植物根际微生物互作的研究进展

植物根际微生物互作的研究进展

植物的根是一个极其复杂的生物系统。根际(Rhizosphere)指土壤与植物根部接触的局部区域。根际以细菌占优势,其生长受根部组织释放出的氨基酸及维生素等营养所刺激。细菌生长所需的氨基酸种类在根周围比没有根的土壤多。微生物释放到根周围的代谢产物也刺激植物的生长,因此植物根部系统与微生物之间发生着营养交换。当种子萌发,根生长穿过土壤时,有机物的释放能够激活根际的微生物群落,影响根际微生物的数目与种类,这种现象叫做根际效应(Rhizosphereeffect)。各种微生物间的相互作用对土壤中的微生物群落也具有重要影响,例如,掠夺性原生动物或产生抗生素的放线菌可排斥某些种类的微生物。反之,分解纤维素或蛋白的细菌可将复杂分子转为较小的易代谢分子,为生化反应较弱的菌种提供营养。在根际,植物根分泌物与微生物分泌物叶同时存在着相互作用。生防微生物的成功应用有赖于对发生在土壤和根际的生态互作的研究,预知根际的生态条件,是生防微生物及制剂成功推向市场的重要条件。这不仅要研究生防微生物本身,同时也要研究生防微生物与植物、先定殖的微生物及环境的互作。由于具有某些特定的物理化学和微生物特性,一些土壤可以天然地抑制某些土传植物病害。1耐药因子竞争因素根际微生物互作的行为模式包括:相容、共生、抗生(如通过产生抗菌物质抑制病原物)、竞争(如通过产生含铁细胞竞争铁元素、种子或植物根际定殖位点的竞争)、病原物致病因子(如毒素)的降解、寄生作用(如产生胞外酶,以降解病原真菌细胞壁,包括几丁质酶、β-1,3葡聚糖酶等)。这些行为模式绝不是相互孤立的,通常一种生防微生物能够表现多种行为模式。1.1生物的概率发生当两种生物种群对环境的需求是完全或大部分迥异时,这两种生物间的关系可以是相容,这时,在某一环境下发现其中一种生物的几率并不会影响另一种生物的几率。相容现象的发生主要有4种情况:①当微生物种群密度低至无法为另一个种群察觉的情况,如在空气中存在的两个微生物种群或个体;②两个来自不同环境,脱离原来生活环境的新微生物种群。③休眠时期的微生物种群,因为彼此为克服逆境而降低了细胞代谢率,使种群中的微生物削弱了对可利用资源的竞争,有助于相容关系的维持;④当一种微生物生长所需的营养和环境条件与另一种差异很大时或虽然相似但环境可以满足时,两种微生物互容。1.2不受害且对一方有利如果两种微生物或个体在土壤中生长,两种微生物均不受害且至少对一方有利,则这两种微生物间的关系称共生。两种微生物以共生关系生活在一起,它们其中之一或两者彼此不断地供给食物,彼此也可以互相保护。1.2.1微管生物的生长两种微生物中的一方的生长可以使另一方受益,如酵母生长在浓糖水中,可以将糖发酵或氧化,而使渗透压降低,因而使能适应低渗透压的微生物得以生长;Mucorrouxianus利用马铃薯淀粉,产生麦芽糖而使Micrococcus得以生长;某种微生物可以对C、N、S等元素进行转换,而其转换产物可被其它微生物所利用;某种微生物会自然地氧化一种本身无法利用的碳源或能源物质,以供另一种群的需要;微生物提供一个适合共生伙伴的环境,如附着于藻类上的细菌或另一种藻类等等。1.2.2代谢路径及路径微生物种群的协同共生行为可以使两个种群都获得利益,并且共同完成代谢路径。协同共生可使微生物能够合成原来单独种群无法合成的物质,从而共同完成单独无法完成的代谢路径。1.2.3er-没有添加过多基因互换er-没有基因互换的情况基因互换是一种特殊的互利形式。通过基因交换,能够使某微生物所演化出的较适合的性状得以传播,从而防止微生物种群的过度专一性(Over-separation)。基因互换的机制包括:①转化作用(Transformation);②转导作用(Transduction);③接合作用(Conjugation);④有性孢子形成(Sexualsporeformation)。基因互换只发生在较高的种群密度中。在低的种群密度下,成功的基因互换是很低的,且过程常不明显。在细菌中,发生接合作用时需要大于105/mL的种群密度。1.3两者同时受损时,各方人此共生关系相反,拮抗现象指当两种微生物在一起生长时,彼此发生对立,互相拮抗,从而使其中一方受害或两者同时受害的关系。