磷细菌研究进展

收稿日期:20080320
基金项目:黑龙江省普通高等学校骨干教师创新能力资助计划(1055G 063);齐齐哈尔市农业攻关及推广计划项目(N G 06-44)作者简介:王　鹏(1982),男,河南安阳人,在读硕士研究生,研究方向:生物资源。

通讯作者:孙剑秋(1969),男,黑龙江德都人,副教授,博士(后),硕士生导师,主要从事微生物资源与生态学方面的研究。

磷细菌研究进展
王　鹏,孙剑秋3,臧　威,蒋本庆,王登宇,李　铁
(齐齐哈尔大学生命科学与工程学院,黑龙江齐齐哈尔161006)
摘要:综述了土壤中磷细菌的种类、数量、生态分布规律及其磷细菌解磷能力研究方法和解磷机
制,论述了磷细菌在农业生产中应用的价值和潜力,提出了磷细菌研究的未来发展方向。

关键词:磷细菌;生态分布;解磷能力;解磷机制中图分类号:S182 文献标识码:A 文章编号:10043268(2008)09000505 磷是植物生长所必需的矿质元素,也是土壤液相中溶解度较小的矿质元素。

在我国,耕作土壤缺磷面积约占总耕地面积的2/3[1]。

一般农田土壤中全磷含量很高,但是有效磷含量很低[2]。

大部分磷呈有机或无机磷化物状态存在,而且施入的水溶性磷肥很快转化为无效状态,不能被作物直接利用[3]。

磷细菌在土壤矿物质形式的磷素转化过程中发挥着重要作用,与磷的转化、贮存与供应直接相关[4]。

细菌解磷作用的发现已经有100余年的历史[5],随着研究手段的提高,人们对磷细菌已经有了更深入的了解[6]。

土壤中磷细菌分布的根际效应明显[7],具有活化难溶性磷的作用和促进作物生长的效果[3],能够改善土壤环境,使土壤中有效磷含量提高[8],磷细菌的研究与应用对于农业生产具有重大的理论和实践意义[9,10]。

为此,总结了磷细菌的生态分布规律与解磷能力研究方法,探讨了磷细菌的解磷机制与应用价值,提出了磷细菌研究的未来发展方向,旨在为今后的研究工作提供参考。

1　磷细菌的种类、数量及分布1.1　磷细菌的种类
对土壤中含磷化合物具有分解能力的细菌统称为磷细菌(p ho sp hobacteria ),分为有机磷细菌(解磷菌)和无机磷细菌(溶磷菌)两大类[1]。

人们把能够将土壤中的核酸、磷脂和植素等含磷有机物分解为可溶性无机磷的细菌称为有机磷细菌;能够将土壤中的Ca HPO 4,Ca (H 2PO 4)2和Ca 3(PO 4)2等简单
的磷酸盐或结构复杂的磷灰石等植物难以吸收的无机磷酸盐转化为可溶性无机磷的细菌,称为无机磷细菌[1]。

当然,某些细菌不仅可以溶解无机磷,也能分解有机磷,二者之间并无严格的界定。

细菌中解磷能力比较强的主要为芽孢杆菌
(B acill us )和假单胞菌(Pseu domonas )[2,4]。

已经报
道的芽孢杆菌包括蜡状芽孢杆菌(B.cereus )、环状芽孢杆菌(B.ci rcul ans )、坚强芽孢杆菌(B.f i r 2
m us )、地衣芽孢杆菌(B.licheni f ormis )、巨大芽孢
杆菌(B.megateri um )、B.mesent ricus 、蕈状芽孢杆菌(B.m ycoi des )、短小芽孢杆菌(B.p umilis )、枯草芽孢杆菌(B.subtilis )、栗褐芽孢杆菌(B.badi us )等;假单胞菌包括沟槽假单胞菌(P.st ri at a )、青紫葛假单胞菌(P.cissicol a )、荧光假单胞菌(P.f l uo 2
rescens )、P.pi nop hill um 、恶臭假单胞菌(P.p uti 2da )、丁香假单胞菌(P.s y ri n gae )、施氏假单胞菌(P.st utz eri )、产碱假单胞菌(P.alcali genes )、铜绿
假单胞菌(P.aeru gi nosa )等。

