植物根際促生菌在瓜菜工廠化育苗中的應用技術研究進展

馬凱 楊凡 段亞魁 唐艷領 蔡毓新 史宣杰 原玉香

摘 要： 植物根際微生態環境對于根系的健康發育、植株的茁壯生長意義重大。在瓜菜工廠化育苗過程中，幼苗根系生長空間小，持水保肥能力弱，微生態環境差，目前國內外相關學者的研究熱點逐漸聚焦在通過接種植物根際促生菌或添加微生物有機肥來調控瓜菜幼苗根際微生物群落結構和多樣性，以期達到活化養分、防控病害、促進幼苗生長的目的。筆者闡述了植物根際微生物的作用及其在瓜菜工廠化育苗中的應用技術研究進展。

關鍵詞： 瓜菜； 植物根際促生菌； 根際環境； 工廠化育苗； 應用技術

Abstract： Plant rhizosphere micro-ecological environment is of great significance to the healthy development of root system and the growth of plant. In the process of industrialized seedling cultivation of melon and vegetable， the growth space of root system is small， the ability of water and fertilizer conservation is weak， and the micro-ecological environment is poor. At present， the research hotspot of relevant scholars at home and abroad is gradually focusing on regulating the structure and diversity of rhizosphere microbial community of melon and vegetable seedlings by inoculating plant rhizosphere growth-promoting bacteria or adding microbial organic fertilizer， in order to achieve nutrition activation， disease control and seedlings growth. The role of plant rhizosphere microorganisms and their application in industrial seedling breeding of melon and vegetable are discussed in this paper.

Key words： Melon and vegetable； Plant growth promoting rhizobacteria； Rhizosphere； Factory seedling production； Application technology

植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）作為一種能夠促進植物生長、改善土壤環境的根際有益微生物，對農業產業的可持續發展起到十分重要的作用，數千年前就已經應用在農業生產中[1]。近代相關研究表明，PGPR具有促進種子發芽、提升幼苗活力、提高植株生物量及產量、增加植株抗性、調節開花周期等作用[2]。瓜菜工廠化育苗作為一種現代的農業產業化生產方式，在種苗培育過程中存在根系生長空間小、持水保肥能力弱、微生態環境差等問題，陳名蔚、陳姍姍、褚群等[3-6]在西蘭花、番茄、西瓜等瓜菜作物工廠化育苗過程中的相關研究表明，通過將有益微生物菌劑或具有微生物活性的有機肥添加到育苗基質中，能夠起到活化養分、防控病害、促進幼苗生長的作用。PGPR及其與植物的相互作用在農業可持續發展過程中具有相當高的商業利用價值和重要的科學研究意義，近年來，國內外相關學者的研究熱點逐漸聚焦在通過接種植物根際促生菌或添加微生物有機肥來調控瓜菜幼苗根際微生態環境，筆者從植物根際促生菌的作用及其在瓜菜工廠化育苗中的應用兩方面闡述植物根際促生菌在瓜菜工廠化育苗中的應用技術研究進展。

1 植物根際促生菌

1.1 植物根際環境

植物根際環境是植株根系周圍一個有限的營養空間，是大量微生物活動的區域，包括促生菌、致病菌和中性菌等，Ahmad和O'Gara等[7-8]的研究表明，根際環境的微生物組成要比大田環境復雜許多，這是由于根際環境這個相對狹小的空間能夠為微生物生長提供的條件要遠遠優于大田環境，并且植株的根系也可以分泌促進微生物生長的物質，相關試驗的結果顯示，根系周圍存在的細菌數量是大田環境的10～100倍。

