植物根际促生菌作用机制及在辣椒栽培中的应用

凡永杰，何星杰，杨 宁，蒋秋艳，徐兆丰，余雅婷，唐筱茸，肖 明

（上海师范大学生命科学学院，上海 200234）

植物根际促生菌（PGPR）是指能够稳定存活在植物根际周围或土壤中并产生和分泌各种抑菌物质，从而直接或间接促进植物生长或防控植物土传病害的一类有益微生物的总称［1］.PGPR已被证实是一种环保且可持续利用的生物防治剂，可用作植物病原体治理的替代品，这种微生物可以利用多种机制使植物获益，包括产生抗生素、植物激素、提高植物抗性、合成挥发性化合物和次生代谢物、加速土壤养分循环等［2-4］.

辣椒（Capsicum annuumL.）是一种重要的经济作物.由病原真菌青枯菌（Ralstonia solanacearum）、炭疽菌（Colletotrichum capsici）、立枯丝核菌（Rizoctonia solani）、瘟霉菌（Phytophthora capsici）和尖孢镰刀菌（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见病害.这些病害发病迅速，可感染不同时期的辣椒植株，导致辣椒出现不同程度的病斑、叶片脱落、植株枯萎等症状，而且这些病害一旦发生就难以彻底根除，严重制约了辣椒的产量.在辣椒栽培过程中不合理的施肥、施药和灌溉会导致辣椒作物化学农药过量残留、重金属含量超标等问题，还会造成土壤严重板结、盐渍化，以及菌株耐药性等问题.而在辣椒栽培中使用植物根际促生菌不但能有效减轻辣椒病害，还可以避免上述这些问题.

近年来，在国家的大力倡导下，人们逐渐认识到农业可持续发展和生态文明建设的重要性，与化学杀菌剂相比，利用PGPR防治植物病害具有作用范围广、持效时间长、不易产生耐药性、对环境友好等优点［5］，已经成为当前防治植物病害的主要研究方向之一.本文作者探讨了PGPR对植物的作用机制、PGPR在辣椒栽培中的应用，以及PGPR菌剂在使用过程中存在的问题及应对措施，并对PGPR的应用前景进行了展望.

常见的PGPR主要包括芽孢杆菌属（Bacillus）、伯克霍氏菌属（Klebsiella）、沙雷氏菌属（Serratia）、假单胞菌属（Pseudomonas）等，都被报道有保护植物免受各种病原体感染的能力.其中，芽孢杆菌属（Bacillus）被认为是优势群落，因为它们在不同的生物和非生物环境胁迫下都具有较强的生存能力［6-7］.PGPR通常具有多种促进植物生长的特性，如固氮、产生铁载体、溶解矿物不溶性磷酸盐、产生吲哚-3-乙酸（IAA）和合成1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶（ACC-脱氨酶）等［8-9］.例如，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）可以有效控制寄生曲霉的生长和随后黄曲霉毒素的产生，以及减轻对农作物和农业商品的污染.

PGPR是良好的生物肥料，其对植物的影响作用方式可以是直接的，也可以是间接的.直接作用机制包括：氮（N）固定；
植物激素，如IAA、ACC-脱氨酶、磷酸盐溶解酶（PSE）和铁载体（SD）等的产生；
磷（P）溶解；
促进植物根际生长；
植物根际修复；
减轻植物胁迫等.间接作用是指植物根际促生菌可以通过诱导植物产生系统抗性和产生抗菌化合物，如细菌素、两性霉素、芬多霉素、几丁质酶和细胞壁降解酶等，来减少植物病原体产生的有害影响，并促进植物生长（图1）［10］.

