付嚴(yán)松 李宇聰 徐志輝 邵佳慧 劉云鵬 宣偉 張瑞福，

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2. 中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100086；3. 作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210095）

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上由于化肥的過量施用，造成了農(nóng)田環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品安全等問題，導(dǎo)致土壤質(zhì)量的降低，影響土壤的持續(xù)利用。根際微生物被看做植物的第二基因組，對宿主植物的營養(yǎng)和健康發(fā)揮著重要的作用，促進(jìn)化肥減施增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。根際微生物中的植物促生菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPRs）由于其根際定殖能力強(qiáng)、對植物具有多種益生作用，是目前微生物肥料的主要生產(chǎn)菌種。

PGPRs對植物的促生機(jī)制分為直接促生和間接促生兩種，直接促生機(jī)制主要包括活化養(yǎng)分，如固氮、溶磷、解鉀、活化各種中微量營養(yǎng)元素等［1-2］、調(diào)節(jié)植物激素水平，如分泌有益激素及降解有害激素等［3］、產(chǎn)生揮發(fā)性促生物質(zhì)［4］；間接機(jī)制一般包括抑制植物土傳病害［5］、誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性和誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對非生物脅迫的系統(tǒng)耐性等。

PGPRs在根際的定殖能調(diào)控植物根系構(gòu)型（Root System Architecture，RSA），促進(jìn)側(cè)根和根毛的發(fā)育，增強(qiáng)植物的生長和根際養(yǎng)分吸收，提高肥料利用率。PGPRs通過自身分泌的各種激素和信號物質(zhì)調(diào)控植物根系發(fā)育的信號通路和分子途徑，會影響根系的主根、側(cè)根和和根毛等的發(fā)育，最終影響植物的根系形態(tài)。目前已經(jīng)鑒定了一些PGPRs影響RSA的激素和信號，也初步闡釋了這些物質(zhì)調(diào)控植物根系發(fā)育的分子機(jī)制。但是PGPRs種類眾多，對根系的影響也復(fù)雜多樣，為了利用PGPRs及其代謝物質(zhì)調(diào)控形成不同作物的理想根系形態(tài)，促進(jìn)根際養(yǎng)分的吸收利用，仍需系統(tǒng)發(fā)掘PGPRs調(diào)控根系形態(tài)的新型信號物質(zhì)，深入揭示它們的作用機(jī)制，促進(jìn)PGPRs在減施增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中的應(yīng)用。本文綜述了目前已知的PGPRs分泌的調(diào)控RSA的激素和信號，總結(jié)了調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展，并對今后的研究提出展望。

1 PGPRs影響主根、側(cè)根和根毛的生長從而調(diào)控植物的根系構(gòu)型

植物根系自身具有高度的可塑性，PGPRs對植物RSA的影響是多方面的。大量研究證明PGPRs對主根伸長的影響有的表現(xiàn)為促進(jìn)，有的表現(xiàn)為抑制；但側(cè)根和根毛的數(shù)量都表現(xiàn)為顯著促進(jìn)，植株根系的生物量也得到提升［6］。

部分PGPRs會抑制植物主根的生長，如假單胞菌WCS417［7］和巨大芽孢桿菌UMCV1都通過影響擬南芥根部細(xì)胞在增殖和分化之間的轉(zhuǎn)換來改變其根系結(jié)構(gòu)，其中假單胞菌WCS417增加了分生區(qū)細(xì)胞的分裂、而巨大芽孢桿菌UMCV1減少了分生區(qū)細(xì)胞的分裂，但這兩株菌直接接種于擬南芥根部時都抑制了主根的伸長［8-11］。

大多數(shù)PGPRs都能促進(jìn)植物主根的伸長，如伯克氏菌PsJN能提升擬南芥主根長度、增加根毛數(shù)量以及根生物量［12］。Ryu等［4］測定了7株產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的PGPRs對擬南芥生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中枯草芽孢桿菌GB03和解淀粉芽孢桿菌IN937a可以顯著促進(jìn)擬南芥的地上部發(fā)育，其原因可能與PGPR對植物RSA的調(diào)控緊密相關(guān)。Gutierrez-Luna等［13］從檸檬根際土壤中分離得到3株P(guān)GPRs菌株，產(chǎn)生的VOCs都可以改變植物的RSA。

