凡永杰，何星杰，楊 寧，蔣秋艷，徐兆豐，余雅婷，唐筱茸，肖 明

（上海師范大學生命科學學院，上海 200234）

0 引言

植物根際促生菌（PGPR）是指能夠穩(wěn)定存活在植物根際周圍或土壤中并產(chǎn)生和分泌各種抑菌物質(zhì)，從而直接或間接促進植物生長或防控植物土傳病害的一類有益微生物的總稱［1］.PGPR已被證實是一種環(huán)保且可持續(xù)利用的生物防治劑，可用作植物病原體治理的替代品，這種微生物可以利用多種機制使植物獲益，包括產(chǎn)生抗生素、植物激素、提高植物抗性、合成揮發(fā)性化合物和次生代謝物、加速土壤養(yǎng)分循環(huán)等［2-4］.

辣椒（Capsicum annuumL.）是一種重要的經(jīng)濟作物.由病原真菌青枯菌（Ralstonia solanacearum）、炭疽菌（Colletotrichum capsici）、立枯絲核菌（Rizoctonia solani）、瘟霉菌（Phytophthora capsici）和尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）等引起的青枯病、炭疽病、立枯病、疫病和枯萎病等真菌性病害是辣椒常見病害.這些病害發(fā)病迅速，可感染不同時期的辣椒植株，導致辣椒出現(xiàn)不同程度的病斑、葉片脫落、植株枯萎等癥狀，而且這些病害一旦發(fā)生就難以徹底根除，嚴重制約了辣椒的產(chǎn)量.在辣椒栽培過程中不合理的施肥、施藥和灌溉會導致辣椒作物化學農(nóng)藥過量殘留、重金屬含量超標等問題，還會造成土壤嚴重板結(jié)、鹽漬化，以及菌株耐藥性等問題.而在辣椒栽培中使用植物根際促生菌不但能有效減輕辣椒病害，還可以避免上述這些問題.

近年來，在國家的大力倡導下，人們逐漸認識到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要性，與化學殺菌劑相比，利用PGPR防治植物病害具有作用范圍廣、持效時間長、不易產(chǎn)生耐藥性、對環(huán)境友好等優(yōu)點［5］，已經(jīng)成為當前防治植物病害的主要研究方向之一.本文作者探討了PGPR對植物的作用機制、PGPR在辣椒栽培中的應(yīng)用，以及PGPR菌劑在使用過程中存在的問題及應(yīng)對措施，并對PGPR的應(yīng)用前景進行了展望.

1 PGPR的種類

常見的PGPR主要包括芽孢桿菌屬（Bacillus）、伯克霍氏菌屬（Klebsiella）、沙雷氏菌屬（Serratia）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等，都被報道有保護植物免受各種病原體感染的能力.其中，芽孢桿菌屬（Bacillus）被認為是優(yōu)勢群落，因為它們在不同的生物和非生物環(huán)境脅迫下都具有較強的生存能力［6-7］.PGPR通常具有多種促進植物生長的特性，如固氮、產(chǎn)生鐵載體、溶解礦物不溶性磷酸鹽、產(chǎn)生吲哚-3-乙酸（IAA）和合成1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶（ACC-脫氨酶）等［8-9］.例如，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）可以有效控制寄生曲霉的生長和隨后黃曲霉毒素的產(chǎn)生，以及減輕對農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)商品的污染.

2 PGPR的作用機制

PGPR是良好的生物肥料，其對植物的影響作用方式可以是直接的，也可以是間接的.直接作用機制包括：氮（N）固定；植物激素，如IAA、ACC-脫氨酶、磷酸鹽溶解酶（PSE）和鐵載體（SD）等的產(chǎn)生；磷（P）溶解；促進植物根際生長；植物根際修復；減輕植物脅迫等.間接作用是指植物根際促生菌可以通過誘導植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性和產(chǎn)生抗菌化合物，如細菌素、兩性霉素、芬多霉素、幾丁質(zhì)酶和細胞壁降解酶等，來減少植物病原體產(chǎn)生的有害影響，并促進植物生長（圖1）［10］.