1.2 PGPR及其分類

PGPR是一類生長在植株根際環境中，能夠促進植株生長、改善土壤環境的微生物的統稱。降低化肥和農藥的使用、提高作物產量和品質是現代農業可持續發展面臨的重大挑戰，作為環境友好的PGPR具有促進作物養分吸收、調節植株激素平衡、提高作物抗病能力等作用，可提升作物產量，改善產品品質[1]。目前，一些PGPR已應用于燕麥、油菜、大豆、馬鈴薯、玉米、番茄、黃瓜等作物中，效果良好[9]。依據與植物根際細胞的關系，PGPR可以分為胞外根際促生菌（extracellular PGPR，ePGPR）和胞內根際促生菌（intracellular PGPR，iPGPR），其中，ePGPR是指寄生于根際環境中或根系細胞表面的PGPR，也被稱作自由生長的促生菌（free-living rhizobacteria），主要包括沙雷氏菌屬、假單胞菌屬等；而iPGPR是指寄生于根系上特有的根結組織中的PGPR，也被稱作共生菌（symbiotic bacteria），主要包括固氮根瘤菌屬、弗蘭克氏菌屬等，共生菌可以寄生在植株根系細胞內，直接參與植株的生理代謝[10]。

1.3 PGPR的作用

PGPR對于植株的促生作用包括直接作用和間接作用，其中直接作用主要包括作為生物性肥料刺激根系生長、促進根際修復及調控植株抗性等；間接作用主要是降低病害對植株的影響，其作用機制主要有2點：一是誘導根際環境內系統抗性的形成，二是與致病微生物形成養分競爭，抑制致病微生物生長[11-12]。具體來說，PGPR的作用主要包括：促進作物對養分的吸收，調節植株內激素的平衡，形成鐵轉運載體，產生揮發性有機化合物（volatile organic compound，VOCs），提高作物對非生物脅迫的抗性；通過形成幾丁質酶、葡聚糖酶及乙烯合成前體1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶等，提高作物對致病菌的抗性[13-14]。

1.3.1 促進營養吸收 PGPR自身不含營養元素，但能夠通過提高根際土壤環境中營養物質的利用效率來促進作物生長。磷（phosphorus，P）作為植物生長發育所必需的大量元素之一，在根際環境中主要以非溶解形態存在，利用效率很低。研究表明，根瘤菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬等都是重要的溶磷細菌，能夠促進植物對磷的吸收，其中從根際土壤中分離出的Kocuria turfanensis strain 2M4株系就是一種很好的溶磷細菌，并且還具有產生生長素和鐵轉運載體（siderophores）的功能[15-16]。鐵（iron，Fe）作為植物生長發育所必需的微量元素之一，在土壤中通常以非溶解性礦物質的形式存在，某些PGPR具有分泌鐵轉運載體的功能，鐵轉運載體是一類具有螯合Fe3+的小分子蛋白復合物，Flores-Felix等[17]在草莓中的研究表明，Phyllobacterium株系就具有很好地促進作物對鐵吸收的功能。

1.3.2 調節植物激素 植物激素對于植株的正常生長及抗性意義重大。PGPR不僅能夠在外界條件的影響下自主產生植物外源激素，并且可以調節植株的內源乙烯含量進而促進植株生長[1]。由PGPR產生的生長素IAA能夠通過與植物內源生長素的相互作用，共同影響、調節植物細胞分裂和分化，刺激種子萌發，促進根系發育，抵抗各種生物及非生物脅迫等，低濃度的PGPR源IAA能夠促進初生根的伸長，而高濃度的PGPR源IAA則能夠刺激植株形成側根。此外，PGPR源IAA還能夠提高根系表面積、促進根系分泌物的形成，進而提高營養物質的吸收效率。某些PGPR能夠形成赤霉素（GA）或GA類似物，Bottini等[18]研究推測，PGPR源GA能夠通過提高植株根毛密度來增加根系對土壤中營養和水分的吸收。在細胞分裂素方面，PGPR源細胞分裂素能夠通過調節植株的節間發育來影響植株的株型發育。乙烯作為調節植株抗性的重要激素之一，在許多作物中受到PGPR的影響，其中，根瘤菌作為一種重要的PGPR，主要通過ACC脫氨酶來調節植株內源乙烯含量。Ahmad等[19]的研究表明，能夠產生ACC脫氨酶的Rhizobium和Pseudomonas株系在鹽脅迫下可以通過調節植株中乙烯含量來促進綠豆的生長發育。因此，在植株的正常生長發育過程中，PGPR源激素能夠通過協助植株內源激素的代謝及信號途徑調控植株的正常生長發育。

