周萌，張嘉俊，羅洋

（上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院/上饒農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院，江西上饒 334001）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直依賴化學(xué)合成品來(lái)優(yōu)化作物，包括利用化學(xué)肥料增加作物產(chǎn)量、化學(xué)農(nóng)藥減輕病原菌對(duì)作物的損害[1]。但是過(guò)度使用化學(xué)肥料不僅污染空氣和水質(zhì)[2]，還會(huì)導(dǎo)致土壤退化、酸化以及土壤有機(jī)質(zhì)流失等[3]。而過(guò)度使用化學(xué)農(nóng)藥導(dǎo)致病原菌耐藥性增強(qiáng)，藥效降低。為了解決諸如作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降、病原菌耐藥性增強(qiáng)和環(huán)境污染等問(wèn)題，急需探索開(kāi)發(fā)更多非化學(xué)防治措施。替代化學(xué)肥料的方法之一是利用微生物肥料，即向土壤中添加有益微生物及其代謝產(chǎn)物。這是以微生物的生命活動(dòng)為核心，使農(nóng)作物獲得特定肥效的一類(lèi)肥料制品。應(yīng)用微生物肥料促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高，增強(qiáng)作物的系統(tǒng)抗性，維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，是解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)問(wèn)題的可行性策略[4]。目前微生物肥料普遍存在產(chǎn)品同質(zhì)性高，使用中穩(wěn)定性差、普適性低等問(wèn)題[5]。主要原因在于對(duì)微生物、微生物代謝物、植物和土壤環(huán)境之間相互作用關(guān)系知識(shí)的缺乏，以及高效可用菌種較少，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)落后等。施用生物肥料替代部分化肥是目前最新的農(nóng)業(yè)趨勢(shì)，這也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的較好選擇，對(duì)緩解自然環(huán)境污染的惡化，減少化肥需求具有重要意義。微生物肥料產(chǎn)品的成功與否取決于其中的植物促生菌(Plant Growth Promoting Bacteria, PGPB)在土壤中的生存能力、與接種作物的相容性、與土著微生物群的相互作用能力等等[6]，這就需要我們對(duì)植物促生菌有更深入的理解和認(rèn)識(shí)。本綜述系統(tǒng)介紹了微生物肥料的分類(lèi)與應(yīng)用，并從微生物次生代謝物的角度出發(fā)，解釋有益微生物菌劑如何通過(guò)次生代謝物促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高植物對(duì)非生物和生物脅迫的耐受性，強(qiáng)調(diào)其作為微生物肥料的核心原料替代化學(xué)肥料的潛力與挑戰(zhàn)。

1 微生物肥料的研究現(xiàn)狀

1.1 概念

微生物肥料是含有益微生物活細(xì)胞的微生物制劑，施用于植物種子、根際或土壤時(shí)，通過(guò)生物活性調(diào)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將土壤礦物質(zhì)和植物凋落物轉(zhuǎn)化為有效形態(tài)，并幫助建立缺失的微生物菌群，從而改善土壤狀況。近年來(lái)，微生物肥料成為生物固氮、溶磷、解鉀的重要組成部分，它們?yōu)橹参锾峁┝私?jīng)濟(jì)上有吸引力和生態(tài)上合理的營(yíng)養(yǎng)途徑，是化學(xué)肥料理想的補(bǔ)充或替代品。

