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论文在线分享-植物根际微生物研究进展

2021-06-28 16:11:51
作者:杭州千明

论文方法介绍-植物根际微生物研究进展

  植物根际微生物中对植物有益的微生物被称为植物根际促生菌,具有溶解磷和固定氮功能,通过分泌抗生素,诱导植物产生抗性来促进植物茁壮的成长。本文综述了根际微生物的种类、对植物的影响、土壤和植物类型对根际微生物组群落结构的调节作用,以及根际促生菌在农业生产和环境修复中的应用。

  一、根际微生物的种类

  根际微生物存在于根的表面和周围土壤之中,由根面向外进行延伸,数量也呈现出梯度变化,且高于原土体。植物根际微生物包含对植物有益微生物,即植物根际促生菌,又包含对植物有害微生物,并且这些微生物的群落组成,随着植物种类、发育时期等因素的改变而变化[1]。

  根际微生物分为细菌、真菌和放线菌。细菌是最丰富的类群。根际细菌的常见属有:假单胞菌属、肠杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、沙雷氏菌属等。根际放线菌常见属包括:链霉菌属和诺卡氏菌属等;根际真菌常见属包括:镰刀菌属、青霉属、曲霉属、腐霉属和木霉属等。放线菌门、变形杆菌门和厚壁菌门是拟南芥根内的优势微生物,被Lundberg等研究根际微生物组时发现。

  二、根际微生物组的构建

  (一)根际微生物组重建

  从土壤生物群落形成独特根际微生物群的一个潜在的分子机制是根际沉积。这个过程是指植物在根系中的发育和分泌活动。根皮细胞分泌多种化合物,包括有机酸离子、无机离子、植物铁载体、糖、维生素、氨基酸、嘌呤和核苷,根冠产生多糖粘液[15]。大量的测序数据分析表明,根系微生物的选择性募集过程与微生物的迁移、趋化和多糖降解有关。当特定微生物在根系周围富集时,一些微生物也可以通过植物根系细胞壁进入根系内部,形成根内微生物[2]。

  根际沉积物占植物光合固定碳的11%和总氮的10-16%,尽管这些数值因植物种类和植物年龄的不同而有很大差异[15]。根对有机碳和氮的吸收被认为能刺激根组织附近的土壤微生物繁殖(图1)。因为大多数已知的土壤细菌是有机营养体,即它们从有机基质中获取生长能量,但在大多数土壤中,有机化合物的可吸收性和有效性是有限的[15]。

  图1在根-土壤界面根分泌物刺激土壤细菌向根际的富集

  通过对野生燕麦(Avena fatua)的系统发育芯片分析,获得了沿根系纵轴的动态根系微生物群落结构的证据[15]。在这些实验中,分别在根尖和根尖附近(距根尖0-4cm)、根毛区(距根尖4-8cm)和成熟根(距根尖8-16cm)研究了根际微生物群落。在检测到的1917个类群中,8%(147个类群)表现出根区依赖性富集[15]。此外,从根尖和根毛采集的根际土壤中活菌数最高,其次是成熟根区的根际土壤,最低的是非根际散土。因此,如果根沉积物与根际特定细菌微生物群的形成有因果关系,那么观察到的根区依赖性的微生物亚群的富集可能反映出沿着根纵轴释放的代谢物的数量和/或组成的局部差异。

  (二)土壤对根际微生物组的影响

  在对根际微生物组的影响因素研究中,出现了不同的论点,有研究认为影响根际微生物组的因素是土壤,也有研究认为是植物类型对根际微生物组构建起决定性因素。

  植物根际微生物的主要来源于根系接触的土壤。由于土壤的理化性质不同,导致区域环境中的微生物群落明显贫乏,进而影响根际微生物组的构建。

  采用高分辨率16srrna基因热测序法,对生长在两种土壤类型中的8种拟南芥生态型的土壤、根际和根室进行了研究。在778个可测量的OTU中,共有12个OTU在根内生菌室内表现出依赖于宿主基因型的富集[15]。Bulgarelli等人利用相似的16S rDNA序列分析,在两种自然土壤中,只有一个OTU在两种拟南芥生态型中富集的数量具有显著差异[15]。在这两项研究中,土壤类型和土壤细菌群落对根部菌群落组成的影响均大于宿主基因型。因此,寄主基因型在拟南芥根际细菌群落的选择中发挥的作用很微弱[15]。