1.3.3 提高植株抗性 植物在生長過程中要承受一系列來源于土壤條件的脅迫刺激，主要包括生物脅迫和非生物脅迫2類，生物脅迫主要是指土壤中具有致病性的真菌、病毒、細菌、根結線蟲及其他害蟲等；非生物脅迫主要是指重金屬、干旱、養分缺乏、鹽害和極端溫度等[1]。在抵抗非生物脅迫方面，PGPR主要通過促進植株營養吸收、調節植株體內激素代謝來完成。在抵抗生物脅迫方面，PGPR主要是通過產生揮發性有機復合物及保護性酶類來實現。Bacillus、Pseudomonas、Serratia、Arthrobacter及Stenotrophomonas等細菌類PGPR產生的揮發性有機復合物能夠誘導植株形成對致病菌的系統抗性，Bacillus形成的羥基丁酮（Acetoin）和丁二醇（2，3-butanediol）等揮發性有機復合物在擬南芥中表現出較好的促生作用[20]。大多數致病微生物細胞壁的組成成分是幾丁質和β-葡聚糖，PGPR能夠通過產生幾丁質酶和葡聚糖酶等保護性酶類來抑制致病菌的生長，進而提高植株對致病菌的抗性。Sinorhizobium fredii KCC5及Pseudomonas fluorescens LPK2產生的幾丁質酶和β-葡聚糖酶具有很好地控制枯萎病的功能[21]。Bacillus spp.和Pseodomonas spp.具有良好的芽孢形成能力，在實際生產中具有較好的生防效果，其中，Bacillus subtilis、Basillus amyloliquefacients和Bacillus cereus是最有效的病害防控促生菌，可以通過多種機制控制致病菌的發生發展[22-25]。

1.4 PGPR的負面效果

PGPR在維持土壤肥力、促進作物生長發育方面發揮的作用是毋庸置疑的，但也存在一定的負面影響。例如，Pseudomonas的某些株系產生的氰化物就具有促進和抑制植株生長的雙重效應；Vacheron[26]的相關研究表明，PGPR產生的生長素在影響植株生長方面也具有兩面性，低濃度的生長素促進根系生長，而高濃度的生長素則會抑制根系生長。另外，Bradyrhizobium elkanii產生的根瘤菌毒素作為一種乙烯合成抑制劑，在調節植株乙烯代謝方面具有重要的作用，但如果使用不當，也會引起葉片黃萎病的發生[27-28]。

2 PGPR在瓜菜工廠化育苗中的應用

2.1 瓜菜工廠化育苗

瓜菜工廠化育苗技術是農藝農技與農業設施設備的高效融合，能夠大大提高新優品種的示范推廣速度，是瓜菜生產過程中的關鍵環節之一。隨著我國瓜菜生產的標準化、規?；l展，瓜菜產業對工廠化育苗水平提出了更高的要求。工廠化育苗雖然具有省工、節能、適于機械化操作等諸多優勢，但存在根系生長空間較小、育苗基質保水保肥能力弱等弊端，所以基質水肥的有效、適量、穩定供應對于優質種苗的培育至關重要。瓜菜幼苗生長過程中對礦質養分的吸收利用，除受自身遺傳特性的影響外，還與環境因子、灌溉等其他育苗技術措施密切相關，是一個非常復雜的過程[29-30]。特別是在穴盤育苗條件下，根系發育空間有限，基質緩沖能力小，根際環境變化快，養分容易被沖淋，更增加了施肥難度，育苗者還需要依靠養分供給控制幼苗生長速度。在實際生產中，即使是多年從事育苗工作的技術工人，仍難以完全避免幼苗缺素癥和中毒癥的發生。目前，通過應用PGPR調控根際微生態環境來促進幼苗生長發育、提高幼苗抗性、降低幼苗病害發生是瓜菜工廠化育苗關鍵技術的前沿熱點[31]。