1.2 分類(lèi)與應(yīng)用

早在19世紀(jì)末，歐洲國(guó)家就開(kāi)始利用根瘤菌和硝化細(xì)菌為主要菌群制備微生物肥料，開(kāi)啟了微生物肥料市場(chǎng)應(yīng)用的時(shí)代。中國(guó)微生物肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代，主要以根瘤菌應(yīng)用為主。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)新型多樣化的肥料需求增加，微生物肥料產(chǎn)業(yè)在80年代后期迅速發(fā)展，生產(chǎn)也逐漸由小作坊發(fā)展到規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的正規(guī)企業(yè)。之后中國(guó)制定了一系列微生物肥料的標(biāo)準(zhǔn)體系，并推行微生物肥料登記政策，進(jìn)一步規(guī)范了微生物肥料市場(chǎng)[7]?；谀壳皩?duì)微生物肥料的研究和行業(yè)分類(lèi)，微生物肥料分為菌劑類(lèi)產(chǎn)品和菌肥類(lèi)產(chǎn)品。菌劑類(lèi)產(chǎn)品包含根瘤菌劑、固氮菌劑、溶磷菌劑、光合菌劑和土壤修復(fù)菌劑等9種類(lèi)型；菌肥類(lèi)產(chǎn)品可分為復(fù)合微生物肥和生物有機(jī)肥2種類(lèi)型（表1）。

表1 微生物肥料產(chǎn)品分類(lèi)

為了更好地研究和利用微生物資源，中國(guó)先后建立了多個(gè)各具特色的微生物資源保藏中心，包括中國(guó)農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏中心、中國(guó)普通微生物菌種保藏中心、農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)及遺傳資源保藏和利用中心、廣東微生物菌種保藏中心，以及針對(duì)根瘤菌研究的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心，針對(duì)芽孢桿菌研究的福建芽孢桿菌資源保存中心等等[8]。微生物肥料所用菌種也從根瘤菌逐步發(fā)展到細(xì)菌、鏈霉菌、酵母、真菌等多種類(lèi)型（表1）。同時(shí)，為了滿足各類(lèi)植物生長(zhǎng)的需求，微生物肥料適用植物也不局限于水稻、小麥、玉米、花生、白菜、番茄等重要糧食和蔬菜作物，近年來(lái)也推出了適用于百香果、火龍果、藜麥、當(dāng)歸、黃芪等經(jīng)濟(jì)作物的微生物肥料[9]。

與傳統(tǒng)肥料相比，微生物肥料具有提高肥料利用率和農(nóng)作物品質(zhì)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和土壤健康等多種優(yōu)點(diǎn)。有研究證實(shí)，施加根瘤菌劑能在寄主植物的根或莖上誘導(dǎo)形成獨(dú)特的根瘤，在這些根瘤中，根瘤菌將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物所需的氨。同時(shí)，根瘤菌還能強(qiáng)烈抑制豆根腐爛，提高作物產(chǎn)量[10]。進(jìn)一步研究證實(shí)，在減少化學(xué)氮肥施用量、添加根瘤菌劑的條件下，大豆平均產(chǎn)量較常規(guī)施肥增產(chǎn)15.0%[11]。在摻有枯草芽孢桿菌的微生物肥料對(duì)土壤氮素流失的研究中也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似地結(jié)果，與單施尿素相比，枯草芽孢桿菌替代50%尿素可降低NH3的揮發(fā)，減少54%的土壤氮素流失，氮肥利用效率提高11.2%，作物產(chǎn)量提高5.0%[12-13]。施用微生物肥料還能提高作物品質(zhì)，如添加Rhodopseudomonasspp.BL6 和KL9 能刺激番茄代謝活動(dòng)，促進(jìn)番茄果實(shí)重量和番茄紅素含量的增加[14]。施用生物有機(jī)肥不僅能提高藜麥作物的產(chǎn)量及其種子的品質(zhì)（如蛋白質(zhì)、油脂等），還可以減少化學(xué)氮肥的使用。其殘留效應(yīng)還表現(xiàn)在隨后兩個(gè)生長(zhǎng)季的錦葵產(chǎn)量都有所提高[15]。長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者只重視作物的產(chǎn)量和生理健康，忽視了土壤健康這一基礎(chǔ)性因素，過(guò)度使用化肥和農(nóng)藥，造成土壤健康形勢(shì)日益嚴(yán)峻。而生物有機(jī)肥的使用可使化學(xué)氮、磷肥料用量減少50%左右，同時(shí)提高作物產(chǎn)量[16]。此外，微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，有益菌占據(jù)根際生態(tài)位形成優(yōu)勢(shì)菌群，能有效降低有害菌群的數(shù)量，并可以通過(guò)分泌抗生素、溶解酶和細(xì)菌素等代謝物減輕病原菌的侵染[17]。由此可見(jiàn)，微生物肥料作為植物低成本可再生和環(huán)境友好型養(yǎng)分的重要來(lái)源，顯示出巨大的潛力，是綜合營(yíng)養(yǎng)管理(Integrated Nutrient Management,INM)和綜合植物營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)(Integrated Plant Nutrition System,IPNS)的重要組成部分[18]。

