施用腐植酸對植物根際和內(nèi)生微生物的影響

王若楠 邱小倩 劉 亮 楊金水 李寶珍 袁紅莉

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院 北京 100193

腐植酸代表著地球上最主要的有機碳庫，參與諸多生態(tài)過程的調(diào)控，如土壤碳氮循環(huán)、植物和微生物生長、重金屬轉(zhuǎn)化運輸及穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)等[1]。“綠水青山就是金山銀山”是習(xí)近平總書記生態(tài)文明思想的重大理念，在新時代背景下，腐植酸作為綠色環(huán)保肥料，因其具有增強土壤活力、促進植物生長和提高化肥利用率、減少化肥使用量等多重優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。大量研究表明，施加腐植酸，可以提高玉米、大豆、黃瓜和大蒜等多種作物的產(chǎn)量[2～5]。詳細機制解析發(fā)現(xiàn)，腐植酸主要可以通過影響植物初級和次級代謝以及其對養(yǎng)分的吸收，從而調(diào)控植物的生長發(fā)育，同時腐植酸還能緩解不同環(huán)境壓力對植物的脅迫，增強植物的抗逆性[1]。

植物生長環(huán)境中存在多種多樣的微生物，附著在植物表面（稱為“附生微生物”）或者定殖于植物內(nèi)部（稱為“內(nèi)生微生物”），這些微生物群體是植物生長和抗病的關(guān)鍵決定因素[6～8]。如菌根真菌和植物的根系共生，可以幫助植物根部吸收礦質(zhì)營養(yǎng)，促進植物生長；如根際促生菌Pseudomonas simiae WCS417可以誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)免疫，抵抗土著病原菌的侵染；內(nèi)生菌Burkholderia phytofirmans PsJN可以促進多種植物的生長及其對逆境脅迫的耐受能力[9～11]。腐植酸除了可直接調(diào)控植物生長發(fā)育，還可通過調(diào)控植物根際和內(nèi)生微生物的數(shù)量、結(jié)構(gòu)及功能，間接實現(xiàn)對植物生長的調(diào)節(jié)[2，12]。

本研究綜述了國內(nèi)外腐植酸影響植物微生物的研究進展，歸納了腐植酸影響植物微生物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，為系統(tǒng)了解腐植酸對植物微生物區(qū)系的調(diào)控作用及充分發(fā)揮腐植酸-微生物-植物互作的優(yōu)勢，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)利用腐植酸和作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供一定的參考。

1 腐植酸對根際微生物的影響

植物生長發(fā)育與土壤中的微生物關(guān)系密切。大量研究證實，施加腐植酸，在作物增產(chǎn)的同時可以增加土壤總微生物（細菌、真菌和放線菌）的數(shù)量，提升土壤微生物活性，例如，腐植酸可以富集氨氧化菌及硝酸鹽氧化菌，促進氮循環(huán)；通過競爭抑制番茄青枯病病原菌，增強植物抗病性[13～15]。

在土壤微生物中，處在植物-土壤物質(zhì)交換最活躍界面的根際微生物，無論是從物質(zhì)循環(huán)、能量流動還是信息傳遞的角度，其變化都直接影響植物的養(yǎng)分吸收和生長發(fā)育[16]。據(jù)研究報道，根際微生物主要參與3大功能類群：（1）將有機物轉(zhuǎn)化為無機物供植物吸收營養(yǎng)；（2）產(chǎn)生維生素、抗體、激素和信號分子等促進植物生長；（3）起到生物修復(fù)的作用[10，17，18]。目前已有大量研究從微生物群落結(jié)構(gòu)變化層面證實了腐植酸對根際微生物的影響，如生防放線菌與腐植酸鉀配施可以調(diào)整丹參植株根際微生態(tài)平衡，改善微生物區(qū)系[19]。

下面將從腐植酸對營養(yǎng)吸收和污染物降解功能微生物的影響方面進行闡述。

1.1 腐植酸對叢枝菌根真菌的影響

約80%～90%的植物會被叢枝菌根真菌Arbuscular Mycorrhizal Fungi（AMF）定殖，這可以幫助植物從土壤中獲取氮、磷、硫等營養(yǎng)成分以及一些微量元素，對植物生長發(fā)育起著關(guān)鍵作用[9]。M. Gryndler等[20]在水培條件下，研究了土壤腐植酸對近明球囊霉Glomus claroideum BEG23菌絲生長及菌根形成的影響，發(fā)現(xiàn)腐植酸促進了該菌在玉米根部的定殖及其根外菌絲的合成，說明腐植酸是土壤中刺激菌根真菌生長發(fā)育的成分之一，參與促進植物與菌根真菌的共生。

