共接種植物生長促生細菌提高植物耐鹽性的研究進展

張玉芬 姜 帆

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

近幾十年來，人類活動加劇了農業土壤鹽漬化進程，導致植物生長和生產力降低。不恰當的農業灌溉方式是土壤鹽分增加的主要原因［1］。據估計，全世界有多達20%的種植區域受到高鹽度的影響。在根外和植物細胞內積累的高濃度鹽分導致植物遭受滲透脅迫和離子毒害［2］。許多科研人員試圖采用多種方法克服土壤鹽漬化對植物生長的抑制作用，包括通過基因改造產生耐鹽植物，或篩選和種植耐鹽基因型的植物。迄今為止的實驗數據表明，這些策略在植物的遺傳轉化操作，隨后選擇穩定的耐鹽轉化植株，以及最終在環境中對這些植物進行測試，都是非常耗時費力的過程。另一種眾所周知的策略是利用植物的有益菌群，即植物生長促生細菌（PGPB）［3］。根際土壤中的細菌數量和多樣性通常比無根系的土壤大很多［4］。高濃度鹽分會導致土壤微生物種群數量和多樣性急劇降低［5］，而在脅迫條件下仍能存活的微生物中，有一些菌群能促進植物生長，增強植物對鹽脅迫的耐受性［6］，因此，在農業生產中，這些細菌是極佳的生物接種劑，可作為生物刺激劑、生物肥料或生物殺菌劑施用。此類細菌已在田間成功使用了幾十年，包括在鹽脅迫等不利條件下的應用［7］。目前為止，絕大多數的研究集中于植物與單一細菌的相互作用機制和作用效果。但是也有少數研究結果表明，將2 種以上的植物生長促生細菌共接種于同一種植物后，能更顯著促進植物生長，提高植物的抗鹽性。本文綜述近年發表的關于共接種植物生長促生細菌提高植物耐鹽性的研究成果，并概括共接種細菌提高植物耐鹽性的生理機制，明確共接菌這種生物技術在鹽堿化農業生態系統中潛在的重要作用。

1 植物生長促生細菌促進植物生長的機制

植物生長促生細菌主要存在于植物根系周圍的土壤（即被稱為根際的微生態系統），或侵入植物

根組織內部，或居于葉或莖的表面。植物生長促生細菌通過多種作用機制促進植物的生長發育，例如，固氮細菌的生物固氮作用增加了植株對氮元素

的固定、吸收和利用；分泌有機酸等物質溶解釋放土壤中的礦物磷酸鹽、鉀、鐵等養分，使其轉化為植物能吸收利用的可溶性礦質營養；直接分泌產生細胞分裂素、生長素、脫落酸、赤霉素等植物生長調節物質促進植物生長發育；合成ACC 脫氨酶，降解乙烯的直接前體ACC，進而降低脅迫乙烯的累積量；產生海藻糖和胞外多糖，提高植物的耐鹽性；合成抗生素和其他病原體抑制物質，例如，氰化物、水解酶和抗生素等，抵御病原菌對植物的危害［8-10］。

2 共接種植物生長促生細菌提高植物抗鹽性的生理機制

2.1 含ACC 脫氨酶的根際細菌與根瘤菌協同提高植物抗鹽性 根瘤菌和豆科植物之間的共生關系是植物-微生物互利共生的典范，不僅對豆科植物（例如，大豆、鷹嘴豆、豌豆、蠶豆、苜蓿等）有益，而且也有利于全球氮循環［11］。根瘤菌將大氣中的N2轉化為植物可吸收利用的氨，而植物通過光合作用向根瘤菌提供碳［12］。一般來說，高濃度鹽分對植物造成脅迫，從而增加“脅迫激素”——乙烯的產量［13］。乙烯含量升高會抑制根毛發育和根系伸長生長［14］，誘導葉子變黃及各種器官的衰老、脫落或過早死亡［15］。“脅迫乙烯”還阻礙了豆科植物與根瘤菌之間共生關系的建立，因為其抑制了侵染線的形成和發育，降低了根瘤的形成，從而導致固氮過程受阻［16-18］。植物體內乙烯的生成量與內源性ACC 水平直接相關［19］。早期的研究結果已證明，具有ACC 脫氨酶的細菌通過分解ACC降低了脅迫乙烯的水平，提高了植物的抗逆性［20］。與此同時，一些研究結果表明，共接種含ACC脫氨酶的細菌和根瘤菌顯著提高了豆科植物的耐鹽性，因為乙烯含量的降低提高了根瘤菌在根組織內部的定植和固氮能力。例如，原節肢桿菌（Arthrobacter protophormiae） 與根瘤菌共接菌，提高了豌豆（Pisum sativum）的耐鹽性［21］。不同鹽水平條件下，與單接種菌株的綠豆植株相比，共接種假單胞桿菌（Pseudomonas putida）和根瘤菌（Rhizobium phasoli）顯著提高了綠豆的根瘤數、氮含量、生物量和產量及蛋白質的含量［22］。

