植物根際促生菌對藥用植物生長影響的研究進展

焦松林 綜述,歐陽湖,劉 浪,祝鉦洋,周東海 審校

(貴州省疾病預防控制中心,貴州 貴陽 550004)

藥用植物是我國重要的中藥資源,截至目前,我國記載的藥用植物資源已有1.3萬余種[1]。但近年來隨著野生藥用植物資源的過度開采,為緩解市場供需矛盾,人工種植逐漸演變成藥用植物生產的主流方式[2]。調查顯示,我國2020年中藥材種植總面積約有8 339.46萬畝,300余種常用中藥材實現人工種植[3]。然而,目前的人工種植往往依賴化肥和農藥的投入,這勢必會影響到藥材的質量和用藥安全,同時也會威脅到土壤資源和生態環境。因此,有必要去探尋一種可持續性的、高質量的藥用植物生產方式。

植物根際促生菌(PGPR)是一類定殖于植物根際的有益細菌,自1978年被首次報道以來,目前已有20余種屬PGPR從植物根際分離,包括假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、節桿菌屬(Arthrobacter)、固氮菌屬(Azotobacter)、克雷伯氏菌屬(Klebsiella)和伯克霍爾德氏菌屬(Burkholderia)等[4-5]。據報道,PGPR能通過多重促生效應改善藥用植物的生長發育,以降低生產中化肥和農藥長期施用引發的負面影響[4]。鑒于此,本文從PGPR對藥用植物的生長發育和抗逆能力影響方面進行了綜述。

1 PGPR對藥用植物的生長發育影響

1.1促生效應 藥用植物的生長狀況與其產量密切相關。PGPR可通過固氮、溶磷、解鉀、產鐵載體等方式分解土壤中被固定的養分,供藥用植物根系吸收利用,從而促進根系生長。如施用枯草芽孢桿菌、滋養節桿菌、根瘤菌和中華根瘤菌復合PGPR菌劑能提高土壤中氮、磷、鉀養分含量,促進黃芪生長[6]。圓褐固氮菌和惡臭假單胞菌能通過增強鴨嘴花根際土壤固氮酶和酸性磷酸酶活性以維持氮、磷供應,提高鴨嘴花根系生物量和干物質含量[7]。羅勒混合接種苜蓿中華根瘤菌Rm1021、枯草芽孢桿菌BS119m、根瘤菌USDA4438和熒光假單胞菌WCS417r能增強地上部磷、鐵、銅礦質養分累積[8]。PGPR也能通過調控植物激素水平或分泌某些代謝產物刺激藥用植物生長。姚陽陽等[9]研究發現,復合施用枯草芽孢桿菌5C1、解淀粉芽孢桿菌5C5和貝萊斯芽孢桿菌5C7可提高當歸內源茉莉酸、生長素、赤霉素和細胞分裂素水平,植株株高、主根長、單株鮮重等生物量顯著增加。SANTORO等[10]研究發現,熒光假單胞菌分泌的揮發性有機化合物能促進辣薄荷根系生長和單萜類產物合成。另外,PGPR還能通過誘導藥用植物自身系統抗性改善生長。SAHANDI等[11]研究發現,惡臭假單胞菌和成團泛菌能提高辣薄荷葉片過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶和多酚氧化酶活性來增強植株抗性,避免外界因子對植株生長侵害。HAM等[12]研究發現,假節桿菌NIBRBAC000502770能提高水楊梅植株抗菌活性和抗性產物(總酚、類黃酮)含量。RIAHI等[13]研究發現,施用嗜根性假單胞菌S211、鹽單胞菌G11和伊平屋橋大洋芽孢桿菌E9均能增強香葉天竺葵葉片總酚和類黃酮含量。此外,某些PGPR也能通過改變根際微生物群落種類和豐度,促進藥用植物生長。李娟等[14]研究發現,假節桿菌生物肥料HZ-24對黃芪根系的促生增產機理是通過改變黃芪根際微生物的菌落結構,使根際土壤細菌、放線菌數量增加及真菌數量減少。WEI等[15]分析了施用貝萊斯芽孢桿菌D2WM和ZJ-11的金線蓮根際微生物群落多樣性,結果發現,貝萊斯芽孢桿菌D2WM和ZJ-11能通過增強金線蓮根際固氮菌、擔子菌門和子囊菌門等有益微生物的豐度,提高土壤中礦質養分供應,同時降低黃色桿菌、青霉菌和卡氏枝孢瓶霉等病原體豐度,促使金線蓮植株生長和品質改善。