1.2 腐植酸對氮循環(huán)微生物的影響

氮循環(huán)是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，土壤微生物在其中發(fā)揮著不可替代的作用。參與氮循環(huán)的微生物包括：固氮菌、氨化菌、硝化菌和反硝化菌[21]。腐植酸可以通過抑制土壤脲酶活性來影響氨的釋放速度，從而影響氨氧化微生物的群落結(jié)構(gòu)；抑制因尿素加入而導(dǎo)致的土壤硝化勢的增加，從而降低氨被氧化成亞硝酸和硝酸的速度及降低通過反硝化轉(zhuǎn)化成氮氣而造成的氮損失，最終能夠使更多的氮被植物吸收利用[22，23]。陳靜等[24]發(fā)現(xiàn)腐植酸能夠加劇土壤微生物活動，尤其能使土壤自生固氮菌的數(shù)量顯著增加，生物固氮作用得到加強，為作物提供豐富的氮素營養(yǎng)。此外，腐植酸還具有黃酮類似物的功能，能夠提高大豆根瘤菌Bradyrhizobium liaoningense CCBAU05525的細胞密度，促進其結(jié)瘤基因及固氮相關(guān)基因的表達，從而使接種B. liaoningense CCBAU05525大豆的結(jié)瘤數(shù)、根瘤鮮重、固氮酶活分別提高19.4%～30.5%、25.4%～36%、15%～30%[25]，并且腐植酸可以增加參與氮循環(huán)微生物的豐度[26]。以上研究表明，腐植酸可以通過調(diào)節(jié)根際參與氮循環(huán)微生物的豐度、基因表達及代謝活動，從而實現(xiàn)植物對氮素營養(yǎng)的利用。

1.3 腐植酸對污染物降解菌的影響

微生物修復(fù)技術(shù)因其成本低、無二次污染和適于大面積應(yīng)用的優(yōu)勢受到研究者的廣泛關(guān)注，如球形紅假單胞菌Rhodobacter sphaeroides可以應(yīng)用于鎘和鋅重金屬污染土壤的修復(fù)，鐮刀真菌Fusarium ZH-H2能夠促進高分子量多環(huán)芳烴的降解[27，28]。而腐植酸除其本身可與污染物直接作用如固定重金屬外，還可以刺激土壤微生物活性達到對污染物的降解修復(fù)。如Chen等[29]通過添加腐殖質(zhì)類似物蒽醌2，6-二磺酸（anthraquinone-2，6-disulfonate，AQDS），提高土壤中地桿菌Geobacter sp.及活化二價鐵的微生物的豐度，從而加速對五氯苯酚的轉(zhuǎn)化，修復(fù)氯化物污染土壤。在石油烴污染土壤中添加腐植酸，可以促進石油烴的降解，對微生物群落組成和數(shù)量有顯著影響，其中革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對腐植酸的響應(yīng)更敏感[30]。上述結(jié)果說明，腐植酸也可通過改變土壤特定功能微生物的豐度和活性，轉(zhuǎn)化污染物，從而達到修復(fù)土壤污染的目的。

2 腐植酸對植物內(nèi)生菌的影響

植物內(nèi)生菌與宿主植物長期協(xié)同進化，兩者間存在基因交換，有利于擴大植物的適應(yīng)范圍，賦予內(nèi)生菌新的功能[31，32]。研究表明，腐植酸類物質(zhì)可以促進內(nèi)生固氮菌Herbaspirillum seropedicae在玉米根部的定殖[33]。腐植酸一方面通過促進植物側(cè)根的萌發(fā)，形成的植物自然裂縫促進內(nèi)生菌的定殖；另一方面由于其具有大分子的穩(wěn)定性及內(nèi)部疏水性，又可以作為有益菌的保護傘，使得有益菌存活時間更長，定殖幾率大大增加。此外，對甜葉菊的研究發(fā)現(xiàn)，黃腐酸能定向地提升有益菌、降低致病菌的相對豐度，可以加速甜葉菊生長代謝有益菌，如鞘氨醇單胞菌Sphingomonas和甲基桿菌Methylobacterium的相對富集，同時顯著降低歐文氏菌Erwinia等潛在致病菌的相對豐度[12]。這也說明，篩選高效促生內(nèi)生菌配合腐植酸同時使用，可以提高內(nèi)生菌的競爭能力，促進植物生長。目前關(guān)于植物內(nèi)生菌已有較多報道，證實它們對植物具有促生和抗逆的作用[34]。但是腐植酸影響植物內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)及功能的研究相對較少，值得進一步深入探索，有利于挖掘微生物新資源和腐植酸的科學(xué)高效利用。