图1 PGPR的促生作用机制.注：Bac—细菌素；
Chi—几丁质酶；
FG—风霉菌素；
PSE—磷酸盐增溶酶；
VOCs—挥发性化合物［10］

2.1 直接作用

2.1.1 氮素固定

氮（N）元素对植物生长至关重要.大气中氮的体积分数高达78%，但大多数都以不能被植物吸收利用的氮气（N2）的形式而存在.在农业生产中微生物固定的氮素可在很大程度上有效替代人工氮肥，并缓解土壤污染，实现农业可持续发展.PGPR可通过自生固氮和共生固氮两种方式将环境中的无机氮转化为可供植物吸收利用的有机氮［11］.ADESEMOYE等［12］研究表明：解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）和短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）能够在很大程度上促进番茄的生长及对N的吸收.

2.1.2 钾和磷的溶解

PGPR分泌的一些如草酸、酒石酸和柠檬酸等有机酸可将土壤中难溶的磷和钾进行转化，使其能被植物直接吸收利用［13］.ZHANG等［14］从毛竹根际分离筛选到两株具有溶解磷钾功能的根际促生菌：JGSB02和JGSB06，其溶磷量分别为165.42，160.29 mg·L-1，溶钾量分别为3.83，3.13 mg·L-1.温室盆栽实验结果显示：JGSB02和JGSB06菌株可显著促进毛竹生长.HE等［15］筛选到两株解磷菌：不动杆菌（Acinetobacter）LZT-5和嗜麦芽寡养单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）FQG-5.实验结果表明：用质量分数为10%的FQG-5或LZT-5发酵液浇灌番茄幼苗后，可提高番茄幼苗的株高、茎粗和叶面积等生理指标，从而提高番茄的产量.

2.1.3 产生铁载体

铁是生命活动的基本物质，无论是动物、植物，还是微生物，都需要铁作为辅助因子来参与各种生命活动，一般需要10-7～10-6mol的可利用铁才能保证微生物正常生存.自然界中的铁大都以微溶的形式存在，不易被植物吸收利用.SD是由PGPR在缺铁环境下产生的一种低分子质量（1～2 kD）的次级代谢产物，它可以有效结合环境中一些可利用的Fe3+，并将其提供给细菌细胞［16-17］.在植物根际，一些相关的作物可以从PGPR产生的铁载体中获得铁［18］.PGPR可与铁载体产量小的病原真菌竞争微量的铁元素，以抑制病原真菌的生长和繁殖，同时将多余的铁元素供给铁载体需求量大的植物，以促进植物的生长［19］.

2.1.4 植物激素

植物激素是由植物自身代谢产生的一种调节植物的生长和发育的化学物质.PGPR通过产生生长素、细胞分裂素（cytokinin，CTK）和赤霉素（Gibberellin，GA）等植物激素，以及ACC-脱氨酶和丁二醇等挥发性物质来调节植物的生长和发育［20］.LIAN等［21］分离出的荧光假单孢菌GX-5-2菌株，能通过产生IAA和赤霉素等物质来促进植物生长.

2.2 间接作用

2.2.1 产生抗菌物质

PGPR能产生活性丰富的代谢产物，这些代谢产物能抑制病原真菌生长、控制病原真菌细胞的凋亡和坏死.PGPR主要通过核糖体途径和非核糖体途径分泌抗菌代谢物质，非核糖体途径合成的主要是一些脂肽和寡肽类抗菌肽，包括伊枯草菌素（Iturin）、表面活性素（Surfactin）和丰原素（Fengycin）等，其中最高效的表面活性素和伊枯草菌素对PGPR的成群运动和生物膜形成能力具有一定的贡献［22］，并能破坏病原体细胞［23］.据报道，枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌产生的伊枯草菌素对青霉菌、炭疽菌、瘟疫菌、球孢子菌（Bulbidium）等病原菌都有较强的拮抗作用［24］.核糖体途径主要是合成一些分子质量较低的细菌素、酶类、抗菌蛋白等物质，这些物质能降解植物病原真菌的细胞壁，从而起到抑制植物病原真菌生长的作用［25］.细菌素通常先破坏细胞壁的完整性，再进入细胞内，通过影响DNA，RNA和蛋白质的代谢来发挥生防作用.CHEN［26］研究发现：将烟草幼苗根系浸泡在产细菌素的菌株发酵液中后，其由青枯病菌引起的枯萎病得病率大幅度降低，推测是细菌素起到了抑制青枯病菌的作用.

