邢起銘，金文杰，周利斌，李文建，劉瑞媛，馬建忠

（1中國科學院近代物理研究所生物物理室，蘭州 730000；2蘭州理工大學生命科學與工程學院，蘭州 730000）

0 引言

土壤鹽漬化是制約世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要環(huán)境問題之一。全世界約有9.5×108hm2鹽漬土地[1]，且每年以1.0×106～1.5×106hm2的速度增長[2]，尤其是廢水污染、灌溉不當、濫施化肥等原因造成的次生鹽漬化日趨嚴重，伴生的土壤沙化和荒漠化等生態(tài)問題也日益突出。中國鹽漬化土壤總面積約3.6×107 hm2，鹽漬化土壤占全國可利用土地面積的4.88%[3]，主要分布在東北、西北、華北內(nèi)陸以及沿海地區(qū)[4]。面對中國人口基數(shù)大，人均能源少的資源國情，改良和利用鹽漬化土壤對開發(fā)中國耕地資源以及保障糧食安全生產(chǎn)具有重要的意義[5]。雖然一些植物在鹽漬化土壤環(huán)境下有一定的產(chǎn)量，但是多數(shù)植物為甜土植物，很難在高鹽、高pH以及營養(yǎng)匱乏的鹽漬化土壤生長。

植物根際促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指通過其自身生命活動作用直接或間接促進植物生長的土壤微生物。它不僅局限于提高植物營養(yǎng)元素的供應，產(chǎn)生各種植物需要的植物激素，誘導植物對逆境的抗性，促進植物對營養(yǎng)元素的吸收，還可以拮抗某些病原微生物，減輕病蟲危害從而促進植物增產(chǎn)[6]。早在20世紀90年代，德國科學家Lorenz Hiltner就已提出豆科植物與根際細菌特有的共生關系，植物根際微生物多而活躍，根據(jù)其對植物的作用，根際細菌分為有益(2%～5%)，有害(8%～15%)和中性(80%～90%)3類[7]。然而早期對植物的研究主要集中在植物對營養(yǎng)的吸收和抑制有害菌(DRMO)方面，因此對于植物根際促生菌的利用和研究并未受到過多的關注。2015年中央1號文件做出了中國農(nóng)業(yè)發(fā)展“轉(zhuǎn)方式、調(diào)結構”的戰(zhàn)略部署，2016年以來，國家陸續(xù)出臺了一系列促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的政策，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也提出了中國農(nóng)業(yè)要實現(xiàn)“農(nóng)藥化肥雙減”的目標[8]。應用PGPR蘊藏的巨大應用潛力已得到社會廣泛認可，利用PGPR研發(fā)復合菌肥已取得突飛猛進的成果。鑒于此，本研究總結了近年來PGPR對植物促生功能的探索、植物抗逆等方面應用的研究進展，以期為進一步研究和應用根際促生菌提供科學依據(jù)。

1 鹽脅迫環(huán)境對植物的影響

鹽脅迫對植物的生長發(fā)育具有多方面的影響，受損程度與鹽脅迫持續(xù)時間呈正相關。過量的鹽離子引發(fā)離子脅迫、滲透脅迫等初級脅迫對植物造成傷害，其離子脅迫主要包括離子過量和離子虧缺，而滲透脅迫則是由于典型的環(huán)境滲透勢不平衡對植物細胞造成的損傷，鹽脅迫對細胞造成的次級影響較為復雜，包括氧化脅迫、破壞膜脂、光合作用減弱、營養(yǎng)失衡等問題，并進一步引起代謝紊亂[9]。各種脅迫信號彼此交叉，構成復雜的脅迫網(wǎng)絡，引起植物在基因表達、代謝和生理性狀等多方面的特異性反應。

1.1 鹽脅迫環(huán)境對植物生長的影響

高濃度的鹽離子會對植物體內(nèi)葉綠體和線粒體的電子傳遞(ETC)產(chǎn)生嚴重的影響，抑制光合作用，造成活性氧(ROS)的積累。過量的活性氧會對植物體內(nèi)的DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)以及其他重要的細胞組分造成氧化損傷，抑制植物的生長[10]。為應對鹽脅迫，植物開始產(chǎn)生不同類型的抗氧化劑，以減輕氧化應激，如過氧化氫酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽還原酶(GR)等抗氧化物酶共同組成有效的活性氧清除系統(tǒng)。