磷细菌在土壤中分布广泛,除芽孢杆菌和假单胞菌外,变形菌属(Proteus )、沙雷氏菌属(S erra 2
ti a )、固氮菌属(A z otobacter )、欧文氏菌属(Erw i n 2i a )、黄单孢菌属(X ant homonas )、产碱菌属(A lcali 2genes )、棒杆菌属(Cory nebacteri um )、微球菌属(M icrococcus )、微杆菌属(M icrobacteri um )、节杆菌
属(A rt hrobacter )、沙门氏菌属(S al monell a )、葡萄球菌属(S t a p hy lococcus )、黄杆菌属(Fl avobacteri 2
um )、埃希氏菌属(Escherichi a )、变形菌属(Pro 2
teus)、色杆菌属(Chromobacteri um)、硫杆菌属(T hiobacill us)、无色杆菌属(A chromobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、泛生菌属(Pantoea)、短芽孢杆菌属(B revibacill us)、希瓦氏菌属(S hew anell a)、类芽孢杆菌属(Paenibacill us)中的一些种类也具有解磷能力[4,11～15]。

由于磷细菌与自然界物质循环和农业生产关系密切,因此,有关磷细菌资源与生态研究受到普遍关注。

近年来,Pseu domonas rhi z os p ha2 erae,P.l utea,M icrobacteri um ul mi等新的磷细菌不断被发现[2,16,17]。

1.2　磷细菌的数量及分布
磷细菌在土壤中的数量及分布受土壤物理结构、有机质含量、土壤类型、土壤肥力、耕作方式和措施等因素的影响[3]
我国干旱地区土壤中磷细菌数量差异比较大,黑钙土磷细菌含量最多可以达到4.89×107cf u/g,但种群结构简单,黄棕壤中磷细菌数量为2.04×104cf u/g,白土中磷细菌数量只有1.68×104 cf u/g[18]。

林启美等[13]通过分析农田、林地、草地和菜地4种生态系统土壤中有机磷细菌和无机磷细菌的数量发现,有机磷细菌数量明显多于无机磷细菌,草地土壤中两类磷细菌数量差异达1个数量级。

无论是有机磷细菌还是无机磷细菌,都以菜地土壤最多,分别为5.9×106个/g和4.7×106个/g,而农田土壤中磷细菌最少,只有菜地土壤的1/10。

林地土壤尽管有机质质量分数很高,但是磷细菌数量并不多[13]。

Ponmurugan和G opi[19]报道,不同作物根际土壤中解磷菌的数量不同,落花生根际磷细菌为14.90×105个/g,磷细菌数量较少的鸭脚稗根际每克干土中也达到7.33×105个。

不同土壤中磷细菌的分布规律不同,大部分磷细菌出现在植物根际土壤中[20]。

赵小蓉等[21]发现,磷细菌的分布表现出强烈的根际效应,即根际土壤磷细菌数量比非根际多,但是磷细菌在根际细菌中并不占优势。

Babana和Anto un[22]发现,在4种不同性质的土壤中,3种小麦根际磷细菌的分布都明显表现出根际效应,而且不同作物根际分布的磷细菌种群结构也有差异。

于翠等[11]发现,大青叶在不同生育时期、根际与非根际相比较,磷细菌种类与数量不同,主要以芽孢杆菌属为主,但是新梢停长期根际磷细菌种类比其他生长时期更复杂,类群更丰富,共分离到6个菌属。

赵小蓉等[21]认为,无论是无机磷细菌还是有机磷细菌,小麦根际都比非根际土壤中磷细菌种群结构复杂,优势种群也更加明显,根际土壤有机磷细菌比无机磷细菌要多3倍。

赵小蓉等[21]在小麦根际土壤中发现,有机磷细菌和无机磷细菌有4个属;非根际土壤中有机磷细菌和无机磷细菌只有2个属。

Paul和Sundara[23]研究豆科植物根际磷细菌后发现,芽孢杆菌属占优势。

Molla和Chowdhury[24]研究了黑麦草及小麦根际与非根际土壤中的磷细菌,发现芽孢杆菌属、变形菌属、沙雷氏菌属、假单胞菌属和微球菌属比较常见。

Reyes等[25]研究了委内瑞拉地区解磷菌的分布规律,发现含有矿石的土壤比不含矿石的土壤中磷细菌的数量要高出14个百分点,约占土壤中细菌总数的19%,主要为固氮菌属。

2　磷细菌解磷能力的研究方法
分离磷细菌的方法一般是根据以有机磷(卵磷脂)或无机磷(磷酸三钙)为唯一磷源的细菌平板上产生清晰的透明圈来确定,但是这种方法并不可靠,许多不产生透明圈的菌株在液体培养时也能表现出较高的解磷能力[3,26]。

