《土壤微生物生态工程》—根际促生菌（65）

1．定义

植物根际是指生物、化学和物理特性受到影响的紧密环绕植物根的区域。这一概念首先用于描述豆科植物根系与细菌的特殊关系。植物根际的微生物多而活跃，构成了根际特有的微生物区，根际微生物区系又主要以细菌为主。对植物有益的根际细菌为2%～5%，中性的占多数，对植物有害的根际细菌为8%～15%。

能够促进植物生长、防治病害、增加作物产量的微生物被称为促生根际菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)。PGPR对土壤中有害病原微生物与非寄生性根际有害微生物( deleteriousrizosphere microorganlsms，DRMO)都有生防作用，对植物吸收利用矿物质营养也有促进作用，并可以产生有益植物生长的代谢产物，从而促进植物的生长发育。国内外已发现的PGPR包括荧光假单孢菌、芽孢杆菌、根瘤菌、沙雷属等20多个种属的根际微生物具有防病促生的潜能，最多的是假单孢菌属（Pseudomonas），次为芽孢杆菌属（Bacillus）、农杆菌属(Agrobacterium)、挨文菌属（Eriwinia）、黄杆菌属（Flavobacterium）、巴斯德菌属（Pasteuria）、沙雷菌（Serratia）、肠杆菌（Enterobacter）等等。

2．产品

既能防病又能增产的PGPR生物制剂产业化品种主要有两种：活体制剂和PGPR代谢产物制剂。PGPR活菌体，直接进行植物病害的防治，其生防机制包括拮抗作用、交叉保护作用和诱导抗性作用。从生态学观点看，活菌应用还有利于改善土壤和植物体的微生态环境。目前，国内外的活体PGPR生物制剂主要有粉剂和颗粒剂两种产业化品种。PGPR代谢产物制剂即应用PGPR菌在深层发酵过程中的代谢产物，应用时直接针对植物病原菌或针对病原菌的代谢产物如抗菌素、细菌素、溶菌酶等等，其作用主要为抑菌或杀菌，生产针对寄主植物的代谢产物，主要称作激发子，其主要作用是激发寄主植物产生防卫反应，微生物来源的激发子近年来已发现的有寡糖类、寡聚糖类、肽类、小分子蛋白、脂肪类和糖蛋白类等。因此，代谢产物制剂，可以制成抗菌素类产品，也可研制成激发子类产品，或两者兼而有之的复合型产品。这些产品都可以利用基因重组、高表达技术和先进的生物工程下游技术，以提高产品产量和质量。

最早成功地应用和商业化生产的PGPR是枯草芽孢杆菌A13，Bacilis subtilis是由Broalbent分离得到的。A13的PGPR产品由Gustafson金司生产，1988年在美国注册，主要用在花生上，所用菌株Bacilis subtilis A213、GB03、  GB07，商品名分别为QuantumÒ、KodiakÒ和EpicÒ。1990年美国Auburn大学的科研人员进一步将A13应用在棉花和豌豆上并实现了商品化，应用面积大约有4.10 X 106hm2。商业化最成功的产品是Agrobacterium radiobacter K84，目前美国上市的荧光假单孢菌类PGPR生物制剂就有8种以上。

中国科学院沈阳应用生态研究所应用海洋放线菌MB297的PGPR始于1997年，研制的PGPR于2000年获得农业部产品认证并开始商品化生产与销售，在重茬大豆上应用已达210×104 hm2，增产15%左右。应用海洋细菌BAC29912的PGPR始于2000年（田间试验示范阶段）对大豆、蔬菜等平均增产10%～18. 19%，最高可达35%。海洋微生物在海洋寡营养、低温高盐环境中长期的适应，可能是其在与土著微生物的竞争中具有一定优势的重要方面。

3．促生菌的促生机理

PGPR可以通过直接和间接两方面对植物起作用。直接的促生作用是指PGPR能合成某种化合物供植物剩用或有助于植物从环境中吸收某些营养物。间接作用指的是某些植物促生菌抑制或减轻某些植物病害对植物生长发育和产量的不良影响。PGPR的所有功能并非存在于一种促生菌中，但一种促生菌也可能具备以某种功能为主的多种功能。

植物促生菌的直接作用途径包括如下一些。

①固氮   在植物根围PGPR能产生固氮酶，可在一定程度上固定空气中的氮素供给植物，改善作物的氮营养，促进作物增产。具有固氮能力的促生菌在缺氮环境中比其他菌类有更强的生存能力，更容易为植物提供良好的促生作用。