2 PGPB次生代謝物的作用機(jī)制

在整個(gè)植物發(fā)育過(guò)程中，微生物與其環(huán)境共同進(jìn)化，它們和寄主植物之間可以建立親密的聯(lián)系，而不傷害植物[19]。許多PGPB具有提高植物應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫的作用，這些微生物被認(rèn)為是制備微生物肥料的潛在菌種。它們可以通過(guò)植物激素、酶、小分子化合物等次級(jí)代謝物促進(jìn)植物生長(zhǎng)；也可以通過(guò)產(chǎn)生鐵載體和抗生素等與植物病原體競(jìng)爭(zhēng)，保持植物健康。盡管PGPB 有多種作用機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抗逆，但是微生物肥料在使用過(guò)程中仍存在效果穩(wěn)定性差、作用機(jī)理不明、菌肥產(chǎn)品與菌株同質(zhì)化嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，為了更好地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用微生物菌肥，有必要了解微生物促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制。如果能破譯出介導(dǎo)這一過(guò)程的“關(guān)鍵代謝物”，并了解它們?nèi)绾螌?duì)植物發(fā)揮作用，這可能會(huì)為未來(lái)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更科學(xué)的理論指導(dǎo)信息。

2.1 微生物次生代謝物-可溶性化合物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

傳統(tǒng)上，人們對(duì)微生物代謝的研究多集中在可溶性化合物上，PGPB 釋放的這些可溶性化合物是公認(rèn)的基石代謝物，因?yàn)樗鼈兙哂卸喾N多樣的化學(xué)特性。有些菌株可以分泌有機(jī)分子，植物從這些分子中直接獲得生長(zhǎng)所需的資源，如植物可以利用有機(jī)碳作為碳源[20]。植物也能吸收尿素衍生物，如N-芐基-N-異丙基-N'-[4-(三氟甲氧基)苯基]尿素，可作為氮素的儲(chǔ)備[21]。有些PGPB 可以產(chǎn)生植物激素或酶類(lèi)（如ACC脫氨酶、β-1,3 葡聚糖酶和苯丙氨酸解氨酶等）[22]。如PantoeaagglomeransC1 可誘導(dǎo)西洋梨的根系提前萌發(fā)，以及根系形態(tài)參數(shù)和根系構(gòu)型的變化，這些變化依賴于該菌株釋放的生長(zhǎng)素樣分子和其他代謝產(chǎn)物[23]。BacillusrhizobacteriaCSR-D4 通過(guò)分泌防御相關(guān)的酶，如β-1,3 葡聚糖酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶等，介導(dǎo)對(duì)尖孢鐮刀菌的生防作用，間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)[24]。也有大量的實(shí)驗(yàn)支持PGPB在逆境條件下可以改善植物生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量。耐鹽根際細(xì)菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物如胞外多糖、調(diào)節(jié)滲透溶質(zhì)（脯氨酸、海藻糖和甜菜堿等），通過(guò)幾種機(jī)制提高植物適應(yīng)鹽堿脅迫。如通過(guò)SOS1基因調(diào)節(jié)植物的細(xì)胞反應(yīng)[25]；提高植物應(yīng)激調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[26]、高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(HKT1)基因的表達(dá)[27]；增加抗氧化蛋白和乙烯生物合成等[28]參與緩解鹽脅迫。