其中包括竞争(Competition)、抗生(Antibiosis)等两种情况。1.3.1种养分fe3+的竞争竞争是微生物种间的一种冷战,其原因或是对生存空间的竞争,或是对周围养分(如Fe3+)的竞争。凡是亲缘关系相近的微生物(Closedrelatedorganisms)对环境的需要也比较相近,因此冷战的程度也更为厉害,并对两种群均有负面的影响,降低两者的生长速率。1.3.2生物酶o合生物两种微生物生活在一起,其中一种所产生的物质对另一者具有毒害作用,即称为抗生。其中一种微生物往往能够产生抗生素(Antibiotics)。在自然界中,抗生的现象很多,细菌、真菌、藻类及原生动物等4种微生物间的任意组合,都可发生抗生现象。WALLKAUSSER早在1951年从森林土壤中分离出16种真菌及123种细菌,然后作各种组合,研究抗生现象。细菌及细菌间有164/529(31%)、真菌及真菌间有93/256(36%)、真菌及细菌间有161/368(44%)组合发生可观察到的抗生现象。2荧光假单胞菌的生防细菌生防因子应用于防治细菌病原物的例子相对较少。刘大群等利用非致病链霉菌防治由Streptomycesscabies引起的马铃薯疮痂病。在这种情况下,颉颃作用的发生可能是由于抗生或根际的定殖位点及营养竞争。PseudomonasfluorescensMigulaF113可以防治马铃薯软腐病菌Erwiniacarotovorasubsp.atroseptica,主要是由于荧光假单胞菌产生了抗生素DAPG,使用抗生素合成阻断突变株进行生防实验,发现在此互作中,竞争没有起到关键作用。有证据显示荧光假单胞菌产生的含铁细胞在低铁条件下可能对马铃薯软腐病的防治起一定作用,但抗生素DAPG的产生还是关键因子。最经典的、市场至今依然应用的细菌-细菌生防体系是用非致病性土壤农杆菌菌株(Agrobacteriumradiobacter)防治Agrobacteriumtunefciens。对该体系所进行的长期的分子生物学和生态学研究已经阐明了生防的机制以及如何克服应用中潜在的问题。应用最广泛的非致病土壤杆菌K84能够产生高度专化性的抗生素-土壤杆菌素84(agrocin84),该抗生素由质粒pAgK84编码。由于质粒pAgK84能够转移到病原菌中从而也可能降低生防效果。JONES等构建了K84的转移突变株K1026。突变株K1026不仅能够抑制对土壤杆菌素84敏感的菌株,还能够抑制对土壤杆菌素84不敏感的菌株,因此,土壤杆菌素84不是其唯一的颉颃机制。其它抗生素的产生,如土壤杆菌素434、ALS84也可能是颉颃因素。3利用受试对象的假单胞菌尽管有许多文献报道了不同的细菌用于防治真菌病害,但大多数的文献都集中在了假单胞菌的应用。假单胞菌生长迅速,能够利用广泛的有机物,在实验室易于培养和遗传操作。另外,假单胞菌是常见的根际微生物,能够适应根际的多种生态环境,根际的生态竞争是生物防治的主要机制。3.1抗菌药物的应用许多报道显示,许多细菌产生的抗真菌代谢物(金属螯合剂和酶除外)在体内和体外都具有活性,这包括氨、丁内酯、HCN、寡霉素A、OomycinA、PCA、藤黄绿脓菌素(Plt)、硝吡咯菌素(Pyrrolnitrin,Pln)、吩嗪-1-羧酸、Xanthobaccin,及其它一些未明确的代谢物。人们利用抗生素合成阻断或抗生素过量合成突变株来研究和验证抗生素在生物防治中的作用。另外,报告基因和探针来探测植物根际微生物产生的抗生素也用得越来越多。多种抗生素生物合成基因和基因簇也已经分离得到。如荧光假单胞菌可产生多种抗生素,对病原菌有较强的杀伤作用。已发现的抗菌物质包括两种氯化苯基吡咯类抗生素,一种是Pyroluteorin,可防治棉苗腐霉菌猝倒病,但对丝核菌立枯病无效;另一种是硝吡咯菌素(Pln),仅对丝核菌立枯病有效,而对腐霉菌猝倒病无效;Pyroluteorin在细胞生长过程中释放到胞外,而Pln于细胞解体后释出;Pln对Thielaviopsisbasicola、Verticilliumdahliae和Alternariaspp.也有抑制作用,它在湿土中可维持活性1个月以上。最近,在小麦全蚀病生防菌(P.fluorescens)中发现了另一种抗生素吩嗪-1-羧酸,它在小麦根际的数量与细菌防治全蚀病的效果有正相关系。