孔令冬，張 昱，張洪波，張瑜瑜，夏 云

(昆明學院 農(nóng)學與生命科學學院，云南 昆明 650214)

有益的植物根際細菌被稱為植物根際促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)，PGPR 通常以直接作用(例如增加植物根際礦物質(zhì)的溶解度和促進營養(yǎng)成分吸收或產(chǎn)生植物生長調(diào)節(jié)劑)與間接作用(例如通過鐵載體增強植物抗病性)來促使植物生長發(fā)育[1]，在農(nóng)業(yè)上可直接體現(xiàn)在微肥的應用，以綠色環(huán)保、無污染的方式增加農(nóng)作物產(chǎn)量，擴大經(jīng)濟效益．PGPR不僅可以提升土壤肥力，而且對于抑制病蟲害的發(fā)生與化肥的減量化和易降解農(nóng)藥的開發(fā)也具有較大的潛力．因此，PGPR的挖掘和應用對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展增添了一項科學、可持續(xù)的、易實現(xiàn)的技術(shù)支持，且符合生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[2]．但是，根據(jù)Nakkeeran等[3]報道，可應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較理想的PGPR應具有以下特性：生態(tài)幅寬，能適應不同的土壤環(huán)境，還需具備較高的存活能力；能耐寒受熱，抗紫外線和抗氧化劑等復雜的環(huán)境因素．此外，PGPR對作物的促生效果受到其本身在土壤中的存活率、與作用植物的相容性、與原生土壤中的微生物相互作用能力及環(huán)境因素等影響，導致PGPR在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)上的應用受到了很大的限制[4]．

雜草是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的一環(huán)，在人類農(nóng)作物種植歷史中起到了重要的作用．一方面，雜草會降低農(nóng)作物產(chǎn)量，傳播病蟲害，惡化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[5]；另一方面，可以根據(jù)雜草與根際微生物在自然進化過程中形成的互利共生機制，利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段，開發(fā)挖掘雜草的PGPR，馴化培養(yǎng)后施用于人類的目標作物，既可以保護環(huán)境，也可以作為農(nóng)業(yè)資源進行利用，增產(chǎn)增收，一舉多得．Bhandari等[6]在印度拉賈斯坦邦應用豆科雜草心葉木藍(Indigofercordifolia)和珍珠粟(Pennisetumamericarum)的混種促進了珍珠粟的產(chǎn)量．混種促收最直接的原因就是根際微生物的交互和再適應．根際微生物的生命活動需要依賴植物根際分泌物作為能源物質(zhì)，次過程中產(chǎn)生的次級代謝物又可反作用于植物，而PGPR的絕大部分次級代謝物可作為植物生長調(diào)節(jié)劑，促進植物的生長．

我國對雜草的開發(fā)利用還處于起步階段，在中國寧夏地區(qū)，銀灰旋花(Convolvulusammannii)、沙蔥(Alliummongolicum)等雜草也被廣泛作為中藥藥材[7]；野豇豆(Vignavexillata)對Zn和Hg元素具備吸附能力，對于修復重金屬污染的土壤也表現(xiàn)出潛質(zhì)[8]．然而，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應用雜草的有益性受到很多因素的限制，因此研究雜草入侵以及適應環(huán)境的生理生化和微生物學機制，不僅有助于雜草的合理利用及防控雜草，對可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，還可實現(xiàn)PGPR在農(nóng)業(yè)上的應用，以及提供有效的解決方案和不斷豐富菌種資源庫．

1 雜草入侵對土壤理化性質(zhì)的改變

此外，后續(xù)一些關(guān)于雜草入侵的研究也取得了相同的結(jié)果．研究[9,12,14-16]發(fā)現(xiàn)，雜草的入侵顯著改變了生態(tài)系統(tǒng)土壤的理化性質(zhì)，并且隨著入侵程度的加深，土壤的理化性質(zhì)會驅(qū)同發(fā)展以適應雜草的入侵．例如：入侵性雜草反枝莧與經(jīng)濟作物大豆混種明顯改變了土壤理化性質(zhì)[14-16]，與單種大豆相比，反枝莧和大豆混種后導致根際土壤的pH降低，從開花結(jié)莢期到成熟期，根際土壤pH值的平均值下降了8%，而單種時，大豆根際的土壤pH值的平均值僅下降3%．另外，根際土壤含水量在植物生長過程也呈現(xiàn)下降的趨勢，混種和單種相比根際土壤含水總量下降了5.9%．由此可見，該研究結(jié)果也進一步證明雜草入侵改變了土壤理化性質(zhì)，因此，土壤理化性質(zhì)對雜草入侵過程的響應機制比我們認為的更加復雜．但是，可以確認的是，PGPR對土壤的調(diào)節(jié)在很大程度上是有利的，其中一些PGPR可以降解土壤中不易被植物吸收的有機物和無機物，也可以降解重金屬，改善土壤環(huán)境．