2 PGPRs通過分泌植物激素和信號物質(zhì)調(diào)控植物的根系構(gòu)型

PGPRs主要通過分泌豐富的代謝物調(diào)控植物根系發(fā)育信號途徑影響植物的RSA。這些代謝物可以分為兩大類：一是植物激素類物質(zhì)，包括生長素（IAA）、赤霉素（GA）、細(xì)胞分裂素（CTK）、脫落酸（ABA）、乙烯（ET）和油菜素甾醇（BR）等，這些激素可以通過激活其下游信號通路直接調(diào)控植物根系發(fā)育；第二大類是PGPRs分泌的激素之外的一些信號分子，它們通過影響植物內(nèi)源激素的穩(wěn)態(tài)和根系發(fā)育的過程來調(diào)控植物根系發(fā)育。

大部分PGPRs可以產(chǎn)生CTK［14-16］，例如枯草芽孢桿菌會分泌CTK從而增加植物內(nèi)源CTK的含量影響生菜根系的發(fā)育［17］。有些PGPRs能分泌GA，如蠟樣芽孢桿菌MJ-1產(chǎn)生GA來增加紅辣椒內(nèi)源GA的含量，改變其根系結(jié)構(gòu)［18］。PGPRs分泌的生長素吲哚乙酸（IAA）同樣能誘導(dǎo)植物根系生長［19-22］。例如，枯草芽孢桿菌AH18和地衣芽孢桿菌K11都有分泌植物激素IAA的能力，當(dāng)接種不同濃度的枯草芽孢桿菌AH18和地衣芽孢桿菌K11于黃瓜根部時，其根系生長狀態(tài)存在梯度效應(yīng)，黃瓜主根的伸長隨著接種濃度的升高而增大，當(dāng)接種量過高時對主根存在抑制效果［23］，證明PGPRs分泌的不同水平IAA對植物根系的影響有顯著差異性，IAA的促根效用與劑量有關(guān)。微生物分泌的植物激素類物質(zhì)，多數(shù)被植物根系直接吸收利用，但極少數(shù)PGPRs代謝產(chǎn)生的揮發(fā)氣體乙烯（ET）在調(diào)控植物根系發(fā)育過程中扮演信號類物質(zhì)的角色［13］。

PGPRs還能分泌一些非激素的信號物質(zhì)影響植物的根系發(fā)育。PGPRs的群感信號分子高絲氨酸內(nèi)酯（N-Acyl-homoserine lactones，AHLs）能夠在高濃度下通過改變植物體內(nèi)CTK的應(yīng)答來誘導(dǎo)側(cè)根的生長及抑制主根的伸長，在低濃度下通過作用于植物G蛋白信號和鈣調(diào)蛋白的機(jī)制，增加分生區(qū)細(xì)胞的分裂和伸長來增加主根的延伸［24］；某些PGPRs產(chǎn)生的另一種群感信號二酮哌嗪類化合物（DKPs）能夠激活植物IAA應(yīng)答基因的表達(dá)，和植物內(nèi)IAA受體蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)植物側(cè)根生長［25］。PGPRs產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）也具有調(diào)控植物根系發(fā)育的功能，如芽孢桿菌B55可以通過產(chǎn)生的揮發(fā)性的二甲基二硫，能夠恢復(fù)乙烯不敏感突變株的根系結(jié)構(gòu)［26］?？莶菅挎邨U菌GB03和解淀粉芽孢桿菌IN937a分泌的VOCs類物質(zhì)2，3-丁二醇和乙偶姻可能通過影響根系發(fā)育來促進(jìn)植物地上部的生長［4，27］。運(yùn)動節(jié)桿菌UMCV2產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物十六烷基二甲基叔胺（N，N-dimethyl hexadecylamine，C16-DMA）及有機(jī)胺類通過茉莉酸信號途徑介導(dǎo)根系的發(fā)育［28］。這些研究證明PGPRs通過分泌多種的植物激素和信號物質(zhì)調(diào)控植物根系的發(fā)育和結(jié)構(gòu)（表1）。然而，PGPRs種類眾多，分泌的代謝物也復(fù)雜多樣，許多調(diào)控植物根際發(fā)育的新型信號物質(zhì)仍待挖掘。