  不同的土壤利用类型对土壤养分、理化性质、土壤中的水分和盐分的影响,间接影响了植物根际微生物群落组成[2]。

  Weiner等人,对3个马铃薯品种在两种不同土壤中的根系微生物进行了研究。在检测到的2432个OTU中,在一种土壤中只有9%OTU表现出寄主依赖性,4%OTU在两种土壤表现出寄主依赖性[15]。寄主基因型依赖的OTU主要菌属有放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌和变形杆菌门。因此,与拟南芥的研究相似,土壤类型比寄主基因型对马铃薯根系微生物群落的影响更大[15]。

  三、根际微生物对植物的作用

  目前,对植物有益的根际微生物即植物根际促生菌(PGPR)有许多研究。PGPR可产生吲哚乙酸、赤霉素、抗生素等促生物质促进植物生长;促进植物吸收土壤中的养分的(包括固氮和溶磷作用);影响土壤有机物质的降解;通过诱导植物自身产生抗病能力,使植物茁壮生长。面对非生物胁迫时,PGPR对植物同样起到了促生长的作用。

  (一)植物根际促生菌(PGPR)的生防作用

  一些PGPR既可充当生物杀菌剂(杀虫剂)又可充当生物肥料来促进植物生长。例如,洋葱伯克氏菌(Burkholderia cepacia)已经被证明对镰刀菌属有生物防治特性,同时在缺铁条件下还可以通过产生铁载体刺激玉米生长[10]。根际有益微生物可以产生吩嗪、藤黄绿脓菌素、苯二酚等抗生素,抑制土壤中病原微生物对植物的入侵[4]。荧光假单胞菌由于可以合成氰化物或铁载体,具有较高的抗真菌活性,是一种可对根真菌病原菌进行生物防治的拮抗细菌[14]。将它定殖在水稻根面,通过拮抗土壤传播的植物病原体,促进水稻植株的生长[14]。在短连作期西瓜种植土壤中,使用黏芽孢杆菌菌剂,可使枯萎病的发病率降低70%[11]。

  (二)PGPR诱导系统抗性的产生

  诱导植物产生抗病性是植物根际促生菌的另一个重要作用,主要通过诱导植物自身产生抗病性来提高植物的抗病能力[7]。通过增强植物细胞壁的强度,调节生理生化反应,合成抗病原菌、真菌、病毒和线虫的化合物。植物快速形成一道保护细胞壁的保护层,保护细胞壁不受病原菌的侵害。例如,豌豆种子经过用Pseudomonas fluorescens 63-28菌株处理后,其细胞壁可形成胼胝和酚醛类化合物,用来抵抗菌丝渗透,在番茄中也出现了此现象[5]。PGPR诱导后,在病原菌菌丝侵染的地方(如细胞壁)迅速形成保护层,有利于减少损伤的过程,为宿主植物建立良好的防御措施争取宝贵的时间。有很多成功的PGPR诱导植物抗病的例子,比如我们吃的黄瓜、胡萝卜等蔬菜,花卉康乃馨,以及大豆、烟草、水稻等作物[4]。

  (三)PGPR的固氮作用

  氮是植物细胞合成酶、各种蛋白质、叶绿素的基本元素,氮元素重要作用表现在为植物生长、开花、结果提供非常重要的营养源泉。

  研究最多、开发时间最长的PGPR是根瘤菌(包括固氮螺菌属、根瘤菌属、慢生根瘤菌等),根瘤菌具有为宿主植物固定氮的能力[10]。商用根瘤菌接种剂在19世纪90年代首次被引进[10]。很多PGPR都有生物固氮这样的能力,刺激植物生长。固定N2的能力使微生物很好地适应了在根际的生活,有证据表明它们对植物生长的促进是基于它们在原地固定N2的能力[10]。特别是重氮营养葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter diazotrophicus),已经被证明有助于控制甘蔗的营养,另一种是能固定N2的甘蔗内生草螺菌,已被证明可以感染水稻,并导致摄入增加15倍的N2[10]。

