根围促生细菌在植物根围定殖研究进展

根围促生细菌在植物根围定殖研究进展0 引言植物根围促生菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR），在国内外的商品化进程中之所以受到很大程度的控制主要在于其应用效果的不稳定（Sandra, 2002）。

生防的稳定性是影响生物防治效果的关键问题，多年来受到国内外学者的广泛关注。

一般来说生防稳定性受到诸多因子的影响，包括生防制剂本身、病原生物、寄主植物和环境因子。

在有益生防菌与宿主植物的相互作用过程中，生防菌必须在根内或根表组织上定殖生长才能对植物生长产生影响，大量的研究表明，接种至土壤的生防菌株能否在植物根围成功定殖对于其作用的发挥至关重要。

根围定殖能力一直被认为是生防的关键所在（Klopper, 1992; 郭坚华等,1996; Annouschka, 2003）。

因此研究生防菌株的根围定殖对于揭示其生防机制、提高菌株根围的适应性和增产具有十分重要的意义。

1 根围定殖的概念Kloepper 等人将带天然抗生素标记的植物根围促生菌（PGPR）菌株接种到马铃薯种薯块表面，然后再回收该菌株，这是首次使用根部定殖（Root Colonization）一词，其定殖量一般采用自根表回收到的引入菌株的种群数量来表示（Kloepper and Beauchamp, 1991），但是没有明确给根部定殖下定义。

随着根部定殖研究的发展，学术界普遍认为根部定殖是指一种外来引入菌株在植物根部定居并繁殖的主动过程，而不只是简单的引入菌株与植物根被动相遇的过程，应该包括引入菌株与根围土著微生物的相互竞争与适应，并在植株根部以促进植株健康生长的方式有效定居并繁殖。

目前普遍接受认可的定义为：根围定殖是指在有土著微生物存在的情况下，接种至种子或植物无性繁殖体表面部位的微生物在根部繁殖并持续其种群的能力（王海华等，2002）。

不少研究表明，微生物在植物根围的有效定殖，对根圈微生态及微生物-植物的互作产生较大的影响。

目前在根围定殖研究方面人们关注较多的是定殖机理及其对根围微生态的影响。

早在70年代中期，Bowen 和Rovira（1976）就提出了外来引入微生物，尤其是细菌在根部分布机制的四种可能方式，包括引入细菌自身的运动能力；植物根的生长对细菌的带动作用；沿根向下运动的水流（如灌溉水等）对于引入细菌分布至新的根段部位起着重要作用；植物根系内真菌菌丝上粘附的细菌会随着菌丝的伸长并通过菌丝的转运作用沿根分布，另外这些细菌在整个散布过程中也许还会受到来自其他微生物的竞争。

通过研究发现，植物的种类对其根围的微生物群落的影响较大，不但影响植物根表面的微生物种群密度，对群落的组成，即微生物的种类有较大的影响，同时植物的健康状况与其所在的微生物区系状况关系十分密切(Smith, 1999; Harsh,2004; 赵海新, 2009）。

2 影响微生物在植物根部定殖因素影响微生物定殖的因素有很多，但总的来说可以归纳为两大类：一类是生物学因素，包括微生物自身特性、接种数量、植物根系分泌物等生物学因素；一类是非生物学因素，包括土壤类型、土壤含水量和Ca2+等土壤理化性状。

2.1 引入细菌自身性状2.1.1 细菌细胞表面性质引入细菌细胞表面的性质对于根的吸收、对土壤中胶体的长久粘附以及与其他土著细微生物的识别十分重要。

早期就有研究指出，微生物与植物根凝集素（Agglutinin）的结合能力对粘附（Adhension）具有重要影响（Heijnen et al, 1993; Ben, 2001）。

研究证明，专化的识别作用促进了一些假单胞菌对菜豆根围定殖，其中根瘤菌（Rhizobium）、克利伯氏菌（Klebsiella）和肠杆菌（Enterbacter）的纤毛(Pili)对植物根的粘贴十分重要；荧光假单胞（Pseudomonas fluorescens） 2-79 对玉米根的粘贴频率大大超过无纤毛的细菌细胞（张炳欣和张平, 2000）。

2.1.2 细菌生长速率细菌的生长速率对其在植物根部定殖具有重要影响，对于筛选优良的生防菌株并有效预测其在根围的作用也具有重要意义（Bowen, 1991）。

但要精确测定引入细菌在植物根围的生长速度并非易事。

Christensen 和 Funck-Jensen（1989）曾采用-HTdr 参合技术（The TritiatedThymidine Incorporation Technique）测定了一株PGPR 菌株在甜菜根围的生长速率，结果表明其生长一代的时间约为106 h。

Sinclair 和Alexander（1989）在80 那年代曾提出，当细菌被原生动物捕食时，生长较慢的细菌种群数量下降较快，而生长速度较快的细菌种群数量下降不明显或较慢，这与细菌繁殖的补偿作用有关即也与其生长速度密切相关。

2.2 接种量影响细菌在根部定殖和根圈适应的因素很多，其中根围或种子表面初始接种量是一个重要的因素。

在一定范围内加大接种量可以增强细菌在植物根圈的定殖和竞争能力。

Jjemba 和Alexander （1999）选择了大豆慢生根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）UMR161、754，食酸丛毛单胞菌（Comamonas acidovorans），节杆菌（Arthrobacter sp.），热带根瘤菌（Rhizobium.tropici）CIAT889 等菌株，对其使用不同浓度接种后300h 内在大豆植株根围的定殖动态进行监测，结果发现以107 cells g-1 siol 接种后，在检测期间内植株根围的定殖量稳定且远高于以103 或105 cellsg-1 siol 接种后的定殖量。