種子萌發是獲取高產量藥用植物的關鍵第1步。研究證實,PGPR對藥用植物的種子萌發具有促進作用。KANG等[16]研究發現,伯克霍爾德氏菌KCTC11096能顯著提高萵苣種子的萌發和生長能力。FATEMEH等[17]研究發現,圓褐固氮菌12、熒光假單胞菌169、枯草芽孢桿菌FzB24和生脂固氮螺菌OF對山楂種子發芽率、發芽速度和平均發芽時間均有顯著促進作用。李茜等[18]研究發現,與對照組比較,接種含ACC脫氨酶的假單胞菌F195的金鐵鎖種子發芽率、發芽勢、發芽指數、日平均發芽率和活力指數分別顯著提高了32%、49%、223%、32%和358%。

1.2藥效活性成分累積 藥效活性成分是藥用植物發揮藥理作用的關鍵因素,也是評價其質量優劣的首要指標。同一種屬藥用植物的根際PGPR能通過改善藥用植物的生長,間接促進其藥效活性成分的合成。CHAMKHI等[19]研究發現,藏紅花根際水生拉恩菌S11A1、S11P1和爭論產堿菌S12S4能顯著促進藏紅花植株生長,加速藏紅花柱頭中藏紅花素、藏紅花酸、苦藏花素和藏紅花醛含量累積。JAGTAP等[20]研究發現,姜黃根際嗜線蟲沙雷氏菌RGK和變形假單胞菌RGK能通過促進姜黃根莖生長增強根莖中姜黃素、4-羥基-2-甲基苯乙酮、2,4-二叔丁基酚、aR-姜黃酮和(Z)-γ-亞特蘭大酮等化合物累積。PRAKASH等[21]研究發現,相比未接種處理,接種根際沙福芽孢桿菌NAIMCC-B-02323 STJP的甜葉菊類黃酮、碳水化合物和甜菊糖苷含量分別顯著提高86.99%、103.84%和120.62%。

不同種屬藥用植物間的根際PGPR也能促進藥效活性成分合成。黃靖等[22]研究發現,施用番茄根際解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌能促進金線蓮皂苷和黃酮(槲皮素、山柰酚、異鼠李素)含量累積。楊雪等[23]研究發現,白刺根際解淀粉芽孢桿菌DGL1能誘導燕麥植株CSLH和glgc基因表達,加速燕麥多糖合成。

2 PGPR對藥用植物的抗逆能力研究

2.1干旱 藥用植物在干旱環境會引發滲透失衡,并誘導胞內活性氧含量累積,嚴重阻礙藥用植物生長。PGPR能通過調節滲透、激活植物激素通路、增強光合作用、提升抗氧化酶活性和抗性產物含量等機制,減輕干旱對藥用植物生長的影響。CHIAPPERO等[24]研究發現,在干旱環境施用熒光假單胞菌WCS417r和解淀粉芽孢桿菌GB03能提高辣薄荷幼苗POD、超氧化物歧化酶(SOD)活性和總酚含量,降低丙二醛(MDA)水平,有效減輕干旱對幼苗的負面效應。ASGHARI等[25]研究發現,唇萼薄荷幼苗在干旱脅迫下施用圓褐固氮菌和巴西固氮螺菌,能提高植株DPPH自由基清除活性和酚類、類黃酮及含氧單萜含量,降低MDA水平。ASLANI等[26]研究發現,藥用鼠尾草在干旱脅迫下接種印度梨形孢和熒光假單胞菌,能提高葉片葉綠素相對含量,促進葉片單帖類化合物合成。YUE等[27]研究發現,施用解淀粉芽孢桿菌FZB42能通過促進甘草根系脯氨酸和蔗糖累積,改善滲透平衡,并激活內源茉莉酸通路,減輕甘草產量和藥理代謝損失。

PGPR還能提高藥用植物應對低溫脅迫的抗逆性。KUMAR等[28]研究發現,胡黃連在低溫脅迫下接種沙雷氏菌PKL：12能誘導與冷脅迫基因編碼蛋白(冷休克蛋白、分子伴侶蛋白和伴侶蛋白)、生長素和鐵載體生物合成基因編碼蛋白及磷酸鹽溶解基因編碼蛋白的表達。

