吳玉德邢思文張旭關(guān)法春吳恒梅翟登攀李春豐許龍李修平鄒玉

(1.佳木斯大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)開始以來，對(duì)于如何提高作物生產(chǎn)力以供養(yǎng)不斷增長(zhǎng)的人口一直是一個(gè)嚴(yán)峻問題。如2018年全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力指數(shù)所強(qiáng)調(diào)，目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增長(zhǎng)率不足以滿足2050年預(yù)計(jì)的100億人口的糧食需求[1]；報(bào)告還指出，在這種情況下，全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率必須每年提高至少1%。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中提高作物生產(chǎn)力是一個(gè)復(fù)雜的過程，而且受到土壤氣候條件、耕作系統(tǒng)和管理技術(shù)的極大影響至今[2，3]，全世界約有8億hm2的可耕地受到土壤鹽堿化的影響，有1%～2%的可耕地因土壤鹽堿化而減少[4]。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年，鹽堿化將影響全球50%的耕地，鹽濃度過高會(huì)導(dǎo)致土壤中種植的植物根系無法正常吸收水分，作物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生滲透脅迫和離子脅迫，造成嚴(yán)重的產(chǎn)量損失。為了使作物提高產(chǎn)量并在不同環(huán)境中生存來降低鹽脅迫，如代謝調(diào)節(jié)、增加Na+、清除自由基、保護(hù)細(xì)胞機(jī)制、維持離子穩(wěn)態(tài)、一些蛋白表達(dá)及其基因上調(diào)等調(diào)節(jié)方式[5，6]。鹽堿化是通過改變植物的形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育和分子機(jī)制從而干擾作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量，是一種重要的非生物脅迫方法。而近年來，耐鹽微生物可以在滲透和離子脅迫下生存改變植物離子穩(wěn)態(tài)、光合機(jī)制、抗氧化機(jī)制和減少氧化損傷來增強(qiáng)植物的耐鹽性，進(jìn)而增強(qiáng)植物的生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量[7]。在鹽脅迫條件下接種根際促生菌可提高作物生產(chǎn)量，增強(qiáng)不同植物的耐鹽性。

1 概念及特性

植物根際促生菌能促進(jìn)植物生長(zhǎng)并且能夠定殖在植物根系的微生物上，其中根際促生菌有一種耐鹽基因，為桿狀革蘭氏陰性菌，能產(chǎn)生大量鞭毛[8]。在農(nóng)業(yè)中常被用作化學(xué)替代品，作用于作物生產(chǎn)和植物保護(hù)方面[9]。植物根際促生菌在作物生長(zhǎng)過程中起著重要作用，能夠參與土壤各種生態(tài)系統(tǒng)的活動(dòng)，使其動(dòng)態(tài)周轉(zhuǎn)和可持續(xù)作物生產(chǎn)，通常以競(jìng)爭(zhēng)方式定殖于植物根系，并通過不同的機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)來合成多種物質(zhì)，包括胞外聚合物質(zhì)、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶、植物激素、抗氧化劑和揮發(fā)性化合物等。研究表明，根際細(xì)菌不僅促進(jìn)植物發(fā)育，還能同時(shí)向植物提供氮、磷、鉀、生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和脫落酸來減少鹽脅迫的程度[10]。

2 鹽度對(duì)作物的危害性

土壤鹽度對(duì)植物健康具有全方面的危害影響。鹽度影響開花和結(jié)果的狀態(tài)，生殖生理失去平衡，最終影響作物產(chǎn)量和生物量。有研究表明，鹽度可導(dǎo)致種香菜開花減少50%[11]。據(jù)研究表明，在番茄中高鹽脅迫會(huì)影響開花過渡期，會(huì)導(dǎo)致花序延遲開放，并降低莖和根的生長(zhǎng)[12]。在鷹嘴豆中，延遲開花與完全展開葉片中較高濃度的Na+直接相關(guān)[13]。鹽過敏感(SOS)途徑是參與Na+擠壓和維持細(xì)胞水平離子穩(wěn)態(tài)的主要防御途徑，報(bào)告指出，在鹽脅迫下與開花相關(guān)的SOS和光周期和及其開放蛋白失活[14]。鹽脅迫對(duì)植物生殖生理有顯著影響，在番茄中，暴露于鹽脅迫導(dǎo)致花柱、子房和花藥中間層Na+積累，導(dǎo)致花敗育率增加，花粉數(shù)量減少，植株活力降低。鹽脅迫通過抑制穗發(fā)育和降低產(chǎn)量能力來減緩小麥的生長(zhǎng)，而在鹽過敏水稻中，小穗的形成也會(huì)降低產(chǎn)量[15]。在水培溶液中研究了鹽度對(duì)擬南芥的影響，發(fā)現(xiàn)鹽會(huì)導(dǎo)致許多癥狀，包括育性降低，果實(shí)長(zhǎng)度下降，短暫萎蔫以及果實(shí)中胚珠和胚胎的主要流失，胚珠和胚胎更窄、尺寸變小[16]。同樣，鹽對(duì)油菜籽植物早花期和雄配子體的影響表現(xiàn)為花粉粒數(shù)減少和花藥生長(zhǎng)異常，這些癥狀間接導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