葉綠素含量的增加是植物耐鹽性增強的標志之一。葉片中葉綠素的含量取決于葉綠素的合成與氧化降解之間的動態平衡。葉綠素降解是一個多步驟的酶降解過程。在不同植物的葉綠素降解過程中，起關鍵作用的酶可能不同。細胞分裂素負調控葉綠素降解酶相關基因的表達，還能誘導葉綠素降解酶的氧化分解過程［23］；然而，乙烯促進了葉綠素降解酶相關基因的表達［24］。一些根瘤菌能產生細胞分裂素類的物質［25］，當鹽脅迫發生時，與含ACC 脫氨酶的細菌同時接種植物后，導致植物組織中細胞分裂素含量升高，而乙烯含量降低，在二者的協同作用下葉片中葉綠素含量升高，例如，共接種根瘤菌和假單胞菌顯著提高了遭受鹽害的綠豆葉片中葉綠素的含量［26］。

2.2 合成生長素（IAA）的植物生長促生細菌與根瘤菌協同提高植物抗鹽性 植物激素生長素能促進植物側根和不定根的生長和發育，而且還能促進主根在鹽脅迫條件下生長［25］。因此，產生IAA 的細菌可改變根系構型，通過提高根系的數量和表面積增強植物對水分和礦質養分的吸收，這是提高植物抗鹽性的重要機制。IAA 刺激根毛大量形成便于根瘤菌更密集地定植于植物根系，提高了根瘤菌侵染和結瘤的機率，并使根瘤提早成熟。根瘤早熟對于豆科植物的生長發育非常重要。當土壤中缺乏氮素時，豆科幼苗出土后會經歷一段時間的氮饑餓，并且這一階段可能會持續15～20 d，這是由于種子中儲備的氮營養耗盡之前，根瘤尚未成熟，植物無法從根瘤固氮獲益。因此，任何促進根瘤早熟的手段都可能有助于縮短氮素饑餓的時間。早熟根瘤的形成對于建立共生關系和起始N2固定是非常關鍵的，特別是對于生長周期較短的作物［27］。

IAA 的產生還可能刺激了植物對K+的吸收，限制了對Na+的吸收，加強了對Na+的外排作用［28］，提高了植物組織中的離子平衡。與單一接種慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）相比，給豆科植物共接種根瘤菌和產生生長素的細菌，例如，偶螺菌（Azospirillum）、芽孢桿菌（Bacillus）和假單胞菌（Pseudomonas）顯著提高了根瘤數、根瘤鮮重和固氮酶活性［27］。

2.3 共接種植物生長促生細菌所誘發的其他保護機制能幫助植物抵御鹽害 鹽脅迫時，植物生長促生細菌所誘發的與系統性耐受性相關的機制除了包括以上提到的降低乙烯含量和產生IAA外，還包括抗氧化防御［29］和滲透調節［30］。鹽脅迫條件下，共接種巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）和熱帶根瘤菌（Rhizobium tropici），促進了玉米葉片中抗壞血酸鹽過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的合成，消除了活性氧（ROS）對植物細胞的毒性和脂質過氧化反應，降低了葉片中丙二醛（脂質過氧化反應的氧化應激指標）的含量［31］。脯氨酸是一種非常重要的滲透調節物質，它可穩定大分子物質和膜結構的完整性，其含量的變化反映了植物耐高鹽脅迫的能力。在鹽脅迫條件下，慢生根瘤菌（Bradyrhizobiumsp.）和芽孢桿菌（Bacillussp.）共接種顯著提高了豇豆根瘤中脯氨酸的含量，與此同時，還發現可溶性糖含量也顯著提高，通過這些相容性溶質含量的增加，提高了植物的滲透調節能力，從而加強了植物對鹽害的抵御能力［32］。

3 結論與展望

植物自身具有一定的耐鹽機制，然而在高鹽脅迫條件下，這些機制不足以充分地保護植物以維持正常的生長和發育。值得慶幸的是，在根際和根組織內棲息著豐富多樣的細菌，對植物的生長產生積極的影響。很多植物生長促生細菌對鹽分有很高的耐受性，然而，不同物種間的耐受梯度不同，未來還需仔細篩選高耐鹽性菌株，以確保在嚴重鹽漬化土壤中其仍能保持高活性，以幫助植物抵御逆境。總之，大量實驗證據表明，在不添加任何化學肥料的基礎之上，共接種植物生長促生細菌可顯著提高植物的生長和抗鹽性，說明共接種植物生長促生細菌將是可持續農業發展過程中一項重要的戰略措施。未來應著重開發研究植物生長促生細菌在田間簡便、有效的使用方法，以便于有益細菌在農業大田中的廣泛應用。