Reyes等[25]发现,同一株磷细菌在利用不同的碳源时在平板上形成的透明圈直径不同,也说明通过固体培养基培养的结果判定磷细菌的解磷能力具有局限性。

尽管存在这些问题,但目前平板分离的方法仍然是大量筛选土壤中磷细菌的重要手段[8,10]。

研究磷细菌解磷能力主要有3种方法。

(1)与分离磷细菌方法相同,将磷细菌在含有磷酸盐的培养基上培养后,测定菌落周围形成清晰透明圈的大小,根据透明圈与菌落直径的比值,对细菌的解磷能力进行初步判定[10,27]。

(2)对磷细菌进行液体培养,测定培养液中可溶性磷的含量变化。

尹瑞玲[18]将磷细菌培养液过滤,直接测定滤液中的磷含量;梁绍芬等[28]通过离心来除去培养液中的细菌细胞,然后测定上清液中的磷含量;也有人在磷细菌培养液中加入0.1mol/L HCl并振荡过滤后进行测定[29],但是这些测定结果都不包括细菌生长过程中保存在细胞中的磷元素,可能低估细菌的解磷能力。

Pérez 等[10]在研究磷细菌的解磷能力时发现,估算解磷速率必须考虑菌体内磷元素的存在。

(3)采用土培或砂培法,通过测定有效磷含量的变化,判断细菌的解磷能力。

赵小蓉等[30]对磷细菌进行砂培后,将培养物用氯仿熏蒸或浓硫酸消煮,通过钼锑抗比色法测定磷含量,这种解磷能力研究方法考虑到细菌生长
繁殖过程中对磷的吸收和同化作用,能够比较正确地反映细菌的解磷能力。

3　磷细菌的解磷机制
3.1　有机磷细菌的解磷机制
土壤中有机磷不能被植物直接吸收利用,有机磷细菌在生长过程中可以产生各种酶类,如核酸酶、磷酸酯酶、植酸酶等分泌到细胞外,从而使土壤中有机磷被分解、矿化,起到解磷作用[31]。

郑传进等[32]认为,巨大芽孢杆菌分解卵磷脂等有机磷是在酶的作用下完成的,可溶性磷的产生明显不是酸的作用,因为反应液的p H比对照还高。

另外,有机磷细菌能够将一部分有机磷吸收利用并转化为细胞成分,当细胞死亡后可以转化为土壤中的有效磷。

Pon2 murugan和G opi[19]从不同土壤中分离的10株磷细菌都能够产生磷酸酯酶,但是不同菌株产生磷酸酯酶的能力不同,而且含磷化合物的分解与磷酸酯酶活性明显呈正相关。

3.2　无机磷细菌的溶磷机制
无机磷细菌的溶磷机制比较复杂,细菌生长过程中形成酸性环境对于无机磷的分解具有重要意义。

主要包括以下几个方面:(1)无机磷细菌可以产生一些有机酸,如乳酸、氨基乙酸、草酸、延胡索酸、琥珀酸、2-葡萄糖酮酸和柠檬酸等[33,34],这些有机酸类物质能够与铁、铝、钙、镁等离子结合,或生成沉淀反应,或发生络合反应,或发生鳌合反应,使磷酸盐中的磷酸根释放出来,有机酸的形成对于难溶性无机磷酸盐的转化具有重要作用[35]。

Pérez等[10]认为,产酸是磷细菌溶磷的主要原因,利用PCR技术检测编码产葡萄糖酸的基因g d h和pqq E,12株磷细菌中有7株含有pqq E基因、3株含有g d h基因。

Lin等[36]在研究B urk hol deri a ce p aci a CC-A 174溶磷机制过程中发现,当有效磷从0升至160μg/mL时,培养基的p H从8降到3,可以看出,产酸与细菌溶磷作用密切相关。

(2)无机磷细菌在代谢过程中产生的质子使土壤p H值下降,或者与土壤中难溶性磷酸盐中的铁、铝、钙、镁等发生离子交换;无机磷细菌通过呼吸作用放出CO2,使环境p H降低,可以引起难溶性磷酸盐的溶解。

朱培淼等[8]发现,培养液p H与磷细菌的解磷能力之间有很高的相关性。

Chen等[20]发现,培养基p H和溶磷量之间呈显著的负相关,溶磷菌代谢物中存在柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、琥珀酸等。

(3)无机磷细菌分解植物残体等产生胡敏酸和富里酸,它们可以与复合磷酸盐中的钙、铁和铝鳌合,使磷酸盐释放出来;也能与铁、铝及磷酸盐形成稳定的可溶性复合物被植物吸收利用[37]。