表1 PGPRs分泌的調(diào)控植物的根系構(gòu)型的植物激素和信號物質(zhì)

3 PGPRs分泌的信號物質(zhì)主要作用于植物內(nèi)源激素通路調(diào)控植物的根系構(gòu)型

PGPRs所分泌的信號類物質(zhì)對植物根系結(jié)構(gòu)的影響，主要通過對內(nèi)源植物激素通路的調(diào)控。植物主根的發(fā)育受胚胎時期所形成根尖干細(xì)胞的控制［27］，在根系發(fā)育過程中，IAA途徑下游的PLT轉(zhuǎn)錄因子控制IAA的濃度梯度，來維持干細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)，從而控制主根的伸長［29-31］。在主根的“過渡區(qū)（Transition Zone）”（位于分生組織的尖端，該區(qū)域的細(xì)胞不分裂，細(xì)胞延長緩慢）［32］，CTK可以抑制IAA極性運(yùn)輸?shù)鞍祝≒INs）的表達(dá)，導(dǎo)致主根局部IAA濃度梯度的改變，誘導(dǎo)細(xì)胞的分化而影響主根的伸長［33-34］。一些PGPRs的代謝物可以直接介導(dǎo)植物內(nèi)源IAA的轉(zhuǎn)運(yùn)，影響植物根系的構(gòu)型。研究發(fā)現(xiàn)植物根際促生菌枯草芽孢桿菌GB03分泌的VOCs可以促進(jìn)植物根系發(fā)育，當(dāng)施用于帶有IAA信號報告基因DR5∶GUS標(biāo)記的擬南芥時，可觀察到IAA信號顯著增強(qiáng)，但施用于eir1突變株時，其促生效果受到抑制，證明枯草芽孢桿菌GB03分泌的VOCs通過調(diào)控擬南芥內(nèi)源IAA的極性運(yùn)輸以誘導(dǎo)細(xì)胞的伸長，從而影響擬南芥主根的發(fā)育［35］。銅綠假單胞菌分泌的銅綠菌素（PCN），在群感信號分子的調(diào)控下，不依賴植物IAA和CTK信號通路誘導(dǎo)根系構(gòu)型變化，其中PCN可能協(xié)調(diào)內(nèi)源ET水平，改變主根根尖部分活性氧（ROS）穩(wěn)態(tài)（H2O2和O2-的平衡）而抑制植物主根生長［36］。

植物的側(cè)根由主根成熟區(qū)的中柱鞘細(xì)胞脫分化形成，IAA在中柱鞘細(xì)胞中會誘導(dǎo)側(cè)根原基的產(chǎn)生［37-38］。研究表明，擬南芥?zhèn)雀谥鞲系闹芷谛园l(fā)生受到主根靠近根尖的信號震蕩區(qū)（Oscillation zone，包括過渡區(qū)和伸長區(qū)）震蕩基因（Oscillating genes）的調(diào)控，震蕩基因的表達(dá)上調(diào)會增強(qiáng)根尖信號震蕩區(qū)的IAA信號，進(jìn)而誘導(dǎo)中柱鞘細(xì)胞的分裂和側(cè)根形成點(diǎn)（Pre-branch site）的形成，生長素受體TIR1和根冠的生長素合成途徑可以通過維持信號震蕩區(qū)的生長素信號強(qiáng)度來誘導(dǎo)側(cè)根形成點(diǎn)的發(fā)生［39-40］。

在側(cè)根形成點(diǎn)發(fā)育成為側(cè)根的過程中，生長素信號途徑也起著決定性的作用。在中柱鞘細(xì)胞第一次細(xì)胞分裂前，細(xì)胞中的IAA應(yīng)答途徑被活化，從而選擇性的激活特異的中柱鞘細(xì)胞分裂形成側(cè)根原基［41］，這一過程受到AUX/IAA轉(zhuǎn)錄抑制因子IAA14和IAA28、IAA轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子ARF7和ARF19及其下游信號基因GATA23等的嚴(yán)密調(diào)控［42］。此外，IAA途徑下游靶標(biāo)基因PLT3，PLT5和PLT7在側(cè)根原基形成后，參與對側(cè)根原基發(fā)育的調(diào)控，對側(cè)根持續(xù)的萌發(fā)產(chǎn)生重要影響［43-44］。因此，IAA信號不僅在信號震蕩區(qū)誘導(dǎo)側(cè)根形成點(diǎn)的形成，也調(diào)控側(cè)根原基的發(fā)生和發(fā)育，是側(cè)根發(fā)生的最重要的調(diào)控因子［45］。