3 腐植酸影響植物微生物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征

腐植酸通過影響植物微生物的區(qū)系結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)其對植物生長發(fā)育的調(diào)控，這種調(diào)控作用是由腐植酸的來源、分子量、官能團及施用濃度等多種因素共同決定的。研究腐植酸的結(jié)構(gòu)特征對進一步闡明腐植酸調(diào)控微生物與植物間互作機制至關(guān)重要。

Edoardo等[2]和 Puglisi等[35]采用高效排阻色譜法將腐植酸根據(jù)不同分子量大小進行分級純化，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）和核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技術(shù)對腐植酸結(jié)構(gòu)進行表征，發(fā)現(xiàn)施加腐植酸處理玉米根際微生物群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了改變，親水性的和低芳香性的腐植酸會通過改變玉米根系分泌物中糖和有機酸的組成，進而影響玉米根際微生物群落結(jié)構(gòu)，其中丁二酸和蘋果酸在決定根際微生物多樣性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在植物根際的病原微生物會引發(fā)植物病害，是制約作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，來自土壤的腐植酸及其中的黃腐酸能夠顯著抑制真菌病原菌的生長，結(jié)構(gòu)解析及相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)腐植酸的脂肪碳與黃腐酸的羥基和羧基活性組分與其抑菌活性呈正相關(guān)[36]。14種不同材料中提取出的腐植酸，硫基和烷基碳含量高的腐植酸抑菌活性更高[37]。上述研究說明，結(jié)合新型分析技術(shù)，深入解析腐植酸結(jié)構(gòu)與其調(diào)控植物微生物功能的關(guān)系，將有助于定向高值化腐植酸產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

4 展望

腐植酸功能多樣，能通過調(diào)節(jié)植物根際微生物及內(nèi)生菌的群落結(jié)構(gòu)來促進植物的生長發(fā)育，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。然而，腐植酸對植物微生物區(qū)系的影響及其影響微生物與植物間“對話”的具體機制尚未得到充分解析，未來可從以下4個方面開展研究工作。

（1）目前，腐植酸對參與植物微量元素吸收，調(diào)控植物激素分泌和逆境響應(yīng)等功能微生物的影響未見報道，未來可廣泛關(guān)注腐植酸對眾多根際功能微生物的影響。

（2）腐植酸類物質(zhì)眾多的結(jié)構(gòu)官能團賦予其良好的活性，但其結(jié)構(gòu)變化和所發(fā)揮功能之間的具體關(guān)系尚未明確，諸如此類的應(yīng)用基礎(chǔ)仍需進行深入研究。

（3）隨著現(xiàn)代腐植酸相關(guān)研究技術(shù)和分析方法的不斷發(fā)展，腐植酸對植物根際/內(nèi)生功能微生物的促進作用及致病菌的抑制效果，已經(jīng)得到廣泛驗證，可進一步結(jié)合高通量測序技術(shù)，宏蛋白組和代謝組學(xué)手段研究腐植酸調(diào)控下植物微生物區(qū)系的動態(tài)變化和功能演替，并從植物表型入手探究其對腐植酸刺激的響應(yīng)機制，深入揭示腐植酸-微生物-植物互作關(guān)系。

（4）隨著腐植酸應(yīng)用目標(biāo)要求的逐漸提高和研究內(nèi)容的逐漸深入，腐植酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效應(yīng)用還需要進行諸多的探索和研究，也有待于在一些新領(lǐng)域進行新產(chǎn)品的拓展和開發(fā)，從而實現(xiàn)腐植酸在農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域的高值化應(yīng)用。