2 雜草入侵對當?shù)赝寥牢⑸锶郝涞母淖?/h2>

植物根系可以通過分泌不同的化合物來促進或抑制根際微生物種群的活性，雜草入侵的過程除了影響土壤的理化性質(zhì)，還會促使土壤微生物群落的組成和功能的快速改變[17]．祁小旭[18]在天津靜海、河北衡水、河北滄州、河南安陽調(diào)查了雜草黃頂菊的入侵地和未入侵的土壤微生物群落變化，相比之下，河南安陽黃頂菊入侵地土壤中的革蘭氏陰性菌增加了37%、革蘭氏陽性菌增加54%．但是，在天津靜海和河北衡水黃頂菊的入侵卻顯示相反的結(jié)果，黃頂菊的入侵導致兩個入侵地土壤的微生物群落多樣性指數(shù)分別下降了0.65和0.85．該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同種雜草入侵到不同生境的土壤中，土壤微生物群落呈現(xiàn)出不同的反饋機制，進一步說明根際土壤微生物群落的豐度和功能及雜草入侵過程相關(guān)性受到很多因素的影響，推測這種復雜性可能是由于雜草本身的生理生化性質(zhì)和入侵地土壤的理化性質(zhì)和環(huán)境因不同導致的．

鄭潔[19]使用磷脂脂肪酸法(PLFA)對雜草互花米草入侵地土壤微生物群落的組成調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與未入侵地土壤相比，互花米草的入侵導致土壤真菌的總量從18.29 μg/g下降到10.46 μg/g，放線菌的總量從8.57 μg/g下降到2.33 μg/g，此研究結(jié)果表明，互花米草的入侵降低了土壤微生物群落多樣性．而另一項研究卻呈現(xiàn)相反的結(jié)果，韋梅等[20]調(diào)查了雜草一年蓬和加拿大一枝黃花入侵后的根際土壤細菌種群，與未入侵地的根際土壤相比，兩種雜草的入侵顯著增加了土壤根際細菌的多樣性和豐度，例如，浮霉菌門(Planctomycetes)增加了3.6%、綠彎菌門(Chloroflexi)增加了2.1%、疣微菌門(Verrucomicrobia)增加了1.2%，以及未分類的微生物群落增加了3.0%，該研究結(jié)果表明，一年蓬和加拿大一枝黃花入侵后顯著增加了某些細菌種群的豐度，并形成一個有利于自身生長的土壤環(huán)境．另一項對黃頂菊(Flaveriabidentis)入侵地微生物群落特性的研究[21]發(fā)現(xiàn)，入侵地處于顯著優(yōu)勢的微生物種群相對于其他微生物種群具有更高的碳氮比(C/N)，優(yōu)勢微生物的代謝特征的改變是黃頂菊快速生長的主要原因，黃頂菊的入侵顯著影響了土壤微生物群落的多樣性和功能菌群的豐度．因此，了解和掌握雜草入侵地土壤微生物種群的組成和功能的變化，是防控雜草入侵的關(guān)鍵所在．由于不同入侵地土壤微生物種群構(gòu)成差異，以及不同的雜草入侵響應機制也沒有統(tǒng)一的特性，導致了土壤微生物群落演替的復雜性[17-19]．

3 雜草PGPR功能菌群的研究進展

利用雜草PGPR功能菌群促進農(nóng)作物的生產(chǎn)尚處于起步的階段，盡管一些研究[6,22]表明，從雜草根際土壤分離和鑒定的PGPR對于某些農(nóng)作物有促生的作用，但是，由于對其研究的深度和廣度都還沒完全成熟，導致在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用的進展速度緩慢．隨著研究的不斷深入，PGPR在未來農(nóng)業(yè)中的作用將越來越不容小覷．通常，PGPR會以以下3種不同的方式來發(fā)揮其作用

