植物根际分离中pgpr菌株的研究进展

植物根际分离中pgpr菌株的研究进展

水稻、干旱、草和谷的原料是经氮和磷培育的。氮、磷供应充足与否是制约其实现潜在生产能力、发挥生态效能的主要限制因素之一。为了满足植物生存、生产所需的氮、磷等营养元素,工业化肥一直被认为是实现这一目的的主要途径。然而,随着化肥使用量的不断增大,其副面影响日益明显,如成本高、对非再生能源消耗大,污染空气、土壤及水质、危害农牧业等食品安全,破坏土壤结构及微生物区系和多样性等。禾本科牧草和禾谷类作物根际及叶际具有与豆类作物类似的生物固氮、溶磷及分泌植物激素的菌株。但不同菌株与寄主植物的专一性较强。而且用不同植物群落根系、茎叶分离获得的特定菌株生产的生态菌肥与化肥相比具有成本低,使用安全,持续效果好,增产稳定,对环境、食品安全,经济效益高等特点。1植物生长的重要性、特征和主要类型1.1生活于土壤或附于植物根际、茎叶的有益藻类促进植物生长菌(PlantGrowthPromotingRhizobacteria,简称PGPR)是指自由生活在土壤或附生于植物根际、茎叶的一类可促进植物生长的有益菌类。一般指具有固氮、解磷、产生植物激素和分泌抗生素等能力或至少具有其中之一能力的细菌、蓝细菌等。该类菌对植物的益处主要表现在:提高根、茎、叶、穗等氮的含量;增加分蘖数、根长、根面积及高生长;提前孕穗期及开花期;增加小穗数目、穗粒数及粒重;提高叶绿素含量及种子萌发率等。1.2促进植物生长和细菌特性1.2.1联合固氮体系联合固氮(AssociativeSymbioticNitrogenFixation)是介于自生固氮和共生固氮体系的中间类型,固氮细菌与相应联合的植物之间具有较密切的相互影响,但又不形成根瘤那样的共生结构。如禾本科植物与Azospirillum等形成的联合固氮体系,在根表不形成类似豆科植物-根瘤菌的共生结构(根瘤),固氮细菌大多数聚集在根表的粘质层或粘质鞘中,部分则突破了根表细胞壁屏障,侵入寄主植物根的皮层组织或维管中。联合固氮作用在自然界广泛存在,其涉及粮食作物(如小麦、玉米、水稻等)、经济作物(如棉花等)和饲草饲料作物(如雀稗、燕麦、俯仰马唐、早熟禾等)等栽培面积大的植物,他们在提供土壤和作物及牧草氮素方面有重要的作用,是生物固氮的重要领域之一。联合固氮效率一般不如共生固氮高,但其涉及的植物和菌物种类多,分布广,从整体考虑,其意义和研究价值及应用潜力是十分可观的。因此近几年研究联合固氮菌特性与植物之间的相互关系及田间接种效益等成为各国科学家关注的热点。1.2.2水稻植物的生长素一些细菌不但具有联合固氮作用,同时还可产生植物激素(如生长素、赤霉素、细胞分裂素等),可促进植物根系有效地吸收土壤中的水分和养分,以促进植物的生长发育,同时对植物体其他生命活动进行调控。目前分离出的联合固氮菌很多具有此功能,如Azotobacteria、Azospirillum、Bradyrhizobium、Acetobacteria、Alcaligenes、Enterobacter、Psedomonas、Herbaspirillum、Xanthomonas等。高盟生等研究表明,接种联合固氮菌的水稻植株根际,植物生长素和玉米素含量分别为14.4mg/L和1.5mg/L,而对照植株根际仅测到生长素,含量为6.33mg/L。Malik等和Ruasul等从水稻根际分离出的Psedomonas96-51菌株,其产生IAA的量可达35μg/mL。从Kallar草、水稻根际分离出的联合固氮菌株AzoarcusK-1、AzospirillumN-4、AzospirillumWRRN23、Flavobacterium96-57、Psedomonas96-51等均可产生IAA和GA。1.2.3双酸质磷培养基一些植物生长促进菌,特别是假单胞杆菌属(Psedudomonas)及杆菌属(Bacillus)和真菌的一些属,如青霉属(Penicillum),曲霉属(Aspergillus)可分泌有机酸如甲酸、醋酸、丙酸、乙醇酸、延胡索酸、乳酸、丁二酸等,这些酸可降低pH,使不溶性的磷转变成可溶性的磷,供植物吸收和利用。一些羟酸可与钙、铁形成螯合物,使磷有效的溶解和吸收。Dobereiner实验室用无氮无机盐半固体LGIP培养基(含10%蔗糖,0.005%甘蔗汁pH5.5)从甘蔗根茎中分离到一种新的耐酸固氮菌——重氮营养醋杆菌(Acetobacterdiazotrophicus)。该菌具有很强的产酸能力,产生的乙酸使培养基的pH值迅速降至3以下。近几年,从巴西、古巴、乌拉圭、墨西哥、澳大利亚等地种植的甘蔗中都分离到了这种菌。Ali等从水稻根际分离出一些溶磷菌。作者已从小麦和燕麦根际分离出5种溶磷菌(2002待发表)。1.2.4alcaregikesmsp.一些促进植物生长菌可分泌抗生素,如Azosprillumsp.,Enterobacteriasp.,Klebsiellasp.,Alcaligenesmsp.等可分泌氧肟酸类或邻苯二酚等高铁载体,可以抑制土壤病原微生物的生长与繁殖等,从而减少植物病原物对植物的侵染,增强植物抗逆性。