鹽脅迫的劇烈影響可以從產(chǎn)量損失方面看出來。與作物產(chǎn)量相關(guān)的主要影響可以從發(fā)芽方面看到，在極端鹽水條件下，發(fā)芽要么減少，要么有時(shí)停止。Ali Khan等[17]研究表明，在鹽條件下，珍珠粟的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和生物量在發(fā)芽率、株高、葉面積、總生物量和籽粒產(chǎn)量等方面都受到不利影響。鹽度對(duì)豌豆的影響也被發(fā)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)、產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生不利影響[18]。Farooq等[19]回顧了鹽脅迫對(duì)豆類作物的影響，描述了豆類作物的鹽度可能使作物產(chǎn)量降低12%～100%。Faravani等[20]研究了黑孜然的耐鹽性及其對(duì)種子萌發(fā)和產(chǎn)量的影響，雖然精油的百分比沒有受到影響，但鹽度水平從0.3dS·m-1增加到39dS·m-1，降低了平均種子產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。同樣，不同鹽度對(duì)具有重要營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的雜草植物馬齒莧的影響表現(xiàn)為生物量和產(chǎn)量減少，生理屬性及其莖和根結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化[21]。因此，鹽度對(duì)不同的作物有廣泛的影響，甚至完全喪失產(chǎn)量。這對(duì)土壤質(zhì)量、溫室氣體(GHG)排放和糧食安全有其自身的影響。

3 促生菌在抑制植物鹽脅迫的應(yīng)用研究

3.1 促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育

根際促生菌在促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)，還具有固氮能力，根際促生菌侵入到植物的根部為植物提供氮營(yíng)養(yǎng)，研究表明，在鹽堿土壤條件下的田間試驗(yàn)時(shí)，加入PGPR的作物在生長(zhǎng)和產(chǎn)量方面情況較好，PGPR增加了鹽脅迫下的種子萌發(fā)、植株高度、生物量和葉綠素含量，從而改善了土壤鹽度的負(fù)面影響。PGPR合成植物促進(jìn)生長(zhǎng)劑吲哚-3-乙酸(IAA)，可以促進(jìn)植物體內(nèi)的細(xì)胞分裂從而加快植物的生長(zhǎng)發(fā)育促進(jìn)果實(shí)的成熟。研究發(fā)現(xiàn)，水勢(shì)和氣孔開放也是植物生存的關(guān)鍵性生理活動(dòng)，在鹽脅迫條件下也被PGPR調(diào)節(jié)，以改善鹽脅迫[22]。常萌[23]研究發(fā)現(xiàn)，在星星草中篩選出1株植物促生菌，在鹽濃度為0.15mol·L-1NaCl處理下，水稻幼苗葉片中葉綠素、可溶性蛋白、脯氨酸的含量都具有顯著提高，丙二醛(MDA)和各種抗氧化酶都有明顯下降趨勢(shì)，證明H5根際促生菌對(duì)水稻在應(yīng)對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)時(shí)可以明顯起到抑制作用，促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。Sibponkrung等[24]研究發(fā)現(xiàn)，將芽孢桿菌S141與USDA110同時(shí)接種至大豆植物中會(huì)產(chǎn)生較大的根瘤菌，可能是菌株S141可以產(chǎn)生細(xì)胞分裂素從而提高大豆結(jié)瘤和固氮的效率。趙玲玉等[25]研究表明，將芽孢桿菌WM13-24、假單胞菌M30-35、根瘤菌WMN-3、解淀粉芽孢桿菌GB03和苜蓿中華根瘤菌ACCC17578復(fù)合配制施肥番茄植株與沒有添加根基促菌的組別對(duì)比使用復(fù)合菌肥處理后的效果更加明顯，番茄的生產(chǎn)量、可溶性糖含量及維生素C含量等均有顯著提高?？莶菅挎邨U菌(Bacillus subtilis)和巨大芽孢桿菌可以大大減輕鹽脅迫對(duì)玉米植物的毒性作用，并可以促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)，提高玉米耐鹽性[26]。在鹽脅迫條件下，與對(duì)照處理相比，陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)PM23促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)、生物量、光合色素含量、類胡蘿卜素和相對(duì)水分含量[27]。慢生根瘤菌屬(Rhizobium sp.)的使用與對(duì)照組相比效果顯著，提高大豆的耐受性及植株生長(zhǎng)，從而提高了作物產(chǎn)量[28]。

