芽孢桿菌促進植物生長的研究進展

王湘瑩, 王曉明*, 徐少東, 田舒妍, 楊琦

(1.湖南省林業科學院 林草培育研究所,長沙410004;2.中南林業科技大學 林學院,長沙410004)

芽孢桿菌通常指能產生內生芽孢的,且屬名帶有“Bacillus”的一類菌種,源于芽孢桿菌目下的芽孢桿菌科、脂環酸芽孢桿菌科、類芽孢桿菌科、動球菌科、芽胞乳桿菌科5科,74屬,813種[1]。2017年王階平等[2]對已報道的芽孢桿菌,如巴斯德代柄菌科、嗜熱放線菌科等科中能形成芽胞,但屬名不帶有“Bacillus”的種進行了整理和歸納,在芽孢桿菌目中,能產生芽胞的菌種類為1 078種,隸屬于8科,112屬。芽孢桿菌廣泛存在于自然界中,與動植物和生態環境密切相關,且在工農醫藥環境等領域有著廣泛的運用。研究表明,芽孢桿菌在生產酶[3]、固氮[4]、促進植物生長、防御病蟲害[5]、生產多種工業用料等方面具有巨大潛力;能有效防治土傳染病[6],尤其是對青枯勞爾氏菌[7]、歐文氏菌[8]、大麗輪枝菌[9]等多種病原菌有較強的拮抗作用;能有效防治其造成的青枯病、軟腐病、黃萎病等,提高植物的御病機能[10],并促進植物生長發育。芽孢桿菌也可以作為農業生產中的重要微生物肥[11],在溶磷、解鉀、調節土壤微生態等方面有顯著功效。芽孢桿菌應用前景巨大,可改善、緩解化學肥料和農藥造成的土壤板結、重金屬富集等現象,亦可替代化學農藥進行病蟲害的防治從而減少農藥殘留造成的生態環境破壞。本文擬從芽孢桿菌對植物生長發育影響的研究現狀入手,總結并解析芽孢桿菌對促進植物生長發育的作用機理,為芽孢桿菌在農林生產中的應用提供參考依據。

1 芽孢桿菌種類

芽孢桿菌種類繁多,但在農林業中主要使用的種類有類芽孢桿菌、膠質類芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌等。

類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)是厚壁菌門(Firmicutes)類芽孢桿菌科(Paenibacillaceae)的一類芽孢桿菌,類芽孢桿菌有固氮、溶磷、抑制病原菌生長、促進植物生長發育、誘導植物產生抗性等多種作用[12]。

膠質類芽孢桿菌(Paenibacillusmucilaginosus)為一種重要的微生物肥料生產菌種[13],是從土壤中分離出來的能夠分解正長石和磷灰石的硅酸鹽細菌[14],與類芽孢桿菌同屬。

蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)屬芽孢桿菌科、芽孢桿菌屬,對害蟲有巨大毒殺作用,是近年來研究最深入、開發最完善、應用最廣的微生物殺蟲劑[15]。

枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)廣泛存在于土壤之中,對多種農作物的土傳病害能起到抑制作用,對植物生長有一定的促生作用,在動植物領域,都有較高的利用價值[16]。

巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)是芽孢桿菌屬的一種重要細菌。巨大芽孢桿菌具有解磷和固鉀的功能,在農業中通常用作微生物肥。此外,巨大芽孢桿菌也有促進植物生長、提高植物抗性的功效[17]。

解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)是一種被廣泛應用的生物防治菌,解淀粉芽孢桿菌的抗菌范圍廣泛,抗菌效果優良,可以抑制多種病原菌生長[18]。

貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)廣泛存在于自然界中。貝萊斯芽孢桿菌具有廣譜拮抗活性,同時還能對作物產生促生的作用[19]。

