果樹根際微生物研究進展

周慧杰

塔里木大學 生命科學學院，新疆阿拉爾 843300

果樹根際微生物是生活在果樹根域微環境中，活動于根際土壤中的一類微生物群落，它包括細菌、真菌、放線菌、病原體及一些特異菌等，以細菌為主，其中革蘭氏陰性菌擁有相對優勢。土壤環境是果樹與微生物相互作用的場所。根際是土壤—微生物—植物間相互作用的重要界面，是養分或者有害物質從土壤進入植物的重要門戶和通道[1]。果樹根際微生態系統是以果樹—土壤—微生物及其環境條件為主要內容的微生態系統[2]。在果樹生長發育過程中，凋亡的根系及其脫落物（根毛、表皮細胞、根冠等）、分泌物是根際微生物重要的營養和能量來源；由于根系的穿插作用，使根際的水分狀況和通氣條件往往優于非根際土壤，從而形成有利于根際微生物生長繁殖的微環境。根際微生物與果樹之間可能存在共生或是寄生等關系。果樹根系分泌物影響微生物群落的同時，微生物及其代謝產物也作用于果樹，大多數微生物對果樹是無害的，一些微生物代謝產物還可以促進果樹生長，而果樹根際分泌物存在殺害或者抑制微生物生長的現象，也有一些土著性病原微生物會造成果樹病害，不利于果樹生長。果樹—微生物互作是一個十分復雜的關系網，兩者以土壤為媒介相互作用、相互影響。

1 果樹本體

果樹即果實可食用的樹木，是指能提供可供食用的果實、種子的多年生植物及其砧木的總稱。果樹產業是我國農村農業經濟收入的一項重要來源，對提高當地人民生活水平，促進當地農業經濟發展具有重要意義[3]。對于如何提質增效，已是果樹產業實現可持續發展亟待解決的問題[4]。就目前現狀而言，人們并不滿足于關于果樹本身的研究，大部分人都在研究果樹外部環境，如根域微環境、物候、生物脅迫等。關于果樹根際微生物的研究已成為當前的熱點問題，不同果樹對根際微生物的影響也不同，邵微等人通過研究8種不同落葉果樹的結果表明：不同果樹的種植能夠顯著影響根際微生物群落的代謝與功能多樣性指數，其中石榴、櫻桃及蘋果根際微生物群落代謝水平與功能多樣性指數均較高，而杏樹與桃樹則處于低水平[5]。其實，對果樹根際微生物最重要的影響因素主要是根系分泌物和果樹脫落物，其中根系分泌物最重要。

1.1 根系分泌物

果樹根系分泌物是果樹生長過程根系不同部位向土壤介質中分泌或釋放的一類有機物、高分子黏膠、氣體、離子、根細胞脫落物及其分解產物等物質的總稱，是果樹通過地下部分與環境之間進行物質、能量以及信息傳遞的重要媒介[6]。它是影響根際微生物群落分布和變化最重要的因素。不同果樹根際分泌物不同，蘋果幼苗的根系分泌物主要包含有機酸、乙二醇、酯和苯酚衍生物，桃根分泌物還包含酚酸和苯酚衍生物，棗的根分泌物不含任何酚酸[7]。但它們都會對根際微生物造成一定的影響，果樹的化感自毒作用物質也會影響微生物群落變化[8]。有研究表明：根系分泌物在植物誘導微生物繁殖建立共生防御機制時起到介導的作用，是根際對話的調控者，功能包括營養功能、促進植物營養吸收、保護功能等[9]。

1.2 果樹脫落物

果樹脫落物對根際微生物的影響不如根際分泌物強烈，但它也是影響根際微生物的一個重要因素，同時它會被根際微生物分解。果樹地上部分脫落物腐爛分解成有機質等進入根際土壤中則會對根際微生物造成一定影響，同時果樹脫落物所分泌的細胞代謝產物可能對根際微生物產生影響。例如，有研究表明：添加秸稈后玉米根際微生物對根系分泌物的同化作用減弱[10]。落葉松凋落葉覆蓋可增加土壤微生物的數量，且對真菌數量的增加最顯著、落葉松凋落葉水提液可增強土壤酶活性、提高有機質分解速率和土壤中相關營養元素的轉化效率[11]。果樹地下部分脫落物主要是根系代謝產生的，對根際微生物的影響大于地上脫落物。這都從側面說明了果樹脫落物對果樹根際微生物具有一定的影響。

2 根際微生物

果樹根際微生物分為有害微生物和有益微生物，有益菌往往促進果樹生長，有害菌則抑制果樹生長（如病原微生物等），但是它們都參與了生態系統的物質循環、能量流動等過程，對維持生態系統的穩定具有舉足輕重的作用。果樹根際微生物與果樹根系之間的關系主要表現為競爭、抗生、寄生、溶菌和誘導抗性等[12]。另外，根際線蟲會影響根際微生物[13]。果樹的生長、繁殖、代謝與根際微生物密切相關，利用根際微生物，提高果樹的生長量，增強果蔬的抗逆性和抗病性已引起研究者的高度重視，它們甚至會影響果樹的次生代謝、物候以及抑制病原微生物的入侵[14-15]。目前，深入研究根際微生物，通過篩選出根際有益菌，擴培接種于果樹，增強其抗逆性，或者篩選出有特異功能的新菌株應用于活性藥物制造等已經成為主流。相關研究表明：接種PGPR（從香蕉根際土壤分離篩選的植物根際促生菌）菌劑能顯著促進香蕉苗期植株生長，加強植株養分吸收，有效防控香蕉枯萎病[16]。一些菌根真菌還具有促進不定根形成和生長的功能。微生物菌根代謝產物球囊霉素（叢枝菌根真菌產生的一種含有金屬離子的耐熱糖蛋白）相關土壤蛋白的研究也備受重視[17-20]。這說明根際微生物對果樹的影響巨大。