3.1 PGPR可合成特定的化合物

PGPR可以通過分泌植物激素(例如植物生長素、細胞分裂素、赤霉素、乙烯和脫落酸)來發(fā)揮其促生效果，其中，能分泌合成吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid，IAA)和產(chǎn)ACC脫氨酶的PGPR是目前報道最多的一類功能菌群．IAA可以誘導根系的生長，在中柱鞘細胞中促使側(cè)根原基的產(chǎn)生[22-23]；ACC脫氨酶通過植物內(nèi)部的乙烯循環(huán)，將ACC分解為α-丁酮酸和氨，減少乙烯的生成，并且通過這一循環(huán)來促使種子發(fā)芽，加快植物生長的速度，有利于植物有機物質(zhì)的合成和積累[24]．

Bhromsiri等[25]從泰國雜草香根草(Vetiveriazizanioides)中分離出的枯草芽孢桿菌 (Bacillussubtilis)、 固氮螺菌屬(Azospirillum)、根癌農(nóng)根菌(Agrobacteriumtumefaciens)和根瘤菌屬(Rhizobium)在內(nèi)的4種PGPR，都具有產(chǎn)IAA的能力；Fang等[26]從紫莖澤蘭的根際中分離出390株P(guān)GPR，其中354株(90.8%)具有產(chǎn)IAA的功能．在另一項研究中，Sarathambal等[27]從8種印度雜草中篩選并鑒定了一些PGPR，其中43%具有固氮功能的細菌中還具有產(chǎn)ACC脫氨酶的能力，其包括枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)、粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)和地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)．

3.2 PGPR可提升作物抗脅迫能力

細菌、真菌和一些藻類在同化植物根際分泌物過程中會產(chǎn)生氰化物，其中HCN是PGPR產(chǎn)生的重要生防物質(zhì)之一．研究[22]發(fā)現(xiàn)，HCN除了能促進種子萌發(fā)外，還在提高植物應對有害生物及非生物脅迫能力方面發(fā)揮著重要作用．另外，Riaz等[28]對假單胞菌屬的研究結(jié)果證明了某些熒光假單胞菌產(chǎn)生的HCN具有抑制植物根部病原菌的功能；Nagórska等[29]對普遍存在于植物根際的芽孢桿菌屬的微生物進行研究，其結(jié)果進一步證實芽孢桿菌可產(chǎn)生具有廣譜作用的化合物HCN;Sarathambal等[30]從雜草中分離的16株根際固氮菌，其中7株具有產(chǎn)HCN的能力，且粘質(zhì)沙雷氏菌產(chǎn)HCN的能力最強，為(68.70±1.13) μg/(mg蛋白)．

3.3 PGPR可促進植物對土壤養(yǎng)分的吸收

氮(N)是地球上最重要的元素之一，在大氣中的體積分數(shù)(含量)高達78.01%，對生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要．目前，已知的生命活動都有蛋白質(zhì)的參與，大到動植物器官直接的相互聯(lián)系，小到酶在細胞個體內(nèi)的催化，所有生命體的基本結(jié)構(gòu)都離不開氮元素的參與．但實際上生物體可直接利用的氮是有限的，而微生物固氮則是給生態(tài)系統(tǒng)提供氮素的最基本途徑，PGPR可將大氣中的氮進行固定并轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫男问?Bhromsiri等[25]研究發(fā)現(xiàn)，雜草根際細菌具有固氮能力，同時測試了102株分離菌株的固氮酶活性，研究顯示，所測菌株的固氮酶活性平均為0.2 n mole C2H4mg-1protein h-1， 其中31株的固氮酶活性(占總量的30.4%)高于平均活性．每年僅在陸地生態(tài)系統(tǒng)中就有100～290 t 氮被微生物固定進入生態(tài)系統(tǒng)中[31]．主要的形式包括共生和非共生，如根瘤菌與豆科植物的共生固氮．而共生形式的固氮是指含有固氮能力的微生物在與高等植物共生時才能進行固氮．非共生形式的固氮分為聯(lián)合固氮和自生固氮，聯(lián)合固氮是指微生物生活在植物的根際或葉面等位置進行固氮，但不形成共生組織；自生固氮則是指微生物不依存于植物獨立進行固氮過程，如圓褐固氮菌和藍藻等．雖然非共生形式的固氮相較于共生固氮效率偏低，但其時空分布更為廣泛[32-33]．