2 芽孢桿菌促進植物生長機制研究

2.1 分泌IAA

植物細菌具有合成某些植物激素的能力,如細胞分裂素(CTK)、吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)等,這些激素有助于植物更有效地吸收土壤中的水和營養物質,是植物與內生細菌之間的一種互作方式。需要注意的是,IAA作為關鍵物質廣泛存在于這些細菌內部,幾乎影響著植物生長發育的各個方面,是植物共生細菌所必需的一部分[20]。菌種不同合成IAA的能力不一,其中芽孢桿菌屬的菌株為IAA高產菌[21]。

通常色氨酸的含量影響內生細菌IAA的合成[22]。研究表明,在無機培養基或有機培養基上適當添加外源色氨酸,都能顯著提高IAA的合成[23]。當外源色氨酸的濃度添加至200 μg/mL時,芽孢桿菌的合成效率最高[23-24]。此外,培養基的成分和發育階段也會影響細菌合成IAA的能力。例如,將泛菌屬(Pantoea)和金黃桿菌屬(Chryseobacterium)在礦物質油下保存數月后,發現它們無法合成IAA,完全失去合成能力。而歐文氏菌屬(Erwinia)、農桿菌屬(Agrobacterium)、副球菌屬(Paracoccus)等的合成機能則會顯著降低[25]。因此,合理儲存細菌以確保其合成IAA的能力不受影響極其重要。

2.2 生物固氮

類芽孢桿菌中至少有20種芽孢桿菌具有固氮能力[26],可以為植物提供氮養分[27]。分別在小麥、玉米、灌木根際發現的P.zanthoxyli及P.rhizophilus、P.brasilensis及P.maysiensis、P.sabinae均具有固定氮氣的能力[28-32]。固氮酶是生物固氮不可缺少的,通過對固氮酶活性檢驗及基因鑒定可以快速有效地檢驗出生物的固氮能力。在Seldin[33]的固氮類芽孢桿菌研究中,他使用nif探針對不同土壤類型的菌株進行了分離,以研究它們的固氮功能。結果顯示,在這16個菌株中發現的nif基因群在這些菌種中具有高度保守性。

在15個固氮芽孢桿菌菌株的固氮功能研究中發現,這些菌株除了依賴鉬的固氮酶(nif)外,還有一些單純依賴釩和鐵(Vnf)或僅依賴鐵(Anf)的不含鉬輔助因子的酶,其基因組上有9個nif基因[34]。Vnf或Anf在缺鉬條件下表示[35]。除nif外,土地類芽孢桿菌(P.terrae)NK3-4基因組還保留了hesA和hesB/hesBnifs[36]。HesA和HesB都與固氮酶的成熟有關,高固氮活性的類芽孢桿菌需要HesA和HesB來實現,但這種活性只會在沒有化合氮存在的情況下表達[37-38]。最近的一項研究表明,多粘類芽孢桿菌WLY78 HesA突變體在高鉬酸鹽或高胱氨酸條件下幾乎完全失去了固氮能力,這結果表明HesA是一種不可或缺的新型蛋白,與Mo-Fe固氮酶中S和Mo的引入有關[39]。

2.3 溶磷

磷溶性微生物通過多種機制溶解難以分解的磷,其中包括有機酸酸解(分泌葡萄糖酸)、酶解(磷酸酶、脫氫酶、核酸酶)以及直接氧化[40]。芽孢桿菌代謝過程中釋放的有機酸通過離子交換、金屬離子的消融,或者降低土壤pH值,從礦物結晶中釋放出磷。對35種芽孢桿菌的遺傳分析表明,大多數磷溶性桿菌含有與葡萄糖酸代謝相關的基因。且供試菌株的C-P鍵和磷酸鹽特異性運輸系統均表現出高穩定性[41]。此外,Eastman等[42]對4株多粘類芽孢桿菌基因組進行比較和遺傳分析表明,供試菌株中均含有溶磷基因(gcd)、磷酸鹽載體等負責磷酸鹽溶解的基因,有助于多粘類芽孢桿菌快速響應動態的環境。

