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微生物源的植物生长促进剂研究新进展

来源:尊龙d88环保 作者:Admin 日期:2014-11-11 浏览:

导读:在农业生产过程中,化学肥料和农药不合理大量使用造成土壤结构的破坏,肥力下降,农作物品质降低。而微生物源的植物生长促进剂能促进植物生长发育,促进土壤良好结构的形成,增加植物和土壤中微生物种类的多样性且对环境无污染,无疑这类微生物制剂在农业上的应用是维护农田生态平衡、改善农业生态系统、实现农业可持续发展的有效手段。   一、微生物制剂的分类   当前,促进植物生长的微生物制剂种类较多,也没有一个统一的分类标准。按照剂型、微生物种类、制剂组成等标准就有不同的分类。尊龙d88根据微生物制剂作用于植物体的范围来...

  在农业生产过程中,化学肥料和农药不合理大量使用造成土壤结构的破坏,肥力下降,农作物品质降低。而微生物源的植物生长促进剂能促进植物生长发育,促进土壤良好结构的形成,增加植物和土壤中微生物种类的多样性且对环境无污染,无疑这类微生物制剂在农业上的应用是维护农田生态平衡、改善农业生态系统、实现农业可持续发展的有效手段。

  一、微生物制剂的分类

  当前,促进植物生长的微生物制剂种类较多,也没有一个统一的分类标准。按照剂型、微生物种类、制剂组成等标准就有不同的分类。尊龙d88根据微生物制剂作用于植物体的范围来划分,可将其分为三大类:一类属于土壤微生物的范畴(与植物体没有直接作用),如解磷、解钾细菌;第二类属于根际微生物范畴(与植物根系相互作用),如根瘤菌、联合固氮菌、PGPR、AM菌根等;另一类属于植物体自然生态系统范畴,是内生共生菌(intergrowthendophyte),包括内生细菌与内生真菌。

  当然,上述分类也不是绝对的,如某些内生真菌偶尔也可由植物地上部分组织转移定植在根部,但与菌根真菌有区别,因为内生真菌的菌丝不会伸展到根系外部。对于这三大类微生物制剂促进植物生长的机制都不一样,尤其是植物、内生菌的相互作用(plant-microbe interactions)研究甚少,且不深入,下面就以上三大类微生物制剂的作用机制加以综述。

  二、作用机制概述

  1. 有关第一类的解磷、解钾细菌等微生物制剂已研究较深入,应用也较早。提高土壤中K、P的有效性,使植物体更加有利吸收是促进植物生长、增加其产量的关键因素,磷细菌、钾细菌就能有效地转化土壤中难溶的P、K,使有机磷、钾转化为植物能利用的无机磷、钾。目前认为,微生物的解磷机制是由于微生物能分泌各类有机酸(柠檬酸、乳酸、甲酸、乙酸等),降低土壤PH值,使难溶性磷酸盐降解为无机磷,同时可与Fe、Al、Ca等离子结合,从而使磷酸盐溶解;钾细菌能对土壤中云母、长石、磷灰石等含磷、钾的矿物进行分解。释放更多的有效P、K。此外,人为在土壤中接种磷细菌、钾细菌,使之成为优势菌群,抑制或减少病原微生物的繁殖机会。这方面已有类似综述。

  2. 第二类的根瘤菌、联合固氮菌、PGPR、菌根真菌(如AM菌根)研究也较多。目前对于根瘤形成的早期过程、阶段,根瘤的结构功能,结瘤基因nod,固氮基因nif、 fix的结构功能、调节均研究较清楚。已查明nif固氮基因有10个,fix固氮基因已达16个。同时研究还发现吸氢酶基因、胞外多糖基因和脂多糖基因与共生固氮作用有关。近年来对于根瘤菌与非豆科植物的相互关系也取得一定进展,钟增涛报道,在有根瘤菌接种的小麦与紫云英的混作体系中,植株生长得到促进,植株及土壤的全氮均有增加。王逸群报道,将标记基因nifA-lacZ、nifHDK-lacZ,hemA-lacZ通过三亲交配导入根瘤菌,再接种水稻,表明在水稻根的细胞间隙和细胞中有根瘤菌的存在。

  与根瘤菌的共生固氮不同,联合固氮菌的宿主范围较广泛,如水稻、小麦、玉米等植物的根际,除了固氮,还具有分泌植物激素、维生素、抑制植物乙烯合成等诸多生物学特性。但它大多集中在根表,不形成类似根瘤的共生结构,其固氮活性受到外界环境因子影响很大。近10年来对于联合固氮菌相关基因的结构功能和表达调控,重组固氮菌的构建以及田间应用都取得重要进展。如叶志华报道:将几丁质酶基因(chiA)克隆到表达载体PKK223-3和质粒PMC71A上,再将质粒转化稻根联合固氮菌E26和NG13中,chiA基因高效表达,使宿主植物在抗病原真菌过程中起重要作用,间接促进植物生长。

  PGPR即植物根际促长细菌(plant growth-promoting rhizobacteria)。目前对于PGPR的定义有不同观点,一般认为PGPR指根圈内存在某些能促进植物生长的细菌,而另一种观点认为PGPR是指自由生活在土壤或附生于植物根际、茎、叶的促进植物生长的有益菌类,包括细菌、蓝细菌。PGPR主要是通过抗生作用抑制植物病原菌和分泌植物激素,间接或直接促进植物生长。关于这方面的研究已有很多报道。