  (四)PGPR溶磷作用

  磷是农作业中的限制因素之一,所施磷肥被植物吸收利用率并不高。碱性土壤中的pH值被解磷细菌分泌的甲酸、乙酸、丙酸等多种有机酸降低,与此同时,它与土壤中的铁、铝、钙等金属离子相互反应,使难溶的磷酸盐生成可溶磷酸盐。可溶磷酸盐在植物生长发育过程中起至关重要的作用,非常便于植物的吸收和成长。植物成长过程中所需的磷元素,有相当大的一部分来自土壤中的有机物。为了供给植物更方便于吸收的磷元素,需要把土壤中的部分磷转变为植物可吸收利用的水溶解性磷。溶磷菌和固氮菌共同作用,对水溶性磷的形成非常有利。植物的菌根具有很强大的溶解难溶性磷的功能,与植物根瘤菌共同作用于土壤后可以极大提高紫花苜蓿的产量[6]。

  (五)PGPR产生植物生长调节剂

  植物根可以释放有机化合物,包括氨基酸、脂肪酸、核苷酸、氨基酸、酚类物质。PGPR利用根渗出液中的色氨酸可以合成有促进植物生长的激素IAA[13]。不同植物之间渗出色氨酸的浓度差异很大[13]。用可以合成生长激素IAA的荧光假单胞菌WCS365接种作物种子,发现接种并未导致黄瓜、柿子椒或西红柿的根重增加,但却导致了萝卜的根重的增加[13]。萝卜幼苗的分泌物中产生的色氨酸至少是黄瓜、甜椒或番茄的9倍[13]。解淀粉芽孢杆菌用于玉米,可以加快玉米的生长速度,提高玉米的生物量[11],PGPR通过释放挥发物质来降低乙烯的水平,促进植物生长。根际细菌吸收乙烯前体ACC并将其转化α-丁酮酸和氨[13]。含ACC脱氨酶PGPR可缓解多种形式的应激,如植物病原细菌、多环芳香族碳氢化合物、重金属(如Cd2+和Ni2+)以及盐和干旱[13]。PGPR产生的植物生长调节剂在正常环境、逆境下都可以促进植物的生长。

  四、根际微生物的应用

  (一)PGPR产品在农业上的应用

  PGPR制剂产品在农业生产中逐步替代了化肥、农药的使用,减少了对土壤结构的破坏,提高土壤肥力,为农业可持续发展奠定了基础。植物根际促生菌新型菌肥的应用,使绿色生产的覆盖面积逐步扩大,对农产品实现了增质增效。

  PGPR制剂是利用活菌发挥作用。具有改善土壤和植物体微生态,防治植物病害,促进植物生长的功能。根瘤菌是豆科植物根际根瘤的共生菌,能够提供给植物50%以上生长所需氮元素[7]。此外根瘤菌还能促进植物生长,减少病害的发生。

  对比普通肥料,经PGPR处理的马铃薯植株与块茎总干物质、单块茎重量和产量分别增加了2%、21%和12%。PGPR菌肥不仅提高马铃薯产量、更提高了氮肥利用率[11]。PGPR接种剂经过商品化生产,已经广泛应用于农业生产中,农药和无机肥料被取而代之。例如,固氮螺旋菌属剂已经被用于草坪和饲料作物中;芽孢杆菌的菌剂也被用于芹菜、黄瓜等蔬菜中,以及水稻、豆类、棉花等作物中;假单胞菌制剂产品广泛应用于桃、梨、苹果等果树和马铃薯等作物中[4]。

  (二)PGPR在环境修复上的应用

  有毒物质砷广泛分布在各种环境中,可以将砷转移到植物中,来降低砷的污染。比如水稻可以有效的吸收土壤中的砷,并将砷转移到米粒中[14],而大米是要被人食用的,因此,需要根际有益微生物辅助植物修复重金属污染。根际促生细菌可以通过生物吸附、氧化还原反应、生物淋滤等机制减缓重金属的毒性,通过分泌铁载体、有机酸等,直接或间接加强土壤重金属污染的植物修复,还可以通过生长激素促进植物生长,利用植物将土壤中的重金属吸附转移出去,实现对土壤环境修复[3]。例如,Cr6+可以被根际细菌还原为Cr3+,从而降低Cr的毒性[12]。根际促生菌中含多种游离氨基酸,能与金属离子形成可溶性鳌合物,其两性电解质具有重要的酸碱缓冲作用,可降低土壤盐碱化程度[8]。

  利用PGPR和植物联合对重金属污染土壤进行修复具有很大的潜力。