2.4 產生鐵載體

鐵元素是植物體內不可缺少的微量元素,它參與葉綠素的合成、呼吸作用和氧化還原反應,并組成重要功能蛋白。缺鐵會導致植物葉片枯黃,嚴重抑制植物的正常生命活動。植物通常通過螯合土壤中游離狀態的二價鐵離子和三價鐵離子,并利用轉運蛋白將鐵元素轉運至細胞內。大多數植物主要吸收二價鐵,但在適宜土壤pH下,鐵元素的溶解度較低且以三價鐵形式存在,而植物根部產生三價鐵離子螯合物效率并不高,這造成即便增加土壤中的鐵元素含量,植物也難以吸收的情況。然而微生物產生的鐵載體可在限制條件下較高效地對三價鐵離子進行螯合,并通過轉運蛋白將鐵元素轉運至細胞質內并轉化為二價鐵,這不僅可以快速爭奪其他病原菌的鐵元素,也可以為植物供應足量的二價鐵,保證植物體內的鐵元素充足。目前在多粘類芽孢桿菌、短小芽孢桿菌的相關研究中都發現芽孢桿菌有產生鐵載體的能力,這是芽孢桿菌對植物促生功能的重要表現[43]。

3 芽孢桿菌促進植物生長能力研究

3.1 多粘類芽孢桿菌的促生

多粘類芽孢桿菌對茶樹、小麥、玉米、番茄等有促進生長、增加代謝產物及提高抗病能力的作用(表1)。王佳歡等[44]發現分離自小麥葉際的多粘類芽孢桿菌EBL-06對茶樹生長和茶葉品質均有促進提升作用,百芽重、茶葉產量、水浸出物、茶多酚、咖啡堿、氨基酸比對照組分別提高了1.33克/百芽、1.9克/方格、4.08%、4.75%、0.33%、1.07%。鄧云[45]從染菌大麥粒誘導分離了拮抗菌株,鑒定為多粘類芽孢桿菌DY04,研究其對小麥赤霉病的防效和小麥產量的影響,發現赤霉病防治率達58.43%,小麥籽粒千粒重比對照組增加8.83%,理論產量增加45.21%。牛永艷等[46]從好氧污泥中分離多粘類芽孢桿菌SWS-15,發現相比對照,該菌能顯著提高苗盤玉米株高和冠徑。金美芳等[47]對番茄使用多粘類芽孢桿菌S960灌根后,番茄葉綠素a、PN、植株地上生物量、根系生物量、株高、莖周長相對于對照組均顯著升高。

3.2 解淀粉芽孢桿菌的促生

解淀粉芽孢桿菌對馬鈴薯、西瓜、玉米、黃瓜、番茄等有促進生長,提高生物量和產量的作用(表1)。張曉云等[48]對多個來源的作物根際土壤進行解磷菌分離,篩選出的菌株PHODG36對馬鈴薯幼苗株高、地上鮮重和干重、根鮮重和干重的增加有明顯的促進作用,該菌株經鑒定屬于一種解淀粉芽孢桿菌。李晨雨等[49]將北京農學院植物病理實驗室分離保存的解淀粉芽孢桿菌TR2經過利福平抗性誘導后,成功定植在基質中,并發現其對西瓜幼苗株高和鮮重增加具有促進作用。馬婷玉等[50]研究發現解淀粉芽孢桿菌Bam723可提高鹽堿脅迫下玉米幼苗的株高、莖粗、地上部及地下部干重和根冠比,明立偉等[51]對解淀粉芽孢桿菌Bam688的研究也有類似發現。任晶等[52]發現解淀粉芽孢桿菌SQR9能夠促進黃瓜的生長,作用機制主要為對氨基酸與碳水化合物代謝和生長素信號途徑的調控。要雅倩等[53]從桃樹根際土壤中分離篩選出解淀粉芽孢桿菌T-6,發現該菌能使番茄幼苗干重、根總長與葉綠素相比對照組提高31.81%、50.79%、35.11%。