一般地,证明抗生素在生防中的作用仅使用无抗生素产生能力的突变株作为对照,而吩嗪-1-羧酸在土壤和根际的直接发现为抗生素的重要作用提供了直接证据。3.2荧光假单胞菌的作用机制人们对细菌生防因子和真菌病原真菌在植物根际的位点竞争和营养竞争这两个生防机制的认识已经有很长时间了,但最近的研究则主要集中在铁离子的竞争上。在低铁环境下,细菌能够产生多种对铁离子有高度亲和力的铁螯合剂或含铁细胞。在平皿上,荧光假单胞菌对病原细菌P.tolaasii没有抑制作用,只存在对营养物质的竞争,后来的研究结果认为主要是通过对铁离子的竞争影响病原菌的生长。荧光假单胞菌产生的噬铁素络合根际铁离子,使病菌得不到足够的铁元素营养,生长发育受到抑制,对植物体的危害减轻,因而植物生长发育得到改善。在小麦全蚀病、亚麻枯萎病的生物防治中,都是通过这一机制起作用。植物根际微生物对铁离子竞争的动力学是十分复杂的。例如,有的细菌产生的噬铁素只能够被自己所利用,而有的则可以被许多不同的细菌所利用。不同的环境因子也可以影响噬铁素产生的数量。3.3利用bacl通过酶防治青少年纤维素酶和表型筛选,增加放线菌的筛选细菌,尤其是放线菌,具有寄生感染或降解植物病原真菌孢子的能力。生防细菌从真菌获取营养而阻止病原真菌的生长。尽管这些生防细菌,包括放线菌能够产生抗生素,但如果病原真菌的细胞壁同时被降解了,那么就可以认为细菌产生的胞外酶在起作用。例如,用能够产生纤维素酶的菌株MicromonosporacarbonaceaLuedemann&Brodsky能够防治由PhytophthoracinnamomiRands引起的BanksiagrandiaWilld根腐病。用能够产生β-1,3-、β-1,4-和β-1,6-葡聚糖的放线菌菌株可以防治由Phytophthorafragariaevar.rubi引起的悬钩子根腐病。Bacilluscereus产生的几丁质裂解酶在防治Rhizoctoniasolani中也发挥了作用。Tn5插入突变和序列互补实验显示,Stenotrophomonasmaltophila甜菜根际病害Pythiumultimum是由于它产生了胞外蛋白酶。3.4根际促生细菌根际有益细菌能够促进植物对矿质营养的吸收和利用,或者产生促进植物生长的代谢物,甚至抑制有害微生物。因此,这类能够直接或间接促进植物生长的细菌又被称为根际促生细菌(PGPR)。根际促生细菌主要通过两种方式发挥作用:抑制植物的病原微生物和减轻minor病原菌(阻碍植物生长,但没有明显症状)的毒害作用。另外,PGPR也可以通过其它方式促进植物生长,如固氮作用、促进营养物质(如磷)的溶解、促进菌根功能、调节根部乙烯的产生、释放植物生长素及减轻重金属毒性等。4为细菌生殖因子-蘑菇病原体的混合至今尚未见到应用真菌生防因子防治植物根际细菌病原物引起植物病害的报道,原因不明,但至少可以说明这是一个有待进一步研究的领域。5子-真菌病原生防因子与细菌生防因子-真菌病原物互作相比,真菌生防因子-真菌病原物互作的研究者也不少,有许多真菌被证明可以用作生防因子。其中以木霉属菌株为主,这或许是因为木霉菌易于生长,并且寄主广泛的原因。5.1tfa和reimwilt的生防机制人们对根际真菌互作中的营养竞争及空间和定殖位点的竞争研究得较少。在应用非致病的Fusarium和Trichoderma防治Fusariumwilt时,其生防机制包括了对碳、氮和铁的竞争。而在小麦根际用redfungus防治Gaeumannomycesgraminisvar.tritici的体系中,对硫胺(维生素B1)的竞争是一个明显的过程。5.2木霉的抗菌作用虽然对真菌生防因子产生抗生素的研究也有报道,但显然不如细菌生防因子抗生素研究得详尽。并且几乎没有关于真菌生防因子抗生素的编码基因的详细研究的报道。木霉菌在产生抗生素方面具有优势,就其种类而言,仅抗真菌的代谢产物至少在32种以上。多数木霉产生的抗生素不止一种,如哈茨木霉可产生12种,康氏木霉可产生9种,绿色木霉可产生10种,钩状木霉可产生7种,长枝木霉可产生3种,多孢木霉可产生2种。这些抗生素的化学性质各不相同,包括了戊酮、辛酮、类萜、多肽和氨基酸衍生物等几大类。由于抗生素的种类、化学性质以及作用方式的差异,病原菌往往难以发展抗药性。5.3生长等机制的真菌生防因子近几年,