植物根际微生物研究及其在桑树上的利用

于 翠，胡兴明*，邓 文，叶楚华

（湖北省农业科学院经济作物研究所，湖北武汉430064）

根际（rhizosphere）是受植物活根影响的土壤微区，是土壤微生物活性特别旺盛的区域。桑树为多年生叶用植物，由于每年剪伐和一年多次采叶养蚕，需要从土壤中摄取大量营养元素，才能正常生长发育，根系和根际微生物的生理活动对土壤性状、植物养分吸收和植物生长发育都具有明显的影响，在长期的生长过程中，根系-土壤-微生物间形成一个稳定的生态系统，三者相互作用，相互影响，为土壤微生物提供充足的营养和能量，促进土壤微生物活动，反之土壤微生物旺盛的活动加速了土壤养分的活化，通过改善根系周围土壤环境等方式影响植物根系对养分的吸收利用，间接影响植株的生长发育。植物的生长发育、对营养物质的吸收和病虫害的防治以及抗逆性与根际微生物关系密切[1～3]。

1 植物根际微生物研究现状

早在19世纪中期，由于细菌学的诞生，导致了植物病理学和土壤微生物学等新学科的创立。迄今，根际微生物的研究已有100多年的历史，但我国起步较晚。近年来，诸多研究者对不同植物根际微生物的种类、数量、种群动态、活性、生理特点和营养要求等进行了研究[1～6]。但大部分根际微生物的作用机理尚不清楚。深入理解根际微生物生化过程和植物-微生物相互作用的机理仍然是根际微生物工作所面临的重大挑战。

1.1 根际微生物的多样性

植物根际聚居着大量的微生物，主要包括细菌、放线菌、真菌。前人已对水稻、大豆、玉米、小麦等农作物；烤烟、棉花、油菜、番茄、黄瓜、辣椒、桑树、茶树等经济作物；柑橘、苹果、甜樱桃等果树；杉木、红柳、沙拐枣、尾叶桉、杜鹃林、格氏栲等林木大约100多种植物根际微生物进行了研究报道[1～15]。但因影响植物根际微生物的因素很多，不同研究人员对不同植物根际微生物的数量报道有差异，甚至对相同植物根际微生物数量的研究报道也有差异。

1.2 根际微生物的作用及其应用

植物根际中有益微生物的生理活动对土壤理化性状、植物养分吸收、植物生长发育及植物病源微生物等均具有明显影响[16～19]。在农业生态系统中，充分利用这些微生物的生物学潜力将有助于改善根际微生态环境、促进植物生长、抑制或减轻植物病害、减少化肥和农药投入、减轻环境污染，实现农业可持续发展。有关此方面的研究日益受到重视[2，8，10，20，21，22，23]。

在植物根际存在的能生产植物生长激素直接促进植物生长的细菌和通过对病原菌的生物防治间接促进植物生长的生防细菌统称植物根际促生细菌（Plant growth-promoting rhizobactoria），简称PGPR。对PGPR的研究，最初是从Azotobacter开始的。20世纪30年代初，人们对Azotobacter的兴趣主要在于它们的固氮能力，后来发现将它接种于植物种子或根部，能促进植物生长和提高产量。现在已经十分明确，Azotobacter的促生作用是由它产生的生理活性物质引起的，包括吲哚类、赤霉素类、激动素类等生物刺激素和多种维生素物质。到了20世纪50年代前苏联的土壤生物学家曾热衷于对这类细菌的研究，并把它们作为菌剂，用于拌种，以促进植物的生长。但由于田间效果不稳定或不显著，这项研究逐渐冷淡了下来。近年来，这一领域再次出现了一个研究热潮，大多研究集中于PGPR的防病促生潜能上，如防治幼苗立枯病、枯萎病、猝倒病、茎腐病和根腐病等[19～24]。据不完全统计，有20多个属的PGPR具有防病促生潜能。荧光假单孢菌（Fluorescent Pseudomonas）的一些基因型是最常见的生防细菌，它们能生产抗生素氰化氢（hydrogen cyanide，HCN）和 2，4-二乙酰基藤黄酚（2，4-diacetylphloroglucinol，Phl），对许多病原菌有抑制作用[24]。

固氮细菌能将大气N2转变成氨态氮，是重要的PGPR。固氮细菌可分成共生固氮菌和非共生固氮菌。20世纪70年代初，自巴西学者报道了从雀稗根面分离到活性强的固氮菌以来，根际联合固氮菌引起国内外许多研究者的极大兴趣，对水稻、小麦、玉米、高粱、甘蔗、棉花，及一些树种如桉树、杨树、茶树等进行了研究[25，26]。Lifshitz等[27]用一个能固氮的Pseudomonas putida的菌株（GR12-2）接种油菜种子，非常显著地促进了油菜根的伸长。