促进植物生长菌,尤其是一些兼具固氮、激素、根部酶系和根际竞争等多种功能于一身的菌株,是宝贵的生物资源,其发现及分离培养、筛选将为禾本科等植物固氮、溶磷、产生植物激素、分泌抗生素的研究及其生物生态菌肥开发起巨大的作用。1.3自由基因子elicacidiac通过世界各国学者20多年的不懈努力,现已从不同植物材料上分离培养出很多促进植物生长菌(PGPR),其主要种类有:Azospirilumbrasilense,A.lipoferum,A.irakense,A.amazonense,A.halopraeferens,Acetobacterdiazotrophicus,Alcaligeneslatus,Bacillus,Beijerinckia,Burkhulderiasp.,Campylobacter,Enterobacter,Herbaspirillumseropedicae,Klebsiella,Pseudomonas,Rehnellaaquatilis,Rhizobium,Azorhizobium,Bradyrhizobium,Xanthbacterdiazotrophicus等等。这些菌中不少已作为生物肥料的新型菌源在农牧业生产中发挥作用。2植物生物酶肥目前随着人们保护环境意识增强、对非再生能源危机认识以及对持续农业重要性的理解,寻求其他肥料来源的研究与日俱增。通过20多年的努力,目前在巴西、印度、巴基斯坦、美国、英国等国家生物肥料尤其是植物生长促进菌肥愈来愈受到重视,并进行了大量的研究,已有自己的产品。如印度在20世纪80年代已有了小麦、水稻等的生物-生态菌肥。巴基斯坦国家生物技术与基因工程研究所于1996年开发研制的BIOPOWER是利用从禾本科植物根际分离出的植物生长促进菌株如AzoarcusK-1,AzospirillumN-4和Psedomonas96-51等作为小麦、水稻等的生态菌肥,以及从鹰嘴豆、扁豆、绿豆、豇豆、大豆等植物根系分离的PGPR菌制作相应植物的生态菌肥,以低廉的价格、明显的收效,优秀的环保功能受到青睐。国内PGPR菌的研究及相关生态菌肥的生产也有一些报道,除水稻外较为零散。因不同生境的植物根系、茎秆生存着特定的PGPR菌株,因此我们只能借鉴国外的成功经验,从我国特定气候、生境中分离PGPR菌株,以生产出适合我国特定气候、生境的生态菌肥,开发属于自己知识产权的新产品,同时丰富和完善此方面的理论。目前,国内豆科植物生物肥料较多,但禾本科及其他非豆科植物生物肥料几乎空缺。因禾本科等植物的种植面积很大,需肥量大,故从市场需求及人们环保意识增强等来看,生态菌肥的研究及其开发具有特别重要的意义和广阔的发展前景。3植物固氮菌接种剂的筛选及培育高效优良的工程菌培养PGPR菌株大多数聚集在根表,未能形成类似根瘤的稳定保护结构,受根际土壤因素影响较大。因此,其分离制剂接种后能否发挥作用,则因植物、土壤和气候条件而异。迄今为止,大量研究报道的数据较为混乱和矛盾。因此不可否认,在PGPR研究与应用中存在着不少问题。特别是基础性研究相当薄弱,尤其是植物—细菌联合体系建立过程中的形成机理和根际微生态系统中植物、土壤和细菌三者间的相互作用机理尚待阐明。PGPR菌的联合固氮效率不如共生固氮高,但其涉及的植物种类多,分布广,从开辟肥源途径考虑,这是一类不可忽视的固氮微生物。大量研究证明,一定的细菌与特定植物品系相结合,才能产生较高的固氮、溶磷、产生植物激素及分泌抗生素等作用。因此,应通过植物育种达到植物—细菌联合并具有较强上述能力的稳定体系。同时筛选、培育能刺激固氮、溶磷、产生植物激素、分泌抗生素等活性的作物品种。从现有的研究结果可以得到启示,筛选固氮效率较高的菌与适合的作物基因型组合是提高禾本科植物固氮菌接种剂增产节氮效果的一个重要前提。提高PGPR菌株效率的一个重要途径是建立稳定的内根际体系,构建不同抗逆性的工程菌。目前已有建成的例子,如李艳琴等通过三亲交配的方法,把带有梨火疫欧文氏杆菌(Erwiniaamylovora)hrp基因簇的重组粘pcpp430接合转移进入催娩克氏菌XZR(即KlebsillaoxytocaXZR是优良水稻根际联合固氮菌)中,构建成工程菌XZR(pcpp430)。该工程菌是一种既能固氮又能诱导植物抗病的工程菌。它的构建成功为研制新型的生物肥料和生物农药探索了一条新途径。目前生产上禾谷类作物固氮菌接种剂常以泥炭或垤石作为载体材料,实践证明,在载体材料中添加铁、锌、锰等微量元素可提高菌种存活率,并延长接种剂保存期。但各种微量元素的适宜添加浓度尚待研究。因此接种剂的载体材料尚需改进。有关禾本科植物及其他非豆科植物固氮等研究从总体来看还是极其有限的。从广度上看研究主要集中在为数不多的几种作物上和个别的热带牧草上。从深度来看,只有水稻等作物相对较深入,其他植物,尤其是禾本科牧草涉及很少。因此,广泛开展禾本科等植物PGPR菌株资源调查及特性研究,建立其与植物联合体系,筛选和培育高效优良PGPR菌株,扩大资源宝库等工作是目前PGPR菌研究的重点。另外,自聂延富