②解磷    土壤中存有大量的磷，但大部的磷属不溶性磷，植物不能利用。植物促生菌分泌出有机酸如甲酸、乙酸、丙酸、乙醇酸、延胡索酸、乳酸、丁二酸等，可以降低土壤的pH值，使一些难溶磷或不溶磷矿物转变成植物可以吸收利用的磷，一些经酸可与钙、铁形成螯合物，从而加速土壤中无效磷的有效化，增加土壤中磷对作物的供应。植物促生试验表明，解磷菌的溶磷作用是中低肥力土壤上促进植物生长的最重要机制之一。

③产生铁载体   铁元素是植物生长发育的必需营养元素之一。土壤中铁主要以三价铁（Fe3+）状态存在，在pH值为7.4时其溶解度为10～18mol/L，不能被微生物和植物直接利用。在这种低铁应激条件下，许多微生物通过合成分泌与Fe3+有高特异螯合能力的小分子化合物来摄取环境中的铁，这类化合物就是铁载体( siderophore)，也叫嗜铁素。植物促生菌产生的嗜铁素一般都具有高度的铁亲和性和专一性，铁一旦与嗜铁素相结合则形成可浴性铁嗜铁素复合体，后被胞外特定的接收器吸收，并被外质空间和质膜上的某些弱专化蛋白转移至细胞内的细胞质中。在那里铁从铁嗜铁素复合体释放出来参与细胞代谢。当植物根系周围存在大量促生菌时，它所产生的嗜铁素一方面很快地耗尽了土壤中仅存的微量可用铁，使病原菌类因缺铁而无法繁衍，另一方面通过嗜铁索向植物提供铁营养，从而使植物获益。1980年，Hoepper等首次表明嗜铁素在PGPR对土传病害的生防中起重要作用，他们实验了几株属于PGPR的荧光假单孢菌，只有在低铁条件下，这些菌株才能产生黄绿色的荧光嗜铁索，分离发现嗜铁素具有其产生菌相似的抑菌作用。Crowley等报道微生物分泌的铁载

Ferrioxamine与铁的螯合物可以被燕麦吸收利用，Yehuda等发现缺铁条件下，Rhizopus arrhizus分泌的铁载体与铁的螯合物能使因缺铁而失绿的植物恢复正常生长。

④产生植物激素    许多PGPR可产生植物生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)和赤霉素(GA)等。IAA在一定浓度上，具有刺激生长之功效。研究表明，低水平的IAA (10-12～10-9mol/L)可促进植物初生根生长，而更高浓度的IAA可促进植韧次生根和不定根生长。此外，IAA可引导植物茎对光作出反应使其向上生长，可引导根对重力作出反应使其向下生长。如给油菜种子接种能产生低水平IAA的恶臭假单孢菌（Psoudomonas Putida）GR12-2可促进油菜初生根的伸长较对照增加20%～30%。Gravel等在水培条件下研究5株细菌和3株真菌对番茄生长的影响，结果表明菌株P．putida和T. atroviride能提高番茄果实产量，这两株菌均能产生IAA。

⑤产生ACC脱氨酶调节乙烯水平    乙烯是高等植物体内五大内源激素之一，植物对它非常敏感，空气中低达0.1mg/L的乙烯就能显著影响植物的生长发育。它广泛参与调节许多植物的生理过程包括种子萌发、叶片脱落、器官衰老和果实成熟等过程。各种逆境或外部因子也能引起乙烯生物合成的迅速增加，如伤害缺氧、病毒感染的存在。乙烯曾被用于打破种子休眠，用作杂交育种中的杀雄剂及控制性别分化，提早瓜果蔬菜的成熟，增加早期产量。

含ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸，1-aminocyclopropane-1-carboxylate)脱氨酶的PGPR能利用并降解植物产生的乙烯前体ACC，可将植物乙烯前体ACC分解成为α-丁酮酸和氨。降低逆境条件下大量产生的乙烯浓度，促进植物快速生长，特别是根系的生长发育。Mayaka等研究表明具有ACC脱氨酶活性的PGPR Achromobucter piechaudii ARV8能显著提高短暂淹水胁迫下番茄和胡椒幼苗的鲜重和干重，降低番茄幼苗产乙烯的水平。Stearns等将植物促生细菌Pseudomonas putida UW4的ACC脱氨酶基因转入canola，发现在不含Ni和含2mmol/L Ni脐迫的条件下，转基因植物的根长均显著高于非转基因植物。

间接促生作用机制包括：①产生抗生素抑制植物病原微生物；②清除植物根围可供病原菌利用的铁；③诱导激活植物自身抗御机能；④合成抗真菌代谢物；⑤与病原微生物争夺根围生存空间。