2.2.2 诱导植物产生系统抗性

诱导系统抗性是通过PGPR与植物根部相互作用来诱导植物细胞壁结构发生变化，或者诱导植物产生某种抗病蛋白等途径来实现的，这也是PGPR在生物防治中发挥作用的一个重要机制，它包括两种类型：获得性系统抗性（SAR）和诱导性系统抗性（ISR）.ISR是由非病原菌引起的，通常是指PGPR产生的一些主要代谢产物在与寄主植物发生相互作用后，诱导寄主植物自身产生一系列物理或化学屏障的系统抗性过程［27］.SAR主要是由于病原菌侵染植物体后，在植物体未接种部位产生的一系列减少对植物体伤害的生理和生化反应［28］.PGPR可通过影响宿主的次生代谢通路来提高宿主对细胞的抗氧化应激能力，进而提高了宿主相关防御酶活性，使其诱导相关防御基因的表达量上调.

PGPR在辣椒根部定殖可提高辣椒的相关生理指标，如促进辣椒根系生长、延缓叶片衰老、抵抗病虫害等，从而提高辣椒的品质和质量［29］.研究表明，与直接施用复合菌肥相比，在种植黄灯笼辣椒的田间施用圆褐固氮菌（Azotobocter chroococcum）、巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）和AM真菌（Arbuscular mycorrhizae，AM）复合菌剂，可显著提高辣椒对营养元素的吸收效果［30］.SILVA等［31］的研究结果表明：与未接种根瘤菌（Rhizobia，Rb）的辣椒植株相比，接种根瘤菌的辣椒植株体内氮、磷、钾的质量分数分别提高了16.56%，24.22%，33.21%.HUANG等［32］研究发现：枯草芽孢杆菌SL-44菌株具有固氮、产生嗜铁素和分泌IAA的能力，还能定殖在辣椒根系中并与辣椒植株互作，具有良好的生物防治和生长促进作用.ZHANG等［33］发现用贝莱斯芽孢杆菌F1-1浇灌辣椒根部可显著降低辣椒疫霉病情指数，而且可以显著提高辣椒植株的株高、茎粗、全株鲜重、全株干重和壮苗指数.

我国水资源紧缺，与土壤栽培相比，无土栽培可节约50%～70%的用水，而且也是辣椒栽培过程中土壤连作的有效方法.WANG等［34］利用筛选出的无土栽培根际促生菌处理辣椒植株，发现该菌可显著定殖在辣椒根部，并能促进辣椒种子的萌发和根系的生长.SHI等［35］研究表明：与不添加PGPR的处理相比，在复合基质（玉米秸秆和珍珠岩）中添加PGPR可提高无土栽培辣椒的株高、茎粗和叶绿素含量等生理指标.虽然辣椒无土栽培技术目前尚不成熟，但与土壤栽培相比，PGPR在辣椒无土栽培中的应用具有两大优势：首先无土栽培中可以控制辣椒的根际环境；
其次，可控制营养液的配方.这两大优势使得辣椒无土栽培根际促生菌能在很大程度上发挥生防潜能.