高濃度的鹽離子會促進植物體內(nèi)乙烯的合成[11]。乙烯廣泛存在于植物體內(nèi)，通常小于1.0 μL/L。低濃度的乙烯可以誘導種子萌發(fā)，植物根系生長，植物莖葉的形成。但是隨著乙烯濃度的增加，促使植物葉片變黃、器官衰老、葉片和花瓣脫落甚至植物過早死亡[12]。

高濃度的鹽離子會破壞植物細胞的膜結構，細胞膜作為包圍在細胞表面，維護細胞內(nèi)平衡穩(wěn)定，參與同外界物質(zhì)交換、信息傳遞、能量吸收最頻繁的屏障，衡量其膜脂過氧化的終產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量是判斷植物鹽脅迫損傷程度的一個主要指標之一[4]。

1.2 鹽脅迫環(huán)境對植物產(chǎn)量的影響

鹽漬化土壤的特點是土壤水勢低，土壤水分蒸發(fā)量大，土地升溫緩慢。較低的土地溫度使得土壤中的酶活性降低，有機質(zhì)轉(zhuǎn)化效率和微生物代謝活動減弱，導致土壤肥力差，土壤養(yǎng)分利用率降低、緊實易板結、結構透氣性差，不利于植物生長[13]。中高濃度的Na+離子和Ca2+離子會導致細胞質(zhì)膜通透性和選擇透過性改變，破壞植物內(nèi)部的離子平衡進而引發(fā)離子毒害。研究表明，土壤中高濃度的Na+會干擾植株正常的生命活動，影響根系對K+及其他必需元素的吸收、阻礙光合作用、造成生理干旱并引發(fā)氧化脅迫等次生脅迫，進而導致植株生長受到抑制[14]。在這種情況下，植物無法專心積累和轉(zhuǎn)化自身有機物質(zhì)，反而會消耗大量的能量來調(diào)節(jié)平衡，很大程度上限制了植物的產(chǎn)量。

2 鹽脅迫環(huán)境對土壤微生物的影響

土壤中微生物數(shù)量的多少是對土壤生態(tài)條件的綜合反映。鹽漬化環(huán)境土壤中有機質(zhì)含量低，土壤結構差，土壤溶液濃度高，微生物缺乏賴以生存的物質(zhì)基礎和環(huán)境條件，故而土壤微生物普遍數(shù)量少，活性低[15]。研究表明，在鹽堿土壤微生物，細菌、放線菌和真菌三大類群中，細菌占絕對優(yōu)勢，放線菌次之，真菌最少[5]。土壤微生物多數(shù)對植物有益或無害，能使植物致病的多為真菌，如鏈霉菌、腐霉菌等，而對植物有益的稱植物促生菌[6]。植物促生菌生活在土壤或附著于植物體根系，與植物互利共生，既能對植物施加外源激素促進植物生長發(fā)育、提高植物抗逆境能力，又能從植物那里獲取必要的營養(yǎng)成分和能量物質(zhì)。經(jīng)過長時間的協(xié)同進化，植物根際促生菌已經(jīng)成為植物內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[8]。常見的鹽脅迫環(huán)境植物根際促生菌如表1所示。

表1 鹽脅迫下植物根際促生菌的常見種屬

3 植物根際促生菌的促生長機理

廣義上的植物根際促生菌是指土壤微生物通過其自身生命活動作用溶解土壤中的營養(yǎng)元素使得植物吸收增產(chǎn)，但目前關于植物根際促生菌的研究不僅局限于提高植物對營養(yǎng)元素的吸收，還包括直接或間接產(chǎn)生植物所需要的激素，如吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素、細胞分裂素等，促進植物根和莖的生長[16]。分泌一些揮發(fā)性有機化合物，如酮、醛、醇、增強植物風味的芳香化合物等，保護植物免受或減輕蟲害，抑制病原微生物的生長[17]。研究發(fā)現(xiàn)，當植物受限于鹽堿、干旱等非生物脅迫，它們會分泌滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、增加抗氧化酶活性來減緩鹽害損傷[18]。而植物根際促生菌進一步強化植株根系發(fā)育、葉片生長、氣孔開閉、滲透調(diào)節(jié)和抗氧化保護系統(tǒng)來提高植物的抗鹽脅迫能力（圖1）。