一種由Bradyrhizobium和Bacillusbrasiliensis組成的有益菌群與富含脂殼寡糖的根瘤菌代謝產(chǎn)物配合使用，不僅提高了大豆植株的凈光合速率(17.7%)、氣孔導(dǎo)度(56.5%)和蒸騰速率(44%)，有效緩解了干旱期的氧化損傷。此外，該組合還可提高大豆結(jié)瘤率、植株生長(zhǎng)發(fā)育和籽粒產(chǎn)量[29]。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)皮樂(lè)菌素、乙酰丁二醇(Acetylbutanediol,ABD)、艱難素、風(fēng)霉素、表面素和吩嗪類(lèi)等一些新型次生代謝物也參與植物的防病促生。BacillusvelezensisWRN031 產(chǎn)生的3S,4R-ABD 和3R,4R-ABD 在植物根成熟區(qū)積累，參與調(diào)節(jié)玉米根系與有益菌的關(guān)系[30]。BacillusamyloliquefaciensWS-8 經(jīng)基因組分析發(fā)現(xiàn)含有合成表面素、艱難素、風(fēng)霉素等生物活性代謝物的基因簇可以刺激植物生長(zhǎng)，并能產(chǎn)生伊枯草菌素和芬芥素抑制葡萄孢菌[31]。類(lèi)似的結(jié)果在PseudomonasaeruginosaRRLJ 04 和Bacilluscereusbs03中也有發(fā)現(xiàn)，兩種菌株產(chǎn)生的吩嗪衍生物對(duì)豌豆具有促進(jìn)生長(zhǎng)和防治枯萎病的作用[32]?？傊琍GPB通過(guò)多種直接或間接機(jī)制保證植物營(yíng)養(yǎng)元素的獲取，從而改善作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2 微生物代謝物-VOCs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究關(guān)注到微生物揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)。VOCs具有低沸點(diǎn)、高蒸汽壓、易揮發(fā)、可跨越膜的特點(diǎn)，并可以通過(guò)空氣、土壤和溶液從其起源地傳遞到很遠(yuǎn)的地方。這些特性使VOCs成為細(xì)胞間和組織間短期和長(zhǎng)期連接的理想信號(hào)分子[33]。SuperScent 數(shù)據(jù)庫(kù)[34]中已收錄2300 種生物揮發(fā)性物質(zhì)的信息。其中微生物揮發(fā)性有機(jī)化合物庫(kù)(mVOC 2.0)包含604 種細(xì)菌和340種真菌的1860種揮發(fā)性化合物的詳細(xì)信息[35]。VOCs不是代謝廢物，是微生物和植物之間的一種交流方式，并作為植物-微生物相互作用的營(yíng)養(yǎng)和信息來(lái)源被開(kāi)發(fā)。自2003 年首次報(bào)道細(xì)菌揮發(fā)物促進(jìn)植物生長(zhǎng)以來(lái)，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了微生物揮發(fā)物，其中主要以醛、酮和醇類(lèi)最為豐富。研究較多的細(xì)菌揮發(fā)物包括2,3-丁二醇、二甲基二硫化物、乙偶姻、土臭素、吲哚等；真菌揮發(fā)物有6-戊基-2H-吡喃-2-酮、三甲胺、苯甲醛和二甲基辛胺等。這些化合物常被用于環(huán)境中微生物種類(lèi)的特異性檢測(cè)和微生物群落相互作用的標(biāo)記[36-37]。其中許多被認(rèn)為具有調(diào)節(jié)植物整體生長(zhǎng)的潛力，它們?cè)谥参?微生物相互作用中主要從三個(gè)方面調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)：