3.3 枯草芽孢桿菌的促生

枯草芽孢桿菌對蘋果、紫花苜蓿、番茄、玉米、辣椒等有促進生長的作用(表1)。楊永豐[54]從新疆新源縣不同種植物根際土壤中分離出的枯草芽孢桿菌Bam190能促進寒富蘋果樹根部和地上部分的生長,如增加根的干重、側枝掛葉量、葉片飽滿程度等;同時促進葉片氣孔開放,增強水分及無機鹽的吸收與利用。此外,芽孢桿菌可調節土壤pH,增加了土壤微生物多樣性和益生菌群的豐度。史怡夢等[55]在黑龍江蘭西基地紫花苜蓿根際土壤中提取了枯草芽孢桿菌YB-2,發現其具有顯著增加紫花苜蓿株高、株重、根長的作用。邵美琪[56]研究發現經枯草芽孢桿菌NCD-2處理后的番茄在鹽脅迫條件下的株高,莖部鮮重、干重,根部鮮重、干重與空白對照相比分別提高了26.70%、24.90%、23.78%、22.49%、24.22%。宮安東等[57]從茶樹根際土壤分離篩選出枯草芽孢桿菌WY8-7,該菌能顯著增加苗期玉米的多項生長指標。謝梓語等[58]研究發現枯草芽孢桿菌B1409對番茄與辣椒的生長具有促進作用。

3.4 蘇云金芽孢桿菌的促生

蘇云金芽孢桿菌對水稻、番茄、黃瓜等有促進生長的作用(表1)。饒文華等[15]研究發現蘇云金芽孢桿菌ZYR3在鎘脅迫下對水稻種苗苗高與根長的影響較小,葉綠素a、葉綠素b含量相對于對照有顯著提高,枯黃率與褐斑率相對于對照顯著降低,證明蘇云金芽孢桿菌ZYR3整體上對于鎘脅迫下水稻具有一定促生作用。黃大野等[59]發現蘇云金芽孢桿菌NBIN863使番茄株高、根長、全株鮮重相比對照組分別增加了49.10%、43.69%、52.50%。刑芳芳等[60]將從大棚黃瓜根際土壤分離的蘇云金芽孢桿菌KN1進行發酵,用制成的菌劑對黃瓜進行蘸根處理后,發現植株鮮重、根干重分別比對照組增加了30.33%、70.89%。

3.5 膠質類芽孢桿菌的促生

膠質類芽孢桿菌對番茄、大豆、花生等有促進生長和提高產量的作用(表1)。楊威等[61]對番茄使用膠質類芽孢桿菌PM12處理,相比對照組,番茄根量、地上部分生物量分別提高了57.9%、27.6%,提早開花6.9 d,坐果量增加0.6穗果,植株發病率降低9.0%。楊德臣等[62]對大豆植株施用膠質類芽孢桿菌3016菌劑,發現大豆株高和產量與對照相比有一定程度增加。常文智等[14]對花生植株施用膠質類芽孢桿菌3016與50%常規施肥量后,發現花生單株總果數、單株總果重、百仁重、出米率和產量分別比對照增加了27.1%、22.9%、7.8%、2.4%和10.4%,得到了一種降本增效的施肥方法。

3.6 巨大芽孢桿菌的促生

巨大芽孢桿菌對番茄、桉樹等有促進生長和提高生物量的作用(表1)。楊威等[61]對番茄使用巨大芽孢桿菌HT517處理,相比對照組,番茄根量、地上部分生物量分別提高了102.2%、30.1%,提早開花8.2 d,坐果量增加1.1穗果,植株發病率降低51.0%。覃小紅[63]將前期分離保存的巨大芽孢桿菌DU07制成菌肥施用到桉樹后,發現其可一定程度上促進了桉樹樹高和胸徑的增加,效果隨著生長時間的延長而更加明顯。羅歡等[17]研究發現在鹽脅迫條件和非鹽脅迫條件下,巨大芽孢桿菌CJLC2對番茄的根長、株高和鮮重均有顯著促生作用。