2.3 植物根系分泌物对于在植物根围定殖细菌，基质的营养条件及分布是其分布的主要调节因子。

因为受到植物的作用，根围中营养成分的含量和种类远比根围外土壤中的丰富，因此引入细菌在根围上的分布区段与细菌对营养的要求关系密切，或者说与根不同部位渗出分泌物的不同有一定的关系(Nijhuis et al, 1993)。

目前普遍认同根围微生物的生存依赖于根渗出物或植物分泌物。

渗出物的类型和数量又是受环境条件影响的，运用遗传学进行育种增加植物新品种的同时改变了植物根渗出物的质和量（Smith et al, 1999; Thimmaraju, 2007）。

因此不同的作物、或同一作物不同品种（如抗病或感病品种），或同一品种不同生育期，根围微生物种群密度也会有较大的差异，可以说植物的育种工作也是对植物根围微生物区系的改变。

反之，植物根围微生物，尤其是有益微生物，它们能抑制病原物对植物的侵染，促进植物生长，对植物有利，如生防菌和根围促生菌（PGPR）。

可以说，植物和根围微生物的相互作用直接影响引入微生物在根围的定殖。

Smith等（2002）在用蜡质芽孢杆菌（Bacillus cereus）UW85 进行生物防治时，首次证实了有关植物与抑制病害的细菌相互作用的遗传学基础，即使是定殖在根围的PGPR 在促进植物生长时可能也是受植物影响的。

张晓霞等人（2003）在研究紫云英根瘤菌JS5A16 菌株在不同水稻品种根部的定殖动态时发现，不同水稻品种根部的定殖密度不同。

因此通过研究植物的基因型和微生物生态学，可以了解寄主植物与其根围微生物之间的关系，从而增加有益微生物在根围的密度，提高它们在根部的定殖能力。

2.4 土壤环境2.4.1 土壤质地不同的土壤类型，其土壤质地、肥沃程度、有机质含量等理化特性均不相同，引入细菌定殖和竞争能力也不同。

土壤质地既影响引入细菌的被动传送，也影响其在根部的定殖。

大量研究结果表明：细菌在质地较轻（粗）的土壤中的运动距离要比在质地较重（细）的土壤中大，其根部定殖的水平也要高。

与土壤质地有关的土壤容重（Bulk Density）对于根部的定殖也有重要影响（Lawrence et al, 1987; Heijnen et al, 1993）。

Rattray 等（1993）曾发现，小容重（0.82g/cm3）条件下，荧光假单胞（P. fluorescens）在小麦根部的定殖水平要比在大容重（1.00g/cm3）条件下的高，但要证实土壤质地对引入细菌在根部的定殖能力的确切影响并非易事。

因为土壤有关的其他一些因素也可能直接导致定殖的差异：土壤粘重、通气性差对细菌的存活和寄主生长都不利，另外土壤的肥力水平也是一个相关因素，在这方面的研究多集中在土壤氮、磷、钾水平的影响上。

2.4.2 土壤含水量土壤水分含量主要影响引入细菌在植株根部定殖的群体水平，而灌溉的方式主要影响细菌沿根的分布（Trotman & Weaver, 1995）。

当土壤水基质势较高时，水会充满土壤孔隙导致O2 不足，造成细菌缺氧；反之，当土壤中水分含量较低时，细菌的运动性、细胞的张力和养分的扩散性则会下降。

曹景勤(1999)研究发现土壤中水分含量的多少会对根瘤菌定殖存活产生很大的影响。

此外，土壤中的渗漏水对引入细菌的长距离传输也有重要作用。

2.4.3 土壤温度土壤温度对于引入细菌在植株根部定殖也有较大的影响。

一方面，土壤温度可以对植物的生长发育、根系分泌物的成分与质量造成影响，进而对引入细菌的根部定殖造成影响；另一方面，不同的温度会对引入细菌自身的生长繁殖与土著微生物的相互作用产生直接影响，最终影响引入细菌的有效定殖。

但温度对于根部定殖的影响十分复杂，Heijnen 等人（1993）认为较高的土壤温度（如22°C）有利于根部的定殖；而Beauchamp 等人（1993）则认为低温条件（如12-16°C）有利。

Gutterson 等（1990）发现荧光假单胞(P. fluorescens)的菌株Hv37在16℃或20℃时能在棉花根围有效定殖，但如果温度上升到24℃时，根围种群密度会下降100 倍。

不同菌株在根部定殖的最适温度也有很大差别，如铜绿假单胞（PseudomonasAeruginosa）7NSK2 在玉米根部定殖的最适温度为30°C，耐寒菌株荧光假单胞(PseudomonasFluorescens) ANP15 的最适温度则为18°C (Seong et al, 1990)。

2.4.4 土壤 pH 值在离体条件下，荧光假单胞菌（P. fluorescens）的最适pH 为中性或弱碱性，但是Howie等人研究发现荧光假单胞菌（P. fluorescens）2-27 在小麦根圈定殖的最适pH 为6-6.5，其原因可能是土著细菌在酸性土壤中的竞争力较弱。

另外，大量研究表明，土壤pH 可影响根瘤菌的存活与根瘤的形成；显著影响木霉对病害的抑制和根围定殖。