（1）通過(guò)提高植物光合速率，滲透物、植物激素（生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和赤霉素）和鐵載體的合成等促進(jìn)生長(zhǎng)或改善品質(zhì)。雖然PGPB 釋放的VOCs 不含任何已知的植物生長(zhǎng)激素或鐵載體[38]，但有研究證實(shí)VOCs能夠介導(dǎo)植物內(nèi)源生長(zhǎng)素穩(wěn)態(tài)調(diào)控和根系對(duì)鐵的吸收[39]。BacillussubtilisSYST2 產(chǎn)生的沙丁胺醇和1,3-丙二醇通過(guò)調(diào)節(jié)番茄生長(zhǎng)素、內(nèi)源赤霉素、細(xì)胞分裂素和乙烯的水平刺激植物生長(zhǎng)[40]。植物激素代謝和/或信號(hào)傳導(dǎo)的刺激會(huì)導(dǎo)致植物根系結(jié)構(gòu)的變化，這有助于水分和養(yǎng)分的吸收[41]。深綠木霉產(chǎn)生的戊基-2H-吡喃-2-酮(6-PP)具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)，誘導(dǎo)側(cè)根形成和調(diào)節(jié)根構(gòu)型的作用，而根系對(duì)6-PP的響應(yīng)涉及生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及乙烯響應(yīng)調(diào)節(jié)因子EIN2[42]。酵母能通過(guò)產(chǎn)生CO2促進(jìn)草莓植株的光合作用，提高其果實(shí)中的糖含量，進(jìn)而提高了3(2H)-呋喃酮、4-甲氧基-2,5-二甲基(DMMF)和苯丙氨酸衍生揮發(fā)物的含量，對(duì)草莓香氣的提高具有積極作用[43]。也有研究發(fā)現(xiàn)VOCs 可以抵消碳水化合物和脫落酸(ABA)介導(dǎo)的光合作用抑制，從而提高CO2同化效率并刺激植物生長(zhǎng)發(fā)育[44]。

（2）VOCs 可以提高植物對(duì)非生物脅迫的耐受性。據(jù)報(bào)道，ParaburkholderiaphytofirmansPsJN 能夠促進(jìn)多種植物宿主的生長(zhǎng)，提高其對(duì)低溫、干旱和鹽度的耐受性。PsJN 產(chǎn)生的2-十一烷酮、7-己醇和3-甲基丁醇不僅有助于改善植物受到的鹽脅迫，而且還能促進(jìn)擬南芥在高鹽條件下的生長(zhǎng)[45]。Alcaligenes faecalisJBCS1294 產(chǎn)生的丁酸、丙酸和苯甲酸的混合物通過(guò)調(diào)節(jié)擬南芥生長(zhǎng)素和赤霉素通路以及上調(diào)關(guān)鍵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，并誘導(dǎo)擬南芥的耐鹽性[46]。VOCs 也可以增強(qiáng)擬南芥根中質(zhì)膜H+-ATPase 的活性，提高擬南芥的根際酸化能力，從而提高擬南芥對(duì)鹽脅迫的耐受性[47]。氣孔是植物與外界進(jìn)行氣體交換的重要途徑，它的開(kāi)合影響植物的光合效率和耐旱性。研究發(fā)現(xiàn)PseudomonaschlororaphisO6產(chǎn)生的2,3-丁二醇通過(guò)脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、乙烯(ET)和茉莉酸(JA)信號(hào)通路誘導(dǎo)氣孔的關(guān)閉，從而增加植物對(duì)干旱的耐受性[48]。