鐵載體是存在于微生物中的有機物質(zhì)．PGPR產(chǎn)生的鐵載體能與某些重金屬離子相結(jié)合形成螯合物，從而達到修復重金屬污染的目的．細菌和真菌需要鐵來形成血紅素，產(chǎn)生能量和其他物質(zhì)，維持自身正常的生命活動[37]．郭欣[38]從三葉草根際土壤分離出41株P(guān)GPR，進行功能篩選與鑒定后發(fā)現(xiàn)，其中8株具有產(chǎn)鐵載體的能力，占PGPR總數(shù)的44.44%．Fang等[26]從紫莖澤蘭的根際土壤中分離出390株具有植物促生功能的細菌，其中202株(51.8%)具有能產(chǎn)鐵載體的功能，有199株(51.2%)能溶解磷酸鹽，其中還有143株表現(xiàn)出上述兩種功能．以上研究表明，雜草根際土壤PGPR具有復雜的組成和功能的多樣性，特別是部分PGPR菌株表現(xiàn)出具有兩種以上PGPR功能的特性有待進一步開發(fā)和利用．

4 雜草PGPR在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應用進展

目前，PGPR在生物防控、生物修復和生物肥料方面都得到了較為廣泛的應用，且對農(nóng)作物的產(chǎn)量以及生態(tài)系統(tǒng)功能的修復都產(chǎn)生了積極的影響[30]．雜草的入侵雖然影響了土壤的理化性質(zhì)和微生物群落的組成和功能[39]，但是，近年來一些研究已經(jīng)將從入侵雜草根際土壤分離和鑒定出的PGPR應用于農(nóng)作物的生產(chǎn)中，并取得了較好的效果[16,26,27,38,40]．Sturz等[41]將意大利黑麥草(Loliumperenne)根際土壤分離鑒定出的PGPR對馬鈴薯進行了2年的促生試驗，其中應用分離出的18株P(guān)GPR菌子施加給馬鈴薯苗，與未施加PGPR菌劑的對照組相比，馬鈴薯的產(chǎn)量第1年增長了17%，第2年增長了28%，表明施加PGPR菌劑顯著促進了馬鈴薯的生長．Sarathambal等[30]從雜草香附子(Cyperusrotundus)、髯毛風鈴草(Campanulabarbata)、野生稻(Oryzarufipogon)和矮生百慕大(Cynodondactylon)的根際中分離出6株具有固氮功能的細菌，并將其應用于水稻的促生試驗，與對照組相比，施加固氮菌劑導致水稻株高增高了13%，谷物產(chǎn)量提高了32%．許芳芳[42]在內(nèi)蒙古荒漠地區(qū)從雜草梭梭(Haloxylonammodendron)和白刺(Nitrariatangutorum)中分離和篩選出的PGPR包括16株腸桿菌屬(Enterobacter)、1株小坂菌屬(Kosakonia)、1株沙雷氏菌屬(Serratia)，并將以上菌株制成混合菌劑應用于鹽脅迫下的小麥進行促生試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于不加PGPR菌劑的對照組，混合菌劑處理的小麥根長增加了196.7%，根干質(zhì)量增加了107.47%，根際鹽質(zhì)量濃度降低了49.88%，此研究結(jié)果表明，雜草PGPR對鹽脅迫下小麥的生長具有顯著的促生作用以及對鹽堿地的改良具有較大的潛力．

5 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)對于雜草根際土壤PGPR的開發(fā)還處于一個起步的階段．而雜草是組成生態(tài)系統(tǒng)的一個重要部分，如何應用雜草PGPR迅速改變土壤生理生化以及吸附營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量具有廣闊的研究前景．特別是在脅迫環(huán)境下利用入侵性雜草PGPR對農(nóng)作物進行促生具有重大意義，將其應用在營養(yǎng)缺乏以及金屬污染的土壤中可以用較少的投入來實現(xiàn)經(jīng)濟作物的可持續(xù)栽培，對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有廣闊的前景．但是，怎樣在農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，更有效地利用雜草根際土壤PGPR，仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)，這需要進一步了解雜草入侵過程中微生物和土壤環(huán)境的響應機制，以及植物對根際微生物的反饋機制．