圖1 植物根際促生菌的促生機理

3.1 PGPR促進植物營養(yǎng)吸收

3.1.1 溶磷功能 磷素是植物生命活動所需要的大量元素之一。中國大多數(shù)農(nóng)田土壤磷素含量較為豐富，但其中95%以上與土壤中的Fe3+，Ca2+，Al3+等結合而喪失其有效性[19]。促生菌通過其自身生命活動作用，可以將土壤中植物難以吸收的磷轉(zhuǎn)化為植物可以吸收利用的形態(tài)，從而增加土壤中磷對植物的供應[6]。目前已報道的溶磷菌包括鞘氨醇單胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)、草 酸 青 霉 (Penicillium oxalicum)、惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)等[20-22]。Kucey等[23]研究表明，真菌的解磷能力一般是細菌的10倍，許多細菌在進一步的純化中失去解磷能力，而真菌則始終保持其解磷活力。

3.1.2 解鉀功能 長期以來，人們“重氮、輕磷、少鉀”的不合理施肥措施，使得鉀素成為制約中國南方植物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的主要因素。中國是一個鉀肥匱乏的國家，鉀肥的生產(chǎn)遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，所以，尋求鉀肥高效利用措施和替代技術，對于保證中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全具有重要意義[24]。王琦琦等[25]在木堿蓬根際土壤中篩到6株具有多種促生活性的菌株，在50 mmol/L NaCl脅迫下能較為顯著地促進擬南芥的生長，促進其發(fā)芽，增加其生物量。張晶晶等[26]從新疆核桃根際土壤中篩選到10株解鉀能力較強的菌株，分屬假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、微桿菌屬(Microbacterium)，解鉀效果較好，K+質(zhì)量濃度均在24 μg/mL以上。合理配比施用溶磷菌和解鉀菌可以有效提高植物對營養(yǎng)的吸收，促進植物的生長發(fā)育[27]。

3.1.3 生物固氮功能 大部分植物根際促生菌能產(chǎn)生固氮酶，可在一定程度上固定空氣中的氮素，固氮產(chǎn)物氨可以直接為共生體提供氮源[6]。自1966年Doberener等[28]在巴哈雀稗(Paspalumnotatum)中首次發(fā)現(xiàn)有較強功能的帕斯帕利固氮菌(Azotobacterpaspali)以來，人們對這類非豆科植物與根系聯(lián)合的特殊固氮菌展開了廣泛研究。目前已知的固氮菌分為共生固氮菌屬和非共生固氮菌屬。趙世超[23]從長葉紅砂、珍珠中還篩選到耐鹽堿性強的非共生固氮菌株，分屬節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)和單純芽孢桿菌屬(Bacillus simplex)。宋麗茹[29]從堿斑地(pH 10.48)中篩選到鏈霉菌屬(streptomyces)既可以產(chǎn)生纖維素酶又可以固定游離得氮元素。Yang等[30]發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)細菌類群的豐度和活性可以促進氮轉(zhuǎn)化菌的生長，促進氮轉(zhuǎn)化進程從加速氮的積累。

3.1.4 PGPR分泌鐵載體 鐵是所有生命體必須的生長因子，鐵元素參與植物包括呼吸、光合作用、細胞壁結構完整、抗旱抗寒等一系列生命活動。盡管地球表面礦物含鐵豐富，但是土壤中能直接利用的鐵卻不多[6]。土壤中的鐵主要以三價鐵(Fe3+)的狀態(tài)存在，可溶性的二價鐵(Fe2+)含量較為匱乏，無法滿足土壤微生物繁衍和植物生長發(fā)育的需要[31]。一些土壤微生物可以分泌一種專門結合鐵的小分子蛋白(siderophores)，可從土壤中收集鐵，這種物質(zhì)被稱為鐵載體。鐵載體是細菌產(chǎn)生的鐵螯合分子，用于攝取鐵元素的低分子量化合物[32]。常見的產(chǎn)鐵載體的PGPR包括芽孢桿菌屬(Bacillus Cohn)、涅斯捷連科氏菌(Nesterenkonia)、鏈霉菌屬(streptomyces)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等[33-37]。研究表明，接種產(chǎn)鐵載體的PGPR可以使植物拮抗某些病原微生物，以及提高植物對鉛脅迫的抗性[38]。