圖1 PGPR的促生作用機制.注：Bac—細菌素；Chi—幾丁質(zhì)酶；FG—風霉菌素；PSE—磷酸鹽增溶酶；VOCs—揮發(fā)性化合物［10］

2.1 直接作用

2.1.1 氮素固定

氮（N）元素對植物生長至關(guān)重要.大氣中氮的體積分數(shù)高達78%，但大多數(shù)都以不能被植物吸收利用的氮氣（N2）的形式而存在.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中微生物固定的氮素可在很大程度上有效替代人工氮肥，并緩解土壤污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.PGPR可通過自生固氮和共生固氮兩種方式將環(huán)境中的無機氮轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的有機氮［11］.ADESEMOYE等［12］研究表明：解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus）能夠在很大程度上促進番茄的生長及對N的吸收.

2.1.2 鉀和磷的溶解

PGPR分泌的一些如草酸、酒石酸和檸檬酸等有機酸可將土壤中難溶的磷和鉀進行轉(zhuǎn)化，使其能被植物直接吸收利用［13］.ZHANG等［14］從毛竹根際分離篩選到兩株具有溶解磷鉀功能的根際促生菌：JGSB02和JGSB06，其溶磷量分別為165.42，160.29 mg·L-1，溶鉀量分別為3.83，3.13 mg·L-1.溫室盆栽實驗結(jié)果顯示：JGSB02和JGSB06菌株可顯著促進毛竹生長.HE等［15］篩選到兩株解磷菌：不動桿菌（Acinetobacter）LZT-5和嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）FQG-5.實驗結(jié)果表明：用質(zhì)量分數(shù)為10%的FQG-5或LZT-5發(fā)酵液澆灌番茄幼苗后，可提高番茄幼苗的株高、莖粗和葉面積等生理指標，從而提高番茄的產(chǎn)量.

2.1.3 產(chǎn)生鐵載體

鐵是生命活動的基本物質(zhì)，無論是動物、植物，還是微生物，都需要鐵作為輔助因子來參與各種生命活動，一般需要10-7～10-6mol的可利用鐵才能保證微生物正常生存.自然界中的鐵大都以微溶的形式存在，不易被植物吸收利用.SD是由PGPR在缺鐵環(huán)境下產(chǎn)生的一種低分子質(zhì)量（1～2 kD）的次級代謝產(chǎn)物，它可以有效結(jié)合環(huán)境中一些可利用的Fe3+，并將其提供給細菌細胞［16-17］.在植物根際，一些相關(guān)的作物可以從PGPR產(chǎn)生的鐵載體中獲得鐵［18］.PGPR可與鐵載體產(chǎn)量小的病原真菌競爭微量的鐵元素，以抑制病原真菌的生長和繁殖，同時將多余的鐵元素供給鐵載體需求量大的植物，以促進植物的生長［19］.

2.1.4 植物激素

植物激素是由植物自身代謝產(chǎn)生的一種調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育的化學物質(zhì).PGPR通過產(chǎn)生生長素、細胞分裂素（cytokinin，CTK）和赤霉素（Gibberellin，GA）等植物激素，以及ACC-脫氨酶和丁二醇等揮發(fā)性物質(zhì)來調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育［20］.LIAN等［21］分離出的熒光假單孢菌GX-5-2菌株，能通過產(chǎn)生IAA和赤霉素等物質(zhì)來促進植物生長.

2.2 間接作用

2.2.1 產(chǎn)生抗菌物質(zhì)

PGPR能產(chǎn)生活性豐富的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能抑制病原真菌生長、控制病原真菌細胞的凋亡和壞死.PGPR主要通過核糖體途徑和非核糖體途徑分泌抗菌代謝物質(zhì)，非核糖體途徑合成的主要是一些脂肽和寡肽類抗菌肽，包括伊枯草菌素（Iturin）、表面活性素（Surfactin）和豐原素（Fengycin）等，其中最高效的表面活性素和伊枯草菌素對PGPR的成群運動和生物膜形成能力具有一定的貢獻［22］，并能破壞病原體細胞［23］.據(jù)報道，枯草芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌產(chǎn)生的伊枯草菌素對青霉菌、炭疽菌、瘟疫菌、球孢子菌（Bulbidium）等病原菌都有較強的拮抗作用［24］.核糖體途徑主要是合成一些分子質(zhì)量較低的細菌素、酶類、抗菌蛋白等物質(zhì)，這些物質(zhì)能降解植物病原真菌的細胞壁，從而起到抑制植物病原真菌生長的作用［25］.細菌素通常先破壞細胞壁的完整性，再進入細胞內(nèi)，通過影響DNA，RNA和蛋白質(zhì)的代謝來發(fā)揮生防作用.CHEN［26］研究發(fā)現(xiàn)：將煙草幼苗根系浸泡在產(chǎn)細菌素的菌株發(fā)酵液中后，其由青枯病菌引起的枯萎病得病率大幅度降低，推測是細菌素起到了抑制青枯病菌的作用.