（3）VOCs 還可以直接誘導(dǎo)植物通過(guò)茉莉酸/乙烯介導(dǎo)的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(Induced Systemic Resistance,ISR)和水楊酸介導(dǎo)的系統(tǒng)獲得抗性(Systemic Acquired Resistance,SAR)，防御啟動(dòng)是植物獲得對(duì)多種植物病原菌免疫的有效機(jī)制[49]。早期誘導(dǎo)抗性的實(shí)驗(yàn)表明，低濃度的SA不能觸發(fā)植物抗性，但改變了防御相關(guān)基因的表達(dá)，SA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑依賴一個(gè)功能基因NPR1[50]。與SA 信號(hào)通路一樣，JA 在調(diào)節(jié)PGPB 觸發(fā)的防御機(jī)制中的作用已在JA/ET缺失突變體上得到初步確認(rèn)[40]。在微型溫室中，暴露于10 μL 2,3-丁二醇揮發(fā)物的黃瓜幼苗，其生長(zhǎng)狀況明顯優(yōu)于對(duì)照組，同時(shí)2,3-丁二醇通過(guò)激活JA 信號(hào)通路誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性[51]。BacilluscereusAR156 釋放的VOCs 可通過(guò)NPR1/JA/ET依賴途徑在擬南芥中觸發(fā)對(duì)Botrytiscinerea的ISR應(yīng)答，這個(gè)過(guò)程依賴JA/ET 信號(hào)通路和npr1[52]。盡管不同基因組在SA 依賴的SAR 通路和JA/ET 依賴的ISR通路中表達(dá)存在差異，但在SAR中，JA和ET通路之間存在一定程度的溝通[53-54]。值得注意的是，在SAR 中，發(fā)病相關(guān)基因的激活需要ET 和JA 兩種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，然而，其他的反應(yīng)僅由其中一種受體促進(jìn)[55]。目前通過(guò)真菌抑制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，VOCs 是抑制病原體的重要因子，正受到越來(lái)越多的關(guān)注[56]。

與其他代謝物相比，VOCs 因其作用模式而與眾不同，它們可以通過(guò)水溶液擴(kuò)散并滲透到大氣中。這意味著VOCs 不僅可以在地上起作用，而且還可以在地下起作用，其有效范圍更大[57]。植物甚至不需要直接或長(zhǎng)時(shí)間暴露在VOCs 中，只是短暫的暴露其中也會(huì)刺激植物生長(zhǎng)。這無(wú)疑為應(yīng)用微生物菌劑促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，增強(qiáng)作物的系統(tǒng)抗性，維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，解決當(dāng)前諸如化肥過(guò)度使用、作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降等農(nóng)業(yè)問(wèn)題提供了可行策略。

3 微生物肥料面臨的挑戰(zhàn)

3.1 高效菌種資源的挖掘與篩選

目前對(duì)于微生物肥料市場(chǎng)應(yīng)用多集中在有限的種類(lèi)上，如根瘤菌、芽孢桿菌、酵母菌等部分菌種，在所有微生物肥料產(chǎn)品中，芽孢桿菌的使用率達(dá)到80%以上，菌肥產(chǎn)品和菌株同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重[7]。雖然中國(guó)也在大力挖掘微生物資源，并建立了數(shù)個(gè)核心菌種庫(kù)，然而優(yōu)勢(shì)菌種資源仍需提升。整合土壤微生物促進(jìn)植物生長(zhǎng)，消除或減少化肥的施用，高度依賴于對(duì)潛在、高效微生物菌株的篩選、優(yōu)化及其代謝產(chǎn)物的分析。隨著生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)物理誘變、化學(xué)誘變和基因組編輯方法獲得品質(zhì)優(yōu)良的菌株已成為可能。通常認(rèn)為代謝物是由單個(gè)生物體（如細(xì)菌細(xì)胞）產(chǎn)生和釋放的最終產(chǎn)物，當(dāng)應(yīng)用兩種及以上微生物菌種時(shí)，其代謝化合物之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最近的一項(xiàng)研究證實(shí)了這一推測(cè)，試驗(yàn)同時(shí)單獨(dú)培養(yǎng)Serratiaplymuthica4Rx13 和Staphylococcusdelphini20771，兩者釋放的VOCs前體經(jīng)非酶性反應(yīng)最終形成新的揮發(fā)性次級(jí)代謝產(chǎn)物[58]，這一發(fā)現(xiàn)突出了微生物之間相互作用的復(fù)雜性。雖然這為微生物菌種的篩選帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)，但也是挖掘更多菌種組合的機(jī)遇。