2.2 PGPR的應用

PGPR作為生物肥料的重要原料之一，在全球范圍內農業可持續發展方面發揮著重要的作用，其應用范圍涵蓋了種子處理、植株葉面噴施及土壤修復等方面。但在實際應用方面，只有充足的活菌數才能發揮PGPR對N、P、K等營養元素的轉換作用和對致病菌的抑制作用[3]。芽孢桿菌屬PGPR的應用較為廣泛，主要在于其耐受極端條件的能力較強，而其他種類的PGPR盡管在研究階段取得了較好的成效，但由于各類PGPR對于生長條件要求嚴苛，使得其在接種后不久，土壤中菌落數量就會迅速下降，無法起到預期的效果，由于熱量、紫外線照射等因素，PGPR的實際應用效率在10%左右。因此，目前對于PGPR的研究主要集中在提高其定殖能力和定殖后的活性等方面，全面了解PGPR的作用機制對于充分發揮其在農業系統中的作用至關重要。Tarafdar A等[32-35]的研究表明，將納米技術與PGPR應用技術的有機結合是今后生物肥料的發展方向。

2.3 PGPR在瓜菜工廠化育苗中的應用

在瓜菜工廠化育苗過程中，主要是將PGPR添加到基質中，以配制功能型微生物活性基質。將PGPR接種到育苗基質中不僅能夠促進瓜菜種苗的生長，而且可以提高種苗對致病菌的抗性，將種苗定植到大田環境之后，幼苗根際環境的PGPR仍處于高濃度狀態，其作用還將持續一段時間，起到一定的防治土傳病害和連作障礙的效果。

草炭是育苗基質的主要原料，其中的磷以有機磷為主，質量分數占4%～10%，很難被作物吸收，解磷菌能夠降解不能被植物直接吸收利用的磷，將其加入基質中可將有機磷轉化為無機磷，以提高磷的有效利用率。陳姍姍等[4]在煙草上的研究發現，分離出的10種PGPR都具有促生效果，包括固氮、解鉀和溶磷等，最佳使用濃度也有所差異，以106 cfu·mL-1的菌液濃度接種，應用效果較好的有GN01、RP01和JK03；以103 cfu·mL-1的菌液濃度接種，應用效果較好的有JK04、RP02和JK02；但結合幼苗生長情況，接種具有解鉀作用的PGPR要優于接種具有固氮和溶磷作用的PGPR，且103 cfu·mL-1為最佳接種濃度。在瓜菜種苗培育過程中，褚群[5]通過將解磷菌M20應用于番茄、西瓜工廠化育苗過程中發現，在基質中接種108 cfu·mL-1的解磷菌能使番茄、西瓜幼苗葉面積、莖葉干質量、根干質量和壯苗指數增加，磷吸收量增加，基質中性磷酸酶活性和植酸酶活性提高，幼苗根際細菌群落結構發生變化，根際細菌多樣性降低，并使某些有益微生物豐度增加，促進了番茄和西瓜幼苗的生長發育和壯苗形成。王其傳[36]在功能型防病促長基質應用方面的相關研究表明，接種108 cfu·mL-1的BBS合劑的功能型生物活性基質在西瓜、西蘭花、辣椒等瓜菜作物種苗培育過程中具有良好的促生和抗病效果，與常規育苗基質相比，促生效果分別能夠達到63.13%、74.20%和35.27%，防病效果分別能夠達到87.5%、83.1%和79.5%；在防治黃瓜根結線蟲方面，應用微生物功能型基質（接種108 cfu·mL-1的AR156-2生防菌劑）培育黃瓜幼苗，促生效果明顯，且定植后對根結線蟲病害有明顯的抑制作用。陳名蔚等[3]在西蘭花工廠化育苗中的相關研究表明，噴施PGPR能有效降低西蘭花幼苗的株高，并提高莖粗、根系生長量和根冠比，增加地上部分和地下部分質量及有機質含量，促進西蘭花壯苗的形成。

3 小結與展望

根系的良好生長是瓜菜壯苗形成的前提條件，盡管根際微生物對于根系的生長發育十分重要，但是人們對根際復雜的植物-微生物相互作用的了解尚處于起步階段。由于它們的相互依存關系，植物和微生物可以被認為是超級有機體，類似于人類與腸道微生物菌群的關系，植物依靠根際微生物輔助完成營養物質的吸收等特定功能。與微生物相關的植物根系研究目前處于根系生物學研究的前沿。

PGPR并不屬于肥料，但其能夠通過改善基質或土壤條件進而增加肥效，促進植株生長發育。但與肥料相比，PGPR菌劑具有安全環保、肥效持久、改善土壤理化性狀等優勢，在瓜菜工廠化育苗中具有廣闊的應用前景。

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