2.2.2 誘導植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性

誘導系統(tǒng)抗性是通過PGPR與植物根部相互作用來誘導植物細胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或者誘導植物產(chǎn)生某種抗病蛋白等途徑來實現(xiàn)的，這也是PGPR在生物防治中發(fā)揮作用的一個重要機制，它包括兩種類型：獲得性系統(tǒng)抗性（SAR）和誘導性系統(tǒng)抗性（ISR）.ISR是由非病原菌引起的，通常是指PGPR產(chǎn)生的一些主要代謝產(chǎn)物在與寄主植物發(fā)生相互作用后，誘導寄主植物自身產(chǎn)生一系列物理或化學屏障的系統(tǒng)抗性過程［27］.SAR主要是由于病原菌侵染植物體后，在植物體未接種部位產(chǎn)生的一系列減少對植物體傷害的生理和生化反應(yīng)［28］.PGPR可通過影響宿主的次生代謝通路來提高宿主對細胞的抗氧化應(yīng)激能力，進而提高了宿主相關(guān)防御酶活性，使其誘導相關(guān)防御基因的表達量上調(diào).

3 PGPR在辣椒栽培中的應(yīng)用

PGPR在辣椒根部定殖可提高辣椒的相關(guān)生理指標，如促進辣椒根系生長、延緩葉片衰老、抵抗病蟲害等，從而提高辣椒的品質(zhì)和質(zhì)量［29］.研究表明，與直接施用復合菌肥相比，在種植黃燈籠辣椒的田間施用圓褐固氮菌（Azotobocter chroococcum）、巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）和AM真菌（Arbuscular mycorrhizae，AM）復合菌劑，可顯著提高辣椒對營養(yǎng)元素的吸收效果［30］.SILVA等［31］的研究結(jié)果表明：與未接種根瘤菌（Rhizobia，Rb）的辣椒植株相比，接種根瘤菌的辣椒植株體內(nèi)氮、磷、鉀的質(zhì)量分數(shù)分別提高了16.56%，24.22%，33.21%.HUANG等［32］研究發(fā)現(xiàn)：枯草芽孢桿菌SL-44菌株具有固氮、產(chǎn)生嗜鐵素和分泌IAA的能力，還能定殖在辣椒根系中并與辣椒植株互作，具有良好的生物防治和生長促進作用.ZHANG等［33］發(fā)現(xiàn)用貝萊斯芽孢桿菌F1-1澆灌辣椒根部可顯著降低辣椒疫霉病情指數(shù)，而且可以顯著提高辣椒植株的株高、莖粗、全株鮮重、全株干重和壯苗指數(shù).

我國水資源緊缺，與土壤栽培相比，無土栽培可節(jié)約50%～70%的用水，而且也是辣椒栽培過程中土壤連作的有效方法.WANG等［34］利用篩選出的無土栽培根際促生菌處理辣椒植株，發(fā)現(xiàn)該菌可顯著定殖在辣椒根部，并能促進辣椒種子的萌發(fā)和根系的生長.SHI等［35］研究表明：與不添加PGPR的處理相比，在復合基質(zhì)（玉米秸稈和珍珠巖）中添加PGPR可提高無土栽培辣椒的株高、莖粗和葉綠素含量等生理指標.雖然辣椒無土栽培技術(shù)目前尚不成熟，但與土壤栽培相比，PGPR在辣椒無土栽培中的應(yīng)用具有兩大優(yōu)勢：首先無土栽培中可以控制辣椒的根際環(huán)境；其次，可控制營養(yǎng)液的配方.這兩大優(yōu)勢使得辣椒無土栽培根際促生菌能在很大程度上發(fā)揮生防潛能.