4　磷细菌在农业生产中的应用价值
4.1　促进作物对磷的吸收
磷细菌的解磷作用为作物生长提供了较多的磷元素,对于缺磷土壤具有非常重要的意义。

Belimov 等[38]发现,磷细菌与固氮菌单一接种或混合接种都能够提高大麦产量,二者交互作用可以为作物提供比较平衡的营养并改善作物根系对N,P的吸收。

Chabot等[39]报道玉米和莴苣接种具有解磷能力的根瘤菌(R hiz ibi um leg umi nosarum var.p haseoli),可以使2种作物磷吸收量分别增加8%和6%,其解磷作用是中、低肥力土壤作物增产的重要原因。

Sudhansu[40]从60份土样中分离到1株磷细菌,发现它用在荞麦、苋菜和玉米等作物上均能促进作物对磷的吸收、提高作物产量和品质。

在生产中无机磷细菌和有机磷细菌同时施用要比单一菌肥效果更好[41],因为几种菌株复合处理比单一菌株表现出更强的解磷能力[42]。

Wu等[43]发现,将解磷细菌包裹在聚乙酸内酯中的缓释微生物肥料,可以有效解决接种后菌株解磷能力退化等问题。

4.2　分泌植物激素类物质
有些种类的磷细菌除了具有解磷活性,在植物根际还能够分泌一定量的植物激素,对作物生长具有刺激作用。

Barea等[44]从植物根际分离出50株磷细菌,对它们产生植物激素的情况进行了详细研究,结果发现,43株产吲哚乙酸(IAA),29株产赤霉素(GA),45株产细胞分裂素类(C K)物质,而且20株具有分泌吲哚乙酸、赤霉素和细胞分裂素类物质3种植物激素的能力。

Kumar和Narula[45]从小麦根际分离到164株磷细菌,并对筛选出的5株解磷效果比较好的菌株进行了化学诱变,研究结果显示,原始菌株和突变体都能产生IAA。

Ponmurugan和G opi[19]在研究细菌的解磷活性时发现,分离到的磷细菌都具有产生IAA,GA3等植物激素的能力。

4.3　抑制植物病原菌生长
磷细菌具有抑制土壤中病原菌生长,降低植物病害的作用,从而提高作物产量。

Chang和K om2 medahl[46]在田间运用具有解磷能力的枯草芽孢杆菌作为玉米种子包衣,能够显著抑制由红粉镰刀菌
(Fusari um roseam var.f.sp cerealis)引起的玉米苗腐病,取得了与杀菌剂拌种相同的防病效果。

Vassileva等[47]认为,磷细菌具有生防作用是因为代谢产物中存在IAA,IAA影响病原菌与植物间的相互作用。

关于IAA的生防作用机制有人提出两种观点:(1)IAA与谷胱甘肽转移酶同时参与植物的防御反应;(2)IAA能够抑制病原菌孢子萌发和菌丝生长。

5　结语
磷细菌研究经过100多年的发展,人们已经充分认识到这类微生物在农业生产上的应用前景。

但是也应该看到,磷细菌的理论研究亟待加强,磷细菌的应用还不普遍,还有诸多问题需要进一步深入研究。

(1)进一步研究磷细菌的生态分布规律。

从主要作物的根际土壤中筛选高效解磷菌株,探索不同土壤、不同作物、不同环境条件下的磷细菌生长繁殖特点及其影响磷细菌解磷的因素。

(2)研究磷细菌分布与作物生长发育之间的关系,探讨解磷菌代谢产物对植物生长的整体影响。

(3)研究磷细菌与其他功能微生物如固氮菌、钾细菌和AM菌的相互作用,关注磷细菌与病原菌在植物根际的动态变化关系。

(4)探索磷细菌解磷的分子机制,从分子生物学的角度探讨磷细菌的解磷机制,通过原生质体融合等现代生物技术构建可以应用于生产的高效解磷工程菌株。

(5)进一步研究可以用于农业生产的稳定的磷细菌制剂,力求延长保存期,提高有效活菌数,实现产业化等等。

总之,通过对磷细菌资源的全面研究,开发磷细菌肥料并应用于农业生产具有重要意义。

磷细菌生物肥料的使用可以减少化学肥料的投放,提高土壤中有效磷的含量,改善土壤环境并降低环境污染,对我国农业的可持续发展和农业生物技术水平的全面提升具有积极作用。

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