPR可将土壤中的磷元素和难溶性钾转化为植物可以吸收利用的有效磷和速效钾［30］。KSB 溶钾理论主要包括酸解、多糖络合溶解、生物膜促进溶解等［29］。酸解是KSB 通过产生有机酸和无机酸来降低pH，从而促进含钾矿物风化和可交换性钾的释放。多糖络合溶解则是KSB 分泌的有机配体、螯合物和细胞外酶等物质，通过螯合、交换反应、金属络合配体等作用来促进钾的溶解［31］。有机酸的螯合作用是含钾矿物溶解的重要机制，且KSB 通过酸溶和络合溶解的共同作用能大幅度提高矿物钾的溶解［32］。此外，KSB 分泌多糖或形成生物膜附着在矿物表面，使矿物表面有机酸保持在高浓度，从而促进钾的溶解［26］。

3.2.4 铁元素

微生物细胞可以产生铁载体，与铁形成螯合物促进缺铁植物对铁的获取［10］。PGPR 通过分泌铁载体螯合根际土壤Fe3+元素在植物根系附近富集，并通过根表螯合铁还原酶（Ferric helatereductase，FRO）将Fe3+还原为植物能够利用的Fe2+。还原态铁在分布于根表皮细胞的铁高亲和体介导下，被转运进入植株的根系养分转运系统，供给叶片等地上部组织器官生长发育所需要的铁元素［33］。

4 PGPR 的间接促生机制

4.1 提高作物的抗逆性

高浓度的盐离子会对植物体内叶绿体和线粒体的电子传递产生严重影响，抑制其光合作用，造成活性氧的积累。盐胁迫促使植物产生高浓度的乙烯，而导致植物寿命很短［34］。王允［8］研究发现，干旱胁迫下，生姜叶片中活性氧的积累减少，活性氧长期维持在较低水平，生姜叶片活性显著提高，作物抗旱性提高。Yuan J 等［35］研究发现，施用生物有机肥（含有芽孢杆菌淀粉菌株NJN-6）可显著降低香蕉枯萎病的发病率，促进香蕉植株的生长。接种菌株CT2628 的植株，使得植物保水能力增强，诱导植物抗盐、抗干旱胁迫［21］。ACC 脱氨酶细菌有较强的逆境耐受能力和逆境条件下促进植物生长的潜力，假单胞杆菌P. brassicacearum KY5404 的抗性基因具有稳定的抑制油菜菌核病的能力［36］。根际定殖的偶氮假单胞菌FAP5（P.azotoformans）在干旱条件下显著增强了微生物被膜的形成，并有效缓解小麦植物的干旱胁迫［37］。

PGPR 可通过促进根系增长、减少氧化应激来缓解重金属胁迫，提高植物的重金属耐受性，强化植物修复效率。Mesa-Marín 等［38］研究发现，PGPR 通过减少根系呼吸和氧化应激，从而促进海岸米草根系生长和缓解重金属胁迫。接种PGPR 对植物的抗氧化活性有重要作用［34］。

4.2 改善植物生存的土壤条件

土壤中有机质组分是作物营养的重要来源［39］。PGPR 对土壤生物酶活性、土壤微生物的含量以及土壤pH 有一定的影响［40］。PGPR 在逆境土壤中对改善土壤肥力、促进逆境植物对养分的有效吸收具有极大潜力。

5 PGPR 的应用

5.1 PGPR 在农业生产中的应用

PGPR 能够影响植物基因的表达，PGPR 可通过激活受感染的宿主植物β-1，3-葡萄糖酶基因的表达，在形态、生化、生理和分子水平上诱导宿主植物的修饰效果达到更好，葡萄糖酶可以通过亲水相互作用与GTP 形成复合物，使植物获得对镁萘普西的耐药性［41］。在农业方面，用PGPR 来代替化学肥料，与天然来源的生物肥料Macrocystis pyrifera 藻提取物结合，Julia 等［42］研究结果表明，用海藻提取物接种生菜籽后，发芽能量和发芽能力有所提高。PGPR在盐度条件下也有助于提高R.officinalis 的精油产量［43］。接种PGPR 对小麦种在生理生长和产量方面有着积极的作用［44］。接种植物PGPRNRCB010和NRCB026能有效减少农田土壤N2O 的排放，为发展具有促生和减排效应的生物肥料提供实际指导［45］。

5.2 PGPR 在重金属污染修复中的应用

应用于重金属污染的土壤，PGPR 可以促进植物提取重金属的效率，从而治理被重金属污染的土壤。研究表明，同时种植植物和接种PGPR 有利于植物提取重金属［20］。在较低污染水平下，PGPR 不会受到污染物的干扰，植物体内污染物的积累量增多；而在较高污染水平下，PGPR 的活性受到抑制，存活率降低，对污染物的吸附作用也相对减弱［46］。重金属污染条件下，PGPR 通过分泌相应激素，刺激植物根系的生长来增大植物根表面积，使吸收效率提高［47］。PGPR 能使Cr 的植物修复增强，假单胞菌株NT27（Pseudomonas sp）的分泌物在促进植物生长和降低应激水平方面极其有效［48］。PGPR 能够通过分泌有机酸或胞外磷酸酶等方式活化结合型重金属离子，并将其吸收与转运［47］。PGPR 有助于改善金属诱导的植物毒性，减少活性氧对植物细胞的伤害，获得更高的生物量和植物的金属摄取量，有助于消除土壤中重金属污染［49］。PGPR 可以充分利用并转化水中的污染物，从而使水体得以净化，在水系的综合治理方面成效显著。

6 结语

PGPR 对整个生态环境有重要影响，它不但可直接作用于植物体，影响植物体的生长发育，进而对人类所需的粮食、果树等经济类作物的培育有积极作用，而且PGPR 对土壤的理化性质产生影响，能改善土壤条件，修复被破坏的土壤，对环境保护有重要价值。但由于微生物总量很大，目前所能探知的PGPR的具体作用效果仍然有限，所以对于PGPR 每一个菌种的研究还需要继续深入。鉴于PGPR 对环境的无害性，未来PGPR 在很多领域的应用具有极大潜力。