3.2 PGPR參與植物的生長調(diào)節(jié)

自1880年查爾斯·羅伯特·達爾文(Charles Robert Darwin)從金絲虉草和燕麥試驗中最早發(fā)現(xiàn)“生長活性物質(zhì)”以來，大量研究表明植物整個生命過程受植物內(nèi)源激素的嚴格調(diào)控。典型的植物內(nèi)源激素包括生長素(Auxin)、赤 霉 素 (Gibberellins,GA)、細 胞 分 裂 素(Cytokinin,CTK)、脫落酸(Abscisic Acid,ABA)、乙烯(Ethylene,ETH)、油菜素甾醇(Brassinosteroids，BR)和茉莉酸(Jasmonic Acid,JA)等，不同激素間協(xié)同拮抗，共同調(diào)控植物的生長發(fā)育。而植物根際促生菌PGPR可以與植物建立共生關系，其生理活動所產(chǎn)生的代謝物，如IAA、GA等，可以作為外源植物激素參與植物激素內(nèi)平衡穩(wěn)態(tài)，減輕鹽脅迫對植物造成的損傷。

3.2.1 PGPR產(chǎn)生生長素 植物生長素是由具分裂和增大活性的細胞區(qū)產(chǎn)生的調(diào)控植物生長方向的激素，其本質(zhì)是吲哚乙酸(IAA)。在一定濃度范圍內(nèi)IAA具有刺激細胞增長的功效，是植物重要的生長調(diào)節(jié)因子。低水平的IAA(10-12-10-9mol/L)可促進植物初生根生長,而更高濃度的IAA可促進植物次生根和不定根生長。無論初生根、次生根還是不定根的快速生長,都將使植物幼苗的根系吸收系統(tǒng)得到迅速的建立,從而使植物幼苗快速獲得定植和同化環(huán)境的能力。據(jù)報道，土壤中大部分與植物相關的微生物都可以產(chǎn)生IAA，并對植物內(nèi)源微生物庫產(chǎn)生影響，其中放線菌屬種類較多[39]。

3.2.2 PGPR產(chǎn)生赤霉素 赤霉素(GAs)是一類廣泛存在的植物激素，由四環(huán)骨架衍生而得,可促進細胞分裂伸長進而調(diào)控株高、刺激葉和芽的生長，參與諸多生理過程。大量研究表明，赤霉素在植物抵抗非生物脅迫中也有著重要的作用。其主要是通過調(diào)節(jié)GAs的生物合成、信號轉(zhuǎn)導及生物活性，以提高植物對鹽脅迫的耐受性[40]。一些PGPR能夠通過產(chǎn)生外源赤霉素的方式促進植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)，并使植物細胞保持較高的含水量，從而保證了植物的正常生長和代謝活動[41]。

3.2.3 PGPR調(diào)節(jié)乙烯水平 高濃度的鹽脅迫會促進植物體內(nèi)乙烯的合成，乙烯廣泛存在于植物體內(nèi)，通常小于1.0 μL/L。低濃度的乙烯可以誘導種子萌發(fā)，植物根系生長，植物莖葉的形成。但是隨著乙烯濃度的增加，促使植物葉片變黃、器官衰老、葉片和花瓣脫落甚至植物過早死亡[11]。高等植物體內(nèi)乙烯的合成途徑為ACC(1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)，經(jīng)ACC氧化酶氧化后形成乙烯和氫氰酸。有些植物根際促生菌可以分泌ACC脫氨酶，諸如普羅威登斯菌屬(Providencia)、惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)、熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)[42-44]。這種酶可以將乙烯前體氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)分解為α-丁酮酸和氨。通過ACC脫氨酶，植物根際促生菌將ACC作為氮源利用，減少乙烯的產(chǎn)生進而促進植物生長[45]。