3.2 維持離子穩(wěn)定性、抗氧化酶活性

鹽濃度高的土壤中物理化學(xué)性質(zhì)受到破壞，會(huì)導(dǎo)致土壤中Na+含量較高，嚴(yán)重阻礙作物根部對(duì)氮、磷、鉀、鈣等元素的吸收，PGPR可以促進(jìn)作物根系對(duì)陽離子的吸收，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)離子平衡PGPR可以通過正向調(diào)節(jié)離子穩(wěn)定性和抗氧化酶活性，改善光合特性、次生代謝產(chǎn)物積累和降低氧化應(yīng)激，緩解鹽分隊(duì)植物生長(zhǎng)的抑制。通過加入PGPR提高植物的脯氨酸和可溶性糖含量，同時(shí)降低鈉(Na+)含量，降低了鹽度的惡劣影響，從而減少電解質(zhì)泄漏量和H2O2含量[29]。部分PGPR降低了氯氣和二氧化氮濃度，提高了K+/Na+比值，這有助于提高氣孔導(dǎo)度，維持了鹽脅迫下的激素平衡和光合作用[30]，根瘤菌(Kocuria rhizophila)可提高玉米IAA和ABA活性；耐鹽基因ZmNHX1、ZmNHX2、ZmNHX3、ZmWRKY58和ZmDREB2A表達(dá)上調(diào)；K+/Na+比值的升高，所以PGPR改變鹽脅迫下Na+、K+和Ca2+的選擇性，從而通過離子穩(wěn)態(tài)性維持離子平衡[31]。熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescence)、短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)和金橙色微小桿菌(Exiguobacterium aurantiacum)在10%NaCL的濃度下根系生長(zhǎng)最大，干生物量最高，脯氨酸和總可溶性蛋白含量較高，抗氧化活性提高，水和滲透勢(shì)提高[32]。此外，在生理鹽水的條件下，接種PGPR會(huì)使玉米降低根系的K+，而增加枝條的K+濃度，這種可能與高親和力的K+轉(zhuǎn)運(yùn)體有關(guān)[33]。PGPR的加入可以降低鹽度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)離子平衡。

3.3 調(diào)節(jié)基因表達(dá)

PGPR在鹽脅迫下生存，會(huì)改變耐鹽基因的表達(dá)[34]。TaABARE、TaOPR1、TaMYB、TaWRKY、TaST、TOS1、SOS4、TaNHX1、TaHAK和TaHKT1基因在PGPR接種植株中表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致脅迫相關(guān)基因的表達(dá)[35]，耐鹽基因ZmNHX1、ZmNHX2、ZmNHX3、ZmWRKY58和ZmDREB2A上調(diào)，抗氧化劑ZmGR1(玉米谷胱甘肽還原酶)和ZmAPX1(玉米抗壞血酸過氧化物酶)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，當(dāng)接種植株中的PGPR增強(qiáng)了CAT、POD、APX、MnSOD、GR和GPX等抗氧化酶基因的表達(dá)后，其耐鹽性也會(huì)增強(qiáng)[36]。在鹽條件下通過施用PGPR可以提高植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，接種PGPR的植物中觀察到促進(jìn)耐鹽相關(guān)的基因TaST的表達(dá)增強(qiáng)，改善離子轉(zhuǎn)運(yùn)體TaNHX1、TaHAK和TaHKT1和抗氧化物酶，此外在高鹽度下的接種谷氨酸桿菌屬顯著降低了MDA水平，同時(shí)提高了SOD、CAT、APX和GR的活性[37]，PGPR被認(rèn)為是一種很有前景的植物在鹽環(huán)境下生存現(xiàn)代農(nóng)藝策略。在未來，分子研究可能會(huì)揭示PGPR分離株的有效性和作用機(jī)制，以在短時(shí)間內(nèi)提高其對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)激響應(yīng)能力。

4 小結(jié)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的被限制最具破壞性的環(huán)境因素之一就是鹽度[38]。鹽脅迫引起的氧化應(yīng)激和Na+離子吸收導(dǎo)致離子不穩(wěn)定導(dǎo)致植物體內(nèi)的細(xì)胞損傷，從而抑制植物生長(zhǎng)，會(huì)對(duì)植物的形態(tài)和生理特性產(chǎn)生不利影響。尋找一種可持續(xù)發(fā)展方案減少鹽對(duì)植物的危害是有必要的，植物根際促生菌通過維持離子穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng)抗氧化酶活性，降低滲透和氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)基因表達(dá)等方式促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高耐鹽性，從而提高植物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力。雖然在鹽脅迫下根際促生菌對(duì)不同作物的調(diào)控作用進(jìn)行了一些研究，但在分子、生化和生理特性水平上仍需要進(jìn)一步探索。