近年来，国内外研究者还应用单一或组合有益微生物制成菌剂，作为生物肥料或生物农药施入作物根际，为根际引进和富集这些有益的种类，并发挥它们促进植物生长发育和抑制病菌的作用，获得增产和防病的效果[28]。增产菌的应用就是其中一例。对植物根际解磷细菌、固氮细菌、消化细菌、反硝化细菌的研究近年也有起步，许多学者已从多种作物根际分离出了这些菌株并进行了初步研究[2，8，10，14，25]，但对其机理尚未进行深入研究。

根据上面介绍的一些实例可以看出，PGPR在植物的根际普遍存在，应用某些优良菌种促进植物生长的试验也获得了不少好的结果，但这些试验多在人工控制的条件下进行，真正应用于大田生产的效果却很不稳定或无效果。其原因在于接种的菌株未能在植物根际存活或继续生长繁殖。因此，要想使PGPR在生产中稳定、有效地发挥其作用，必须在这方面加强应用基础理论的研究，深入地了解PGPR的作用机理及各种环境因子对它们的影响，并通过各种技术措施调控外界环境，满足它们的要求，才能使这类有益的细菌持续有效地在生产中发挥作用。

2 桑树根际微生物的研究现状

我国桑树资源丰富，广泛分布于全国各地，为蚕桑产业的发展提供了重要的物质保障。桑树为多年生作物，长期定植于同一位点，其生长发育与土壤微生物，尤其是根际土壤微生物有密切的关系。吴凡等[9]对不同肥力条件下桑树根际微生物种群分析的研究表明，肥沃土壤根际细菌和放线菌的数量均高于贫瘠土壤，而真菌数量低于贫瘠土壤；相同肥力条件下，三类促生细菌中溶磷细菌的数量最多，其次是硅酸盐细菌，固氮细菌的数量最少。

PGPR中的固氮菌和解磷细菌可通过固氮作用和促进营养物质（如磷）的溶解等方式促进植物生长。吴凡等[8]对桑树根际解磷细菌进行分离鉴定并对解磷能力进行了测定，结果表明，桑树根际分离获得32个具有解磷能力的细菌分离物，经rep-PCR基因指纹分析得到19株解磷细菌。经解磷能力测定，11株菌株的解磷能力较强，分别为假单胞菌属（Pseudom onas sp.）、贪噬菌属（Variovorax sp.）和根瘤菌属（Rhizobium sp.）。吴凡等[10]也对桑树根际固氮细菌进行分离鉴定并对固氮酶活力进行测定，结果表明，桑树根际分离获得24个具有固氮能力的细菌分离株，经固氮酶活性测定，3株菌株具有较强的固氮酶活性，分别为中慢生根瘤菌属（Mesorhizobium sp.）、假单胞菌属（Pseudomonas sp.）和土壤杆菌属（Agrobacterium sp.）。以上研究只是对桑树根际高效解磷与固氮细菌进行分离鉴定，并没有对这些有益细菌施于土壤后的活动规律、繁殖特点和消长动态以及解磷作用的发挥条件和影响因素进行研究，继续研究此项工作能更好地挖掘微生物的解磷、固氮潜能。通过开发高效微生物肥料，对减少化学肥料的使用、提高土壤中养分的含量、改善土壤环境、降低环境污染、提高桑树生产力以及促进蚕桑产业的健康发展具有积极作用。

3 桑树根际微生物的利用前景

自1904年“根际”一词提出以来，因根际对植物营养、生长发育和病理等方面的研究有极为重要的意义而受到全世界的广泛重视。作为多年生植物，桑树生产中缺素症、化肥施用量过多、环境污染等问题的解决都与根际微生物的研究密切相关。但是由于桑树根系较庞大、结构复杂、试验操作不便，对其根际微域环境的报道相对较少，研究多集中在小麦、大麦、燕麦、玉米等浅根性的一年生的农作物上。近年来，随着化学肥料所带来的土质下降、环境污染严重等问题日益突出，桑树根际微生物资源逐渐受到重视。桑树根际微生物的深入研究将为蚕桑产业向纵深发展带来新的机遇，提出新的挑战。