值得注意的是，銅綠假單胞菌產(chǎn)生的群感信號DKPs和已知的IAA有相似的二維雜環(huán)結(jié)構(gòu)，同樣能和植物內(nèi)的IAA受體蛋白TIR1結(jié)合，激活下游IAA應(yīng)答基因的表達(dá)，誘導(dǎo)植物側(cè)根的形成［25］。大腸桿菌產(chǎn)生的吲哚會影響植物內(nèi)源的IAA信號，當(dāng)施用于植物根部時會促進(jìn)側(cè)根原基的發(fā)育［46］。推測是吲哚在低濃度時會扮演和IAA相似的功能促進(jìn)AUX/IAA轉(zhuǎn)錄抑制因子的泛素化降解，增加IAA轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（ARFs）對下游IAA應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄激活，從而促進(jìn)側(cè)根的生長；而在高濃度時吲哚則會扮演IAA的競爭抑制物抑制AUX/IAA的降解，降低ARF對下游基因的調(diào)控能力，說明吲哚可以轉(zhuǎn)化為IAA的拮抗物質(zhì)干預(yù)植物內(nèi)源IAA信號通路。綜上所述，PGPRs對植物RSA的改變，通常伴隨著植物內(nèi)源激素響應(yīng)的變化。PGPRs代謝物對植物根系發(fā)育內(nèi)源激素途徑的影響機(jī)制總結(jié)如圖1所示。

4 展望

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要門戶，調(diào)控植物RSA是促進(jìn)根際養(yǎng)分吸收利用、提高養(yǎng)分利用效率的重要途徑。植物的根系發(fā)育既受到復(fù)雜的內(nèi)源信號途徑的控制，又受根際微生物、養(yǎng)分含量、含水量、有害元素脅迫等生物和非生物因素的影響。培育根系構(gòu)型合理、養(yǎng)分利用高效的作物新品種是目前的主要育種目標(biāo)之一，但是這個周期較長；利用根際微生物對根系構(gòu)型的調(diào)控和影響促進(jìn)作物的養(yǎng)分吸收利用是簡便有效的可行途徑之一，具有重要的應(yīng)用價值。

根際微生物作為植物的第二基因組，其研究對我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略意義重大，也是目前國際前沿研究熱點(diǎn)。根際微生物已經(jīng)連續(xù)兩年被中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院的報告列為國際重點(diǎn)研究前沿，并被美國科學(xué)家評為未來農(nóng)業(yè)的五大發(fā)展方向之一，顯示其未來的巨大應(yīng)用潛力。但是根際微生物在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中的潛力還未被充分利用，對PGPRs與植物互作的信號、功能、機(jī)制和應(yīng)用缺乏深入的研究和系統(tǒng)的認(rèn)識是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。

圖1 PGPRs產(chǎn)生信號分子調(diào)控植物根系構(gòu)型分子機(jī)制

未來在PGPRs調(diào)控植物RSA以促進(jìn)植物生長和養(yǎng)分利用方面，應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下幾個方向從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)開展工作，促進(jìn)PGPRs在農(nóng)業(yè)減肥增效和綠色發(fā)展中的應(yīng)用。第一，深入挖掘PGPRs調(diào)控植物RSA的新型信號分子；第二，系統(tǒng)闡釋PGPRs新型信號分子調(diào)控RSA的分子途徑；第三，根據(jù)各種作物高效吸收不同養(yǎng)分的根系形態(tài)，探索綜合利用不同PGPRs菌株和信號組合調(diào)控形成理想RSA的技術(shù)體系；第四，實(shí)現(xiàn)PGPRs和新型信號分子產(chǎn)品化（微生物肥料和植物生長調(diào)節(jié)劑）和產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)，服務(wù)于我國化肥減施增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。