  菌根真菌在农业上也得到了大面积推广,其中应用最广的是丛枝菌根(AM菌根)。菌根即由植物根系与真菌形成的共生体。最近几年对菌根真菌的研究主要集中在以下5个方面。

  (一)菌根真菌与植物矿质营养

  大量文献已经表明,菌根真菌能改善植物的磷营养,提高N肥的利用率,而且促进植物对微量元素的吸收。王曙光报道,接种VA菌根的茶苗更有利于吸收P、Ca、Mg,且茶苗根际的酸性磷酸酶活性高于CK。Hammad.R报道,在盐胁迫和非盐胁迫环境下,接种AMF(Arbusccular Mrcorhizal Fungi)均促进番茄对P、K、Zn、Cu、Fe的吸收。

  (二)植物根间菌丝桥的物质传递功能及其生态学意义

  菌根真菌与植物的互惠共生决定了菌丝必须依靠植物光合产物维持生长,同时它也吸收土壤中的水分和养分,供给植物。所以菌丝桥就成为植物间进行物质循环交流的渠道。由于菌丝桥在养分传递中的重要作用,植物群落中植物体间的相互作用变的较复杂,菌丝桥对于群落的组分、结构、稳定性、多样性都会产生一定影响。

  (三)研究菌根真菌与土壤微生物的相互作用

  涉及与根瘤菌、联合固氮菌、解磷细菌的相互作用。M.Marvazquez报道AMF与三种微生物接种剂固氮螺菌属(Azospirillum)、假单胞菌属(Pseudomonas)、木霉属(Trichoderma)的相互作用以及对玉米根际细菌种群、土壤酶活性的影响,结果表明该三种接种剂对AMF的定植不会产生负面影响,而且玉米根际的脂酶、磷酸酶、海藻糖酶、几丁质酶的活性均有显著提高。邢礼军报道了VA真菌与解磷细菌的协同作用,增强植物对磷的利用率。

  (四)菌根真菌的生态学研究

  最新研究结果表明,AMF已经进化到包含多个基因组(multiple genomes),AMF与植物通过菌丝桥相互结合,那些不同的基因组潜在地围绕菌丝桥活动,所以非常有必要研究AMF的种群生态学和遗传学,以进一步弄清它们与植物是如何协同进化的。Vander heijden在Nature上发表文章,表明AMF的多样性决定了植物的生物多样性、生态系统的变异性以及宏观系统的生产力。总之,菌根真菌与植物间的相互作用在植物个体、植物群落、植物生态系统不同层次均有表现。

  (五)菌根真菌提高植物的抗逆性

  主要包括耐盐、耐旱、耐金属离子毒害。

  3. 内生菌与植物间的相互作用。这就是植物微生态学的内容,即研究生物个体内、细胞壁外的微生态环境及其生物之间的相互作用,这是一个非常有意义、非常广阔又急待研究开拓的新领域。关于内生菌的定义较为混乱,学术界有很多争论。一般认为,内生菌指在其生活史的绝大部分阶段定植在健康植物的根、茎、叶的细胞间隙,形成不明显感染症状的一类微生物,通常存在于植物地上部分组织,主要包括内生细菌和内生真菌,也有一部分是卵菌、放线菌。

  目前,大多数研究主要集中在内生菌对植物生理特性的影响,主要表现在促进植物分蘖、增加叶绿素含量、提高生物量等,如K.groppe等研究了雀麦生香柱菌(Epichloe bromicola)与直立雀麦(Bromus erectus)的相互作用,包括内生真菌感染的浓度以及外界环境因子对植物生长和开花的影响,用数量PCR技术来评估内生真菌的浓度,结果显示:植物的营养势与内生真菌感染的浓度直接相关,在高浓度下,能促进植物的叶片长度、分蘖数以及地上部分生物量。而且在提高外界环境CO2的浓度时,对内生真菌的繁殖更加有利。南志标也报道,感染内生真菌的布顿大麦草的总生物量、根干重、分蘖数均比对照组有显著增加。此外,YuXM.等建立了金钱莲与内生真菌的共培养系统,研究它们之间的相互关系。但对上述报道的深层次的机理探讨极少。现加以概述。

  (一)内生菌的生物固氮作用(主要是内生细菌)

  固氮内生菌主要包括兼性固氮细菌和专性固氮细菌,前者在根表、根内都表现出活跃的生存状态,而后者只能在植物组织内部定植,在质外体空间表现生理活性,在土壤中难以存活。内生菌固氮作用的发现无疑为豆科植物的共生固氮提供了一条新思路。LaurenD.B.报道,通过GUS报告基因检测到了内生菌-塞鲁普蒂卡草螺菌(Herbaspirium Seropedicae)在禾本科植物根、茎、叶均表达nif基因。

  (二)提高植物对土壤N、P、K的吸收

  有研究表明,对益微(主要指内生共生芽孢杆菌)处理种子后,对棉花的不同生育期测定,土壤中速效N、P、K均有所提高。同时土壤中碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性均增强,至于机理尚不清楚。J.R.Barrow的研究结果也显示,内生真菌能使盐生灌木有效利用不溶性磷,同时增加根与茎的生物量。Lyons等人发现感染内生真菌的植株的谷氨酸胺合成酶(GS)活性显著提高,该酶是氨同化过程中重要的酶,可以提高植物对土壤N的利用率。Alejandro等人已经将GS酶纯化。最近尊龙d88的一项研究表明,发现接种B3菌株的水稻叶片的叶绿素含量要高于对照组,推测可能与上述因素有关。

  (三)激素作用

  很多文献报道内生菌能分泌植物激素对植物生长起调节作用,如IAA、乙烯、CTK、GA等。如假单胞菌属(Pseudomonas)、肠杆菌属(Enterobacter)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、固氮菌属(Azobacter)和固氮螺菌属(Azospirillum)。尊龙d88最近一项研究也表明,从大戟科植物中筛选到一株B3菌株,经研究分析,确实能分泌IAA和ABA。


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