3.2 微生物肥料在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

微生物肥料在使用過(guò)程中存在產(chǎn)品效果不穩(wěn)定的問(wèn)題，這與微生物肥料應(yīng)用的制約因素和微生物作用機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入有關(guān)。微生物肥料成功的關(guān)鍵在于菌種能在植物根際穩(wěn)定定殖，并產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，這便要求菌種具有普適性或者作為經(jīng)濟(jì)作物專(zhuān)用菌肥。然而微生物肥料的研究多集中在小麥、玉米、番茄、辣椒等部分作物，這些微生物肥料可能不適用于其他新興經(jīng)濟(jì)作物。土壤肥力狀況、pH 值、有毒元素也會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)和對(duì)作物的響應(yīng)。如氣溫升高可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的干旱，不僅影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，也會(huì)影響PGPB 的性能[59]。此外，微生物產(chǎn)生的VOCs 不僅僅對(duì)農(nóng)作物起作用，對(duì)雜草的生長(zhǎng)可能也有促進(jìn)作用，并且在空曠的環(huán)境下，無(wú)法保證VOCs的濃度。而在實(shí)際應(yīng)用中，微生物肥料的功能和使用技術(shù)未普及到普通農(nóng)戶，并且微生物肥料不像化肥能快速見(jiàn)效。因此，從實(shí)驗(yàn)室到田間應(yīng)用，微生物的接種需要更多的研究、管理實(shí)踐和詳細(xì)的市場(chǎng)分析和調(diào)查，才能進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。同時(shí)了解不同的作用機(jī)制有助于菌株之間的不同組合，以普適性更廣泛的微生物肥料提高作物產(chǎn)量。

4 展望

微生物肥料中含有大量活菌，可以幫助植物吸收養(yǎng)分，提高植物的耐受性，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制病原菌，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和作物品質(zhì)[60]。微生物肥料對(duì)植物的作用主要依賴于它們產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，但關(guān)于有益微生物、次生代謝物、土壤性質(zhì)、植物寄主之間的關(guān)系依舊撲朔迷離。首先，目前大多數(shù)的研究主要集中在模式植物和有限的微生物種類(lèi)上，缺乏廣泛適應(yīng)性。其次，次生代謝物介導(dǎo)的作用機(jī)制隨著研究的不斷深入正在被逐步揭曉，但仍存在許多未解之謎。諸如，許多文獻(xiàn)報(bào)道了VOCs 作為空氣信號(hào)影響激素變化、應(yīng)激反應(yīng)和宿主反應(yīng)的潛在作用。但哪些微生物能產(chǎn)生有益代謝產(chǎn)物，該如何引導(dǎo)或刺激微生物釋放有益的代謝物？植物是如何感知細(xì)菌揮發(fā)性代謝產(chǎn)物？怎樣在田間保證VOCs 濃度，并區(qū)別作物與雜草？了解和利用有益微生物的有益代謝產(chǎn)物是未來(lái)作物改良工作的關(guān)鍵，這些問(wèn)題的解決對(duì)微生物肥料的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。因此，可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究。

（1）加強(qiáng)高效功能菌株的篩選，結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)和培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)，從微生物生長(zhǎng)角度篩選功能菌株，確保菌株能快速適應(yīng)作物，并在作物中定殖。

（2）探究微生物之間的相互作用關(guān)系，并基于它們之間的互作關(guān)系開(kāi)發(fā)微生物之間新的組合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能菌株在作物生長(zhǎng)和抗逆功能上的“疊加或互補(bǔ)”。

（3）微生物代謝物是微生物影響作物生長(zhǎng)的重要因素，微生物定殖并發(fā)揮作用受多種因素影響，這也導(dǎo)致微生物肥料穩(wěn)定性差，在微生物肥料中添加微生物代謝物可能有助于微生物肥料的穩(wěn)定性。但微生物本身的代謝物產(chǎn)量較低，而人工基因操縱子組裝系統(tǒng)可以通過(guò)化學(xué)修飾優(yōu)化和控制特定的代謝途徑，在功能微生物中引入人工基因簇，可以增加目標(biāo)代謝物的合成[61]。

（4）探究植物對(duì)微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的應(yīng)答機(jī)制，將更好的為微生物肥料及其代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用提供指導(dǎo)意見(jiàn)。