3 根際土壤

果樹根際土壤是果樹和微生物進行互作的界面，是聯通果樹與根際微生物的重要橋梁。果樹根際土壤狀況, 在很大程度上影響果樹的生長發育和果實的產量與品質, 還與果樹的抗逆性和根系病蟲害的防治密切相關。根際微生物生活在根際范圍，主要包括細菌、真菌、放線菌、藻類、原生動物等，其種群組成和數量變化可反映土壤的質量和肥力水平[21]。土壤微生物、酶活性和土壤養分相互之間存在較為廣泛的相關關系[22]。有學者研究表明：土壤不同指標的根際效應間存在強烈的正相關關系，例如H+濃度的根際效應和土壤有機碳、總氮和微生物生物量等存在顯著的正相關關系，土壤酶活性也會影響根際微生物活性。陳汝[23]研究也表明：土壤微生物數量與土壤酶活性之間存在相關關系。

4 果樹根際微生物的研究方法

果樹根際微生物的研究方法已經不受傳統研究方法的限制，雖然傳統的培養方法是最基礎的實驗方法，但是傳統方法不僅費時費力，還會受到各種不確定因素的影響，想要快速、準確地篩選和鑒定果樹根際微生物，必須應用新技術。例如，高通量測序技、同位素示蹤技術、微生物定量分析等已成為新潮，目前這些技術已經廣泛被應用于根際微生物的研究中[24]。

4.1 高通量測序技術

高通量測序技術包括16 S rRNA基因測序、Ⅰ llumina MiSeq 高通量測序等，能一次性對幾十萬到幾百萬條DNA分子序列進行測序，目前已經得到廣泛應用。由于土壤微生物的多樣性和根際土壤的復雜性，傳統的微生物分析方法無法更深入地研究大多數微生物，高通量測序技術應運而生。新一代高通量測序技術的出現加速了根際微生物的研究，與傳統測序技術相比，它更加具有自動化、通量高、成本低等特點，能在整體水平上破譯原位復雜環境中土壤微生物群落的多樣性[25]。

4.2 同位素追蹤技術

同位素追蹤技術就是利用放射性同位素或富集的穩定核素作為示蹤劑（關于植物—微生物的研究常用13C、15N、18O等做標記底物），通過相關檢測研究其在植物、動物、微生物等中的流動、轉運、代謝等過程的新技術，目前已被廣泛運用于一些農作物與根際微生物關系的研究。有人通過同位素追蹤技術追蹤從植物到根際土壤的13C的運動，然后利用13C標記的DNA的高通量測序來表征真菌群落，發現長期施氮會改變小麥13C標記的根際真菌群落組成，但不會改變微生物多樣性，這就是同位素示蹤技術的應用實例[26]。

4.3 根際微生物定量分析

根際微生物的定量分析是以一些rRNA、質粒等為指標，研究確定微生物總量和個體微生物相對于植物宿主豐度的一種新技術，它常常聯合高通量測序技術共同使用[27]。高通量測序無法確定微生物總量和個體微生物相對于植物宿主豐度，而進一步分析根際微生物定量，便可達到此目的。

4.4 根際根箱法

根際根箱法用于根際微生物研究主要是利用厚度為1～2 mm 的聚乙烯根箱、塑料框或孔徑小于25 μm的尼龍網等控制土壤厚度，將土壤分割成很多土壤微區域，然后對各個微區域土壤進行破壞性取樣，以研究根際微生物狀況。該方法相比抖落法、土壤溶液法、根墊法和離子交換樹脂埋置法，它的應用更為廣泛，實際操作過程也不難[28]。但該方法所獲得的結果也并不是準確無誤的將含有根系的微區土壤作為根際土壤，無根系微區作為非根際土壤并不準確，實際上并非所有根箱中的土壤都會受到根系的顯著影響，可能既低估了根系對土壤的影響，也低估了根系對根際微生物的影響。而且植物吸收水分的同時，降低了根箱中土壤含水量，抑制了根際微生物的活動，這必然會影響根際微生物效應的測定。目前，使用最理想的方法還是高通量測序、同位素示蹤及微生物定量分析等方法。

5 未來展望

果樹—土壤—微生物三者相互作用，相互影響，對維持果樹產業發展，維持生態系統的穩定性等有著重要意義。土壤的性質、果樹的種類、年齡和生命活動等都會影響果樹根際微生物的生理代謝，從而影響其數量和種類；而根際微生物也對土壤的生物化學活性、養分的組成與轉化；果樹的生長發育、抗脅迫能力具有直接影響。植物—微生物互作研究是當前的熱點，關于果樹—土壤—微生物的相互作用關系的研究還需要進行更深一步的研究和探索。果樹根際微生物的研究方法還需要更加精細化和準確化。未來果樹產業的發展應該朝著栽培高效化、產量最大化、品質優質化等方向發展，不斷增強果樹的抗逆性，通過研究果樹根際微生物和根域微環境，可以找到適宜的種植方法。隨著人們物質生活水平的提升，將果樹作為居家觀賞植物已成為趨勢，這就要對果樹進行矮化和根域限制，而這一切與根際微生物的研究息息相關。另外，果樹根際微生物新菌株的篩選鑒定不容忽視，研究果樹根際微生物的同時，找到并篩選出新的菌株，并用于果樹抗性接種、微生物肥料調配和活性藥物制造等方面，這必將造福于人類社會。