3.1 桑树根际微生物在生产中的应用

我国目前的桑园面积约81万hm2。桑园肥培管理不但关系到桑叶的产量和品质，而且影响到养蚕成绩的好坏。在蚕业生产上，桑园过量施用化肥尤其是过量施用氮肥的现象比较普遍，造成了桑园土壤中的磷素水平下降较快，桑园土壤有机质降低，土壤理化性状恶化及肥力下降，同时也在一定程度上污染了环境。利用PGPR是解决上述问题的有效途径之一。

PGPR能够促进植物对矿质营养的吸收和利用，或者产生促进植物生长的代谢物，甚至抑制有害微生物。深入研究桑树根际微生物，筛选出具有促生生防功能的桑树促生菌，并施放活菌制剂于健康桑树幼苗，或已感染特定病原微生物的桑树，能建立或恢复桑树的微生态平衡，促进桑树的健康成长。相比化学肥料及农药单纯的促长和抑病，及其所造成的极大的环境压力，桑树根际促生菌更环保，更有利于增强桑树自身的抗逆性。如固氮菌资源则是利用生物固氮减少化肥使用量的有效途径之一[25]；另外，解磷菌或溶磷菌能够将植物难以吸收利用的难溶性或不溶性磷转化为可利用的形态，还能够吸附植物根际周围的锌、铜、硒等微量元素，改善植物营养，分泌生长调节物质，促进根系生长等[29]。所以寻找新的固氮及溶磷细菌等根际微生物资源，增加氮素和磷素及其它营养元素的供应水平，促进桑树健康的生长，对保护环境、发展可持续性绿色蚕业具有重要意义。

另外，由于长期使用化肥和农药，以及一些工厂废气、废水、废渣的不规则排放，使得土壤中的有机、无机污染物日益增多，降低土壤肥力，抑制植物生长甚至毒害植物使之死亡。新研究发现，许多PGPR类群能降解无机、有机污染物，减轻污染物对植物的毒害，为植物的生长提供一个良好的生态环境。

3.2 桑树根际微生物的应用形式

随着资源的枯竭，微生物被认为是地球上最大的、未被充分认识和开发的生物资源。微生物作为一种宝贵的资源，它与农业可持续发展的关系十分密切，它在土壤肥力的提高与保持、营养元素的转化、抑制植物病害、环境净化与生态系统的平衡等方面起着极其重要的作用。因此，加强以微生物肥料、微生物农药、微生物食品、微生物饲料、环境激素和环境工程微生物等为核心的农业清洁生产技术的研究与开发利用将具有广阔的应用前景。桑树作为重要的中药材，含有多种药物成分，相关研究期待能筛选出特定的桑树根际微生物，其能产生与桑树相同或相似的次生代谢产物。同时，利用微生物代谢时间短、活性物质生产条件易控、分离纯化更为容易等优势，为活性成分的大规模生产提供新的可能。桑树根际微生物相关研究的深入开展将可能为新药的研究和开发带来新的契机。

[1]吕德国,于翠,杜国栋,等.樱桃属(Cerasus)植物根围微生物多样性的初步研究[J].生态学报,2008a,28(8):1～9

[2]吕德国,于翠,嗣军,等.本溪山樱根部解磷细菌的定殖规律及其对植株生长发育的影响 [J].中国农业科学,2008b,41(2):508～515

[3]Wasaki J,Rothe A,Kania A.Root exudation,Phosphorus acquisition and microbial diversity in the rhizosphere of white lupine as affected by phosphorus supply and atmospheric carbon dioxide concentration[J].Journal of Environmental quality,2005,34(6):2157～2167

[4]湛方栋,陆引罡,关国经,等.烤烟根际微生物群落结构及其动态变化的研究[J].土壤学报,2005,42(3):488～494

[5]孙海新,刘训理.茶树根际微生物研究[J].生态学报,2004,24(7):1353～1357

[6]胡元森,吴坤,刘娜,等.黄瓜不同生育期根际微生物区系变化研究[J].中国农业科学,2004,37(10):1521～1526

[7]Bharathkumar S,RameshKumar N,Paul D,et al.Characterization of the predominant bacterial population of different mangrove rhizosphere soils using 16S rRNA gene-based single-strand conformation polymorphism (SSCP)[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2008,24:387～394

[8]吴凡,崔萍,夏尚远,等.桑树根际解磷细菌的分离鉴定及解磷能力测定[J].蚕业科学,2007,33(4):521～527

[9]吴凡,李传荣,崔萍,等.不同肥力条件下的桑树根际微生物种群分析[J].生态学报,2008a,28(6):2674～2681

[10]吴凡,张楠,张莎莎,等.桑树根际固氮细菌的分离鉴定及固氮酶活力测定[J].蚕业科学,2008b,34(3):387～392

[11]于翠,吕德国,秦嗣军,等.本溪山樱 (Cerasus sachalinensis)根际微生物区系研究 [J].应用生态学报,2007a,18(10):2277～2281