2.2重金屬 重金屬污染是影響藥用植物藥材品質和綠色出口的重要限制因素。PGPR可通過根系生長,減少氧化應激,緩解重金屬脅迫,提高藥用植物重金屬耐受性。趙晶晶等[29]研究發現,外源施用PGPR復合菌肥能降低滇重樓根莖砷、銅、鉛和鎘重金屬元素累積,提高根莖藥用價值。SONI等[30]研究發現,對葫蘆巴接種微桿菌-SURC140能有效減輕鉻(Ⅵ)脅迫,且植株株高、根長和根干重分別比未接種處理組提高了86%、92%和74%。WEI等[31]研究發現,單獨施用解淀粉芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和牛放線菌均能顯著抑制丹參根系對鎘的吸收,提高根系總丹參酮含量。KANG等[32]研究發現,在重金屬鋁的處理下,接種根瘤菌DCY116T能提高人參幼苗脯氨酸、酚類和糖類含量,并誘導PgCAT、PgAPX和PgP5CS活性氧清除基因表達增強,從而提高植物的抗逆性。

2.3連作障礙 連作障礙會導致土壤微生態結構失調,誘發植物化感作用現象發生,致使藥用植物生長發育受阻,病蟲害發生加劇,藥材產量和品質降低。研究表明,PGPR能有效改善連作根際土壤的理化性質和微生態環境失衡。吳紅淼等[33]研究發現,施用假單胞菌屬、芽孢桿菌屬微生物菌肥能增強太子參根際土壤中有益假單胞菌屬豐度,減少致病尖孢鐮刀菌豐度,緩解太子參的連作障礙,增加重茬太子參多糖、環肽B和總氨基酸含量。位小丫等[34]研究發現,施用枯草芽孢桿菌、伯克霍爾德氏菌能提高連作太子參根際土壤pH值和速效氮含量,并促使重茬根際土壤微生物群落結構和功能多樣性朝正茬根圍微生態方向演變,縮小重茬與正茬根際土壤中病原真菌與有益真菌豐度比例差異,提高重茬太子參產量。冀玉良等[35]研究發現,施用枯草芽孢桿菌PS-8能顯著提高連作桔梗根際土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性,減少尖孢鐮刀菌數量。

2.4鹽分 PGPR能有效緩解土壤鹽分對藥用植物誘發的滲透脅迫和離子失衡,提升藥用植物耐鹽性。XIONG等[36]研究發現,施用彎曲芽孢桿菌KLBMP4941能促進補血草植株葉綠素累積,提高POD、CAT、SOD活性及脯氨酸和類黃酮含量,并調節Na+/K+穩態增強植株應對鹽脅迫的耐受性。HAN等[37]對鹽脅迫下黨參施用解淀粉芽孢桿菌GB03時發現,解淀粉芽孢桿菌GB03能提高黨參光合作用,降低葉片滲透電位和抑制膜脂過氧化反應的發生。

2.5生物防治 藥用植物在生長發育過程中時常遭受來自病原菌的侵害,PGPR作為一類生防菌,能通過誘導系統抗性、拮抗作用、營養和生態位點競爭等途徑抑制病原菌生長。如芽孢桿菌R57能防治腐皮鐮刀菌和銳頂鐮刀菌對黃芪根的感染[38]。多粘類芽孢桿菌CF05能通過增強鐵皮石斛植株抗性抑制細菌性葉斑病病原細菌(萎蔫短小桿菌)生長[39]。解淀粉芽孢桿菌FZB42能有效抑制當歸根腐病的發生,降低根際鐮刀菌、赤霉菌、柱孢屬真菌和的相對豐度[40]。有研究發現,解淀粉芽孢桿菌HK34和多粘類芽孢桿菌GBR-1能分別拮抗惡疫霉菌和銹腐病菌對人參的感染[41-42]。李海云等[43]研究發現,紅三葉根際副假單胞菌能通過分泌嗜鐵素增強對鐵養分競爭,繼而抑制立枯絲核菌生長。

3 小結與展望

PGPR作為一類根際有益細菌,對藥用植物的生長發育兼備促生和抵御外環境因子侵襲兩重有益效應,能較大程度化解化肥與農藥過量施用引發的負面影響。然而,PGPR應用于藥用植物的實際生產還存在一定局限,具體表現在：(1)PGPR環境適應性差,菌株定植能力弱。PGPR在實際生產中的定植效果易受到土壤環境、藥用植物根際分泌產物及病原微生物拮抗競爭等多重環境因子影響,致使其促生效應的發揮不穩定。(2)PGPR菌肥時效性短,多數菌劑僅對某一段時期內的藥用植物生長具有顯著促進作用。(3)PGPR菌肥生產要求多,且針對不同的藥用植物還需制備專業菌肥。因此,如何研制具有高適應性、高定植和高效應的PGPR菌肥有望成為今后實現藥用植物可持續性和高質量發展的重要方向。