3.2.4 PGPR產(chǎn)生茉莉酸類物質(zhì) 茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA)作為與脅迫損傷相關的植物激素和信號分子，廣泛地存在于植物體中，外源施用能夠激發(fā)植物體內(nèi)防御基因的表達，誘導植物的化學防御，參與調(diào)控植物對鹽脅迫信號的響應[46]。目前報道產(chǎn)JA的PGPR主要是芽孢桿菌屬和無色桿菌屬[47-50]。研究表明，與對照相比，鹽脅迫下施加MeJA，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢顯著提高，同時抗氧化酶活性提高，葉片損傷程度降低，有效降低鹽害造成的損傷[51]。接種產(chǎn)茉莉酸的植物根際促生菌對植物的抗氧化活性和減緩耐鹽損傷方面具有積極作用。

3.3 PGPR參與調(diào)節(jié)植物離子穩(wěn)態(tài)

土壤鹽離子含量過高會影響其他元素的吸收，致使植物離子穩(wěn)態(tài)失衡，而外源施加某些元素，如鎂、磷等微量元素可以增強植物的光合作用，有效緩解鹽害損傷[52]。PGPR可以分泌胞外多糖，不僅能調(diào)控外源離子轉(zhuǎn)運，增加植物體內(nèi)鉀離子積累和減少鈉離子含量，還可以促進根表面生物膜的形成來提高植物的耐鹽抗性[53]。Upadhyay等[54]在高鹽脅迫下種芽孢桿菌后，小麥幼苗對Na+、K+和Ca2+的吸收顯著增加。Ca2+作為“第二信使”不僅參與植物代謝，還能夠起到增強植物抗性、緩解鹽害的作用。PGPR為植物提供適宜濃度的外源離子能夠增加植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)濃度、提高其抗氧化酶活性，減少對植物膜損傷、從而提高鹽脅迫下植物的抗性[51]。

4 展望

鹽脅迫會引起植物在基因表達、代謝和生理性狀等多方面的特異反應，植物通過調(diào)控復雜的信號網(wǎng)絡來應對鹽脅迫。人們對植物的認識，已經(jīng)從生理表型的變化到目前對植物鹽脅迫誘導信號轉(zhuǎn)導途徑的研究，理論的創(chuàng)新是推動植物抗逆機理研究的動力。運用PGPR能夠直接或間接的協(xié)助植物減輕鹽脅迫帶來的損傷，已經(jīng)在多種經(jīng)濟作物的育種中取得驗證。相比傳統(tǒng)育種技術，將PGPR引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理施用植物根際促生菌對于解決當下糧食短缺、資源不足諸多問題提供了新思路。

本研究就鹽生環(huán)境下植物根際促生菌提高植物耐鹽性、減輕植物鹽脅迫損傷的作用機制進行了簡要綜述。基于目前關于PGPR的抗逆研究和育種改良策略的研究現(xiàn)狀，建議未來對PGPR的研究應從以下幾個方面展開：

（1）深入探討植物與PGPR相互作用機制，發(fā)掘PGPR介導植物耐鹽的關鍵基因，進一步為PGPR對植物促生機理的研究提供分子基礎。

（2）在已闡明PGPR生物特性基礎上，加強對PGPR適應能力及菌株功能的研究，尋找在不同極端定殖環(huán)境條件下，促生效果優(yōu)良的混合菌劑搭配?？紤]到不同菌株對定殖環(huán)境要求的不同，這本身就有一定的局限性。若能結合基因工程手段，針對不同鹽漬化土壤類型、植物需求、作用部位設計出特異性的PGPR菌株，將更有利于提高PGPR的自身價值，為進一步探究植物-鹽脅迫-PGPR互作機制提供參考。

綜上所述，有效施用PGPR作為一種促進植物生長并增加作物產(chǎn)量的方法，其應用范圍已相當廣泛。雖然在一些應用中受到技術限制，但在已闡明的理論基礎上，基于PGPR的作物改良方略在未來仍有巨大的潛力。