目前，PGPR制剂化研究在我国已达到世界领先水平.国内科研工作者对PGPR制剂进行了广泛而深入的研究，并取得了显著的成果，成功解决了微生物菌剂应用过程中存在的菌体稳定性低、活菌数不高、持效性差等问题.研究结果表明，苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）制成的生物杀虫剂在农业病虫害防治应用中使用较广泛［36］.美国奥本大学植病系KLOEPPER等［37］用某些荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）株制成的生物菌剂处理萝卜、马铃薯、甜菜种子，使其分别增产144%，100%和20%～80%.HUANG等［38］发现：用4株PGPR菌株混合成的微生物菌剂对辣椒进行灌根处理后，根际土壤细菌和功能菌群的数量明显提高，同时还影响了物种多样性和群落结构，并促进了辣椒增产.HU等［39］从木薯和甘蔗的根际土壤中分离得到大量PGPR，其中部分PGPG菌株能抑制辣椒青枯病菌.DONG等［40］采用微胶囊化技术将菌体包埋或封装到微胶囊中，实现对功能菌株的保护，提高了菌体的存活性、稳定性和缓释性.

目前，生防微生物应用在实际的田间植物种植时，其产生的一些具有拮抗作用的次生代谢物在使用过程中很容易受到田间环境（温度、光照、pH值）的影响，出现了与实验室拮抗效果不一致、拮抗效果不稳定等实际问题，使得生防菌株难以达到生防效果［41］.因此，加强芽孢杆菌生防机制的研究，提高其田间生防拮抗效果和菌株稳定性是科研工作者的重点研究方向.目前采用生防菌株之间的复配或混配、生防菌株与化学农药复配，以及基因工程改良生防菌株这三种方法来提高PRPG的生防效果.

5.1 生防菌株复配或混配

生防菌的抑菌谱、作用机制各不相同，不同类型的生防菌株的复配或者混配使用均可有效增强拮抗菌控制病虫害的能力.前期研究表明，用枯草芽孢杆菌GBO3和INR7的混合菌株处理黄瓜种子可以显著提高枯草芽孢杆菌的防治效果［42］.菌剂混配的关键是生防菌株之间的亲和性，生防菌株之间的相互抑制、相互干扰会导致复配菌株生防效果大大降低.如P.fluorescens单独使用时生防效果显著，可明显提高葫芦巴的氮、磷、钾含量，但P.fluorescens菌株和Sinorhizobium meliloti两菌株联用时，反而降低了葫芦巴的氮、磷、钾含量［43］.

5.2 生防菌株与化学农药复配

PGPR包含了许多具有防治植物真菌病害的拮抗菌，被广泛应用于农业生物防治.但是，单独应用拮抗菌进行生物防治时容易受到环境因素的影响而无法达到较好的效果.因此，生防菌株与低剂量的化学杀菌剂、无机盐类、生长调节剂等混配可以显著提高生防效果，也减少了化学农药的使用.然而，在实际生产应用中，生防菌株与化学农药的生物相容性和最佳配比也会影响拮抗效果，这一重要因素应当予以考虑.CHEN等［44］将生防菌株枯草芽孢杆菌和化学农药杀菌剂井冈霉素混合后，用以防治水稻纹枯病和稻曲病，生防效果好且稳定.

5.3 基因工程改良生防菌株

生物防治菌株的遗传改良也是提高植物病害防治能力的有效手段之一.该方法主要提高了生防菌株的抗菌活性，扩大了菌株的抗菌谱，增强了菌株在植物寄主内的定殖能力.WANG［45］将Bacillus circulans的β-1，3-葡聚糖酶基因和Serratia marcescens的几丁质酶基因共同导入到生防芽孢杆菌B908中，得到的基因工程改良菌株B908对立枯丝核菌菌丝的裂解效果大大提高.

目前，PGPR是一种比较流行的生物防治剂，在其使用过程中十分安全，对农副产品无毒无害，具有广阔的应用前景.因此，积极推进生防芽孢杆菌作用机制的研究与应用，对农业的可持续发展具有重要的意义.当前随着生物技术和分子生物学的不断成熟和进步，利用基因工程等改良手段对PGPR进行改造是研究热点，这种改良方法可使PGPR在辣椒栽培应用中具有更好的抗逆性和促生效果，从而提高辣椒的品质和产量.

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