3.7 貝萊斯芽孢桿菌的促生

貝萊斯芽孢桿菌對草莓、煙草、白菜、多花黃精等有促進生長的作用(表1)。袁洪波等[64]研究發現貝萊斯芽孢桿菌P2-1能有效防治草莓褐色葉斑病,同時能促進草莓植株生長,使草莓株高、根長、濕質量和干質量相比對照分別提高24.83%、40.74%、28.88%和55.69%。周向平等[19]使用貝萊斯芽孢桿菌F10處理煙草后,發現煙草根系和地上部生長顯著優于對照,大田煙葉產量、上等煙比例和上中等煙比例比對照分別提高11.82%、31.46%和13.17%。張世昌[64]通過對貝萊斯芽孢桿菌B006的研究,發現該菌處理的白菜相比對照組出苗整齊,整體長勢較好,白菜株高、地上部分鮮重與干重均有顯著提高,且對低水肥條件更具有適應性。遲惠榮等[65]從多花黃精內部分離出貝萊斯芽孢桿菌ZJU-3,發現該菌對多花黃精的根長和單株根數具有明顯的促進效果。

3.8 其他芽孢桿菌的促生

其他芽孢桿菌對玉米、蘋果、煙草、水曲柳、番茄等有促進生長和提高抗病能力的作用(表1)。馬婷玉等[50]將阿耶波多氏芽孢桿菌Bar295接種到鹽脅迫條件下的玉米幼株,顯著增加了株高、莖粗、地上部與地下部干重以及根冠比。明立偉等[51]發現特基拉芽孢桿菌Bte724能促進玉米幼苗的生長,緩解鹽堿脅迫帶來的傷害。楊永豐[54]發現地衣芽孢桿菌Bli279對寒富蘋果根部和地上部分的生長具有促進作用,同時提升了植株抗病能力。王雯麗等[66]從煙草葉片中分離得到萎縮芽孢桿菌FJ1,發現該菌能促進煙草生長且對赤星病防效較好。劉悅等[67]發現蠟樣芽孢桿菌SQL0164相比對照提高了水曲柳幼苗的鮮質量、株高,分別為51.2%、15.4%。趙文珺等[68]對番茄進行甲基營養型芽孢桿菌NKG-1灌根處理后,發現根長最大較對照提高55.01%,鮮重最大較對照提高35.62%,植株坐果數較對照提高28.57%,冠幅周徑提高16.72%。

表1 芽孢桿菌對植物的促生Table 1 Promoting plant growth by Bacillus

4 展望與結語

植物生長發育和繁殖受多種因素調控,傳統的農業生產借助化學肥料和生化藥劑等多種方式促進植物的生長發育及防治病蟲害。然而,這種方法往往只能獲得短期的效果,同時對土壤環境造成難以逆轉的傷害,也不利于生態環境的健康發展。生物防治通過生物之間的協同互作機制,減少人為施用生化制劑對生態壞境的污染及過度使用農藥帶來的危害。芽孢桿菌不僅可以降低農林產業的生產成本,而且具有強適用性、強抗逆性和廣譜抗菌效果。此外,芽孢桿菌能夠通過分泌生長激素、固氮、溶磷等生化反應來促進植物的生長發育。芽孢桿菌的諸多特性為傳統農林業向綠色生態農林業轉型提供了一個極具研究價值的方向。國內對芽孢桿菌的研究時間較晚,對大部分的芽孢桿菌種類都缺乏持續性和系統性的研究,將芽孢桿菌的自身代謝與植物的生長發育及對病蟲害防御作為協同互作機制進行系統性的研究,在不同生境、不同植物種類的運用上,都還有待進一步研究。因此深入研究芽孢桿菌對植物生長發育的作用,將極大推進我國農林產業綠色健康發展。