[12]于翠,吕德国,秦嗣军,等.大青叶樱桃 (Cerasus pseudocerasus)根际微生物种群结构及其变化动态研究[J].果树学报,2007b,24(3):298～302

[13]于翠,吕德国,秦嗣军,等.甜樱桃砧木根际与非根际解磷细胞研究初报[J].沈阳农业大学学报,2006a,37(5):769～771

[14]于翠,吕德国,秦嗣军,等.本溪山樱根际与非根际解磷细菌群落结构及动态变化[J].应用生态学报,2006b,17(12):2381～2384

[15]Fischer SE,Fischer SI,Magris S,et al.Isolation and characterization of bacteria from the rhizosphere of wheat[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2007,23:895～903

[16]Garbeva P,Van Elsas JD,Van Veen JA.Rhizosphere microbial community and its response to plant species and soil history[J].Plant and Soil,2008,302:19～32

[17]Yevdokimov IV,Ruser R,Buegger F,et al.Interaction between rhizosphere microorganisms and plant roots:13C fluxes in the rhizosphere after pulse labeling [J].Eurasian Soil Science,2007,40:766～774

[18]Herschkovitz Y,Lerner A,Davidov Y,et al.Inoculation with the Plant-Growth-Promoting Rhizobacterium Azospirillum brasilense causes little disturbance in the rhizosphere and rhizoplane of maize (Zea mays)[J].Microbial Ecology,2005,50:277～288

[19]Singh A,Mehta S,Singh HB,et al.Biocontrol of collar rot disease of betelvine (Piper betle L.)caused by Sclerotium rolfsiiby using rhizosphere-competentPseudomonas fluorescens NBRI-N6 and P.fluorescens NBRI-N[J].Current Microbiology,2003,47,153～158

[20]Singh N,Pandey P,Dubey RC,et al.Biological control of root rot fungus Macrophomina phaseolina and growth enhancement of Pinus roxburghii (Sarg.)by rhizosphere competent Bacillus subtilis BN1 [J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2008,24:1669～1679

[21]Jayaraj J,Parthasarathi T,Radhakrishinan NV.Characterization of a Pseudomonas fluorescens strain from tomato rhizosphere and its use for integrated management of tomato damping-off[J].BioControl,2007,52:683～702

[22]Canbolat MY,Bilen S,CakmakC1 R,et al.Effect of plant growth-promoting bacteria and soil compaction on barley seedling growth,nutrientuptake,soilpropertiesand rhizosphere microflora [J].Biology and Fertility of soils,2006,42:350～357

[23]Probanza A,Mateos JL,Lucas Garcia JA,et al.Effects of inoculation with PGPR Bacillus and Pisolithus tinctorius on Pinus pinea L.growth,bacterial rhizosphere colonization,and mycorrhizal infection [J].Microbial Ecology,2001,41:140～148

[24]周洪友,刘正坪,胡俊,等.2,4-二乙酰基藤黄酚产生菌在番茄根部的定殖及对番茄青枯病的防治 [J].华北农学报,2004,19(4):105～108

[25]Van Nieuwenhove C,Merckx R,Van Holm L,et al.Dinitrogen fixation activity of Azorhizobium caulinodans in the rice (Oryza sativa L.)rhizosphere assessed by nitrogen balance and nitrogen-15 dilution methods[J].Biology and Fertility of Soils,2001,33:25～32

[26]Chalk PM.The contribution of associative and symbiotic ni－ trogen fixation to the nitrogen nutrition of non-legumes[J].Plant and Soil,1991,132:29～39

[27]Lifshitz R,Kloepper JW,Kozlowski M.Growth promotion on canola (rapeseed)seedlings by a strain of Pseudomonas putida under grotobiotic conditions[J].Canadian Journal of Microbiology,1987,33:390～395

[28]洪坚平,谢英荷,Guenter N,Roemheld V.不同微生物菌剂对豌豆生长和磷、锌利用率的影响[J].植物营养与肥料学报,2004,10(3):327～330

[29]Jorquera MA,Hernández MT,Rengel Z,et al.Isolation of culturable phosphobacteria with both phytate-mineralization and phosphate-solubilization activity from the rhizosphere of plants grown in a volcanic soil[J].Biology and Fertility of soils,2008,44:1025～1034