4 國內(nèi)外PGPR制劑化研究現(xiàn)狀

目前，PGPR制劑化研究在我國已達到世界領(lǐng)先水平.國內(nèi)科研工作者對PGPR制劑進行了廣泛而深入的研究，并取得了顯著的成果，成功解決了微生物菌劑應(yīng)用過程中存在的菌體穩(wěn)定性低、活菌數(shù)不高、持效性差等問題.研究結(jié)果表明，蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）制成的生物殺蟲劑在農(nóng)業(yè)病蟲害防治應(yīng)用中使用較廣泛［36］.美國奧本大學植病系KLOEPPER等［37］用某些熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）株制成的生物菌劑處理蘿卜、馬鈴薯、甜菜種子，使其分別增產(chǎn)144%，100%和20%～80%.HUANG等［38］發(fā)現(xiàn)：用4株P(guān)GPR菌株混合成的微生物菌劑對辣椒進行灌根處理后，根際土壤細菌和功能菌群的數(shù)量明顯提高，同時還影響了物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)，并促進了辣椒增產(chǎn).HU等［39］從木薯和甘蔗的根際土壤中分離得到大量PGPR，其中部分PGPG菌株能抑制辣椒青枯病菌.DONG等［40］采用微膠囊化技術(shù)將菌體包埋或封裝到微膠囊中，實現(xiàn)對功能菌株的保護，提高了菌體的存活性、穩(wěn)定性和緩釋性.

5 存在的問題與應(yīng)對措施

目前，生防微生物應(yīng)用在實際的田間植物種植時，其產(chǎn)生的一些具有拮抗作用的次生代謝物在使用過程中很容易受到田間環(huán)境（溫度、光照、pH值）的影響，出現(xiàn)了與實驗室拮抗效果不一致、拮抗效果不穩(wěn)定等實際問題，使得生防菌株難以達到生防效果［41］.因此，加強芽孢桿菌生防機制的研究，提高其田間生防拮抗效果和菌株穩(wěn)定性是科研工作者的重點研究方向.目前采用生防菌株之間的復配或混配、生防菌株與化學農(nóng)藥復配，以及基因工程改良生防菌株這三種方法來提高PRPG的生防效果.

5.1 生防菌株復配或混配

生防菌的抑菌譜、作用機制各不相同，不同類型的生防菌株的復配或者混配使用均可有效增強拮抗菌控制病蟲害的能力.前期研究表明，用枯草芽孢桿菌GBO3和INR7的混合菌株處理黃瓜種子可以顯著提高枯草芽孢桿菌的防治效果［42］.菌劑混配的關(guān)鍵是生防菌株之間的親和性，生防菌株之間的相互抑制、相互干擾會導致復配菌株生防效果大大降低.如P.fluorescens單獨使用時生防效果顯著，可明顯提高葫蘆巴的氮、磷、鉀含量，但P.fluorescens菌株和Sinorhizobium meliloti兩菌株聯(lián)用時，反而降低了葫蘆巴的氮、磷、鉀含量［43］.

5.2 生防菌株與化學農(nóng)藥復配

PGPR包含了許多具有防治植物真菌病害的拮抗菌，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生物防治.但是，單獨應(yīng)用拮抗菌進行生物防治時容易受到環(huán)境因素的影響而無法達到較好的效果.因此，生防菌株與低劑量的化學殺菌劑、無機鹽類、生長調(diào)節(jié)劑等混配可以顯著提高生防效果，也減少了化學農(nóng)藥的使用.然而，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，生防菌株與化學農(nóng)藥的生物相容性和最佳配比也會影響拮抗效果，這一重要因素應(yīng)當予以考慮.CHEN等［44］將生防菌株枯草芽孢桿菌和化學農(nóng)藥殺菌劑井岡霉素混合后，用以防治水稻紋枯病和稻曲病，生防效果好且穩(wěn)定.

5.3 基因工程改良生防菌株

生物防治菌株的遺傳改良也是提高植物病害防治能力的有效手段之一.該方法主要提高了生防菌株的抗菌活性，擴大了菌株的抗菌譜，增強了菌株在植物寄主內(nèi)的定殖能力.WANG［45］將Bacillus circulans的β-1，3-葡聚糖酶基因和Serratia marcescens的幾丁質(zhì)酶基因共同導入到生防芽孢桿菌B908中，得到的基因工程改良菌株B908對立枯絲核菌菌絲的裂解效果大大提高.

6 展望

目前，PGPR是一種比較流行的生物防治劑，在其使用過程中十分安全，對農(nóng)副產(chǎn)品無毒無害，具有廣闊的應(yīng)用前景.因此，積極推進生防芽孢桿菌作用機制的研究與應(yīng)用，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義.當前隨著生物技術(shù)和分子生物學的不斷成熟和進步，利用基因工程等改良手段對PGPR進行改造是研究熱點，這種改良方法可使PGPR在辣椒栽培應(yīng)用中具有更好的抗逆性和促生效果，從而提高辣椒的品質(zhì)和產(chǎn)量.