微生物資源及利用結(jié)課論文

1、微生物資源及利用結(jié)課論文植物根際促生菌的研究進(jìn)展學(xué)院：生命科學(xué)學(xué)院專業(yè)：微生物學(xué)姓名：學(xué)號： 植物根際促生菌的研究進(jìn)展摘要：植物根際促生菌是從植物根部分離出的微生物，借助其代謝過程或代謝產(chǎn)物，以改善植物生長條件，尤其是營養(yǎng)環(huán)境。如固定空氣中的游離氮，參與土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，增加有效養(yǎng)分，分泌激素，刺激植物根系發(fā)育，抑制有害微生物活動等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積應(yīng)用化肥、農(nóng)藥提高作物產(chǎn)量的同時，也產(chǎn)生了極大的環(huán)境問題，并且使生產(chǎn)成本提高。隨著現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對應(yīng)用微生物來代替化肥和農(nóng)藥寄予了厚望，從而對植物與根際促生菌關(guān)系的研究給予了高度重視。關(guān)鍵詞：植物根際促生菌；代謝產(chǎn)物；植物促生作用能夠

2、促進(jìn)植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和利用，或者產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的代謝物，甚至抑制有害微生物，被稱為植物根際促生菌(簡稱PGPR)。近年來，有關(guān)植物根際促生菌(PGPR)的研究日益受到人們的關(guān)注。由于化肥、農(nóng)藥對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，化肥價格高漲，能源緊缺，澳大利亞、美國、歐共體組織和日本等國，都開展了根際促生菌的專項研究。近年來有關(guān)植物促生菌的研究日益受到人們的關(guān)注。由于化肥，農(nóng)藥對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，化肥價格高漲，能源緊缺，澳大利亞，美國，歐共體組織和日本等國，都開展了根際促生菌的專項研究。19881997年已分別在加拿大、瑞士、澳大利亞和日本召開了四次國際研討會，并將繼續(xù)3年一屆輪流在世界各大洲舉行。表明

3、根際促生菌研究和應(yīng)用已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)微生物研究的新熱點(diǎn)之一，與它有關(guān)的方面正在形成一個新的領(lǐng)域。近年根際微生物的研究已成一個新的發(fā)展趨勢，對根際促生菌的研究已成為一個熱點(diǎn)。本文作者結(jié)合自身研究，綜述了目前國內(nèi)外根際微生物代謝產(chǎn)物各個方面的研究進(jìn)展和成果。較詳細(xì)地描述了根際促生菌的作用及相關(guān)的促生機(jī)理。根際微生物的多樣性細(xì)菌是根際微生物中數(shù)量最多的類群，可達(dá)106108/cm3。根際主要存在著G-桿菌，常見的有假單胞菌(Pseudomonas丿、黃桿菌(Flavobacterium丿，產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)、色桿菌(Chromobacter)和無色桿菌(Achromobacter)等。

4、其中，根際細(xì)菌具有防病促生的潛能，最多的是假單胞菌屬(Pseudomonas)、次為芽胞桿菌屬(Bacillus)、農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)、埃文氏(Eriwinia)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、巴斯德氏菌屬(Pasteuria)、沙雷氏菌(Serratia)、腸桿菌(Enterobacter)等等。根際放線菌主要是鏈霉菌屬(Streptomyces)、小單抱菌(Micromonospora丿和諾卡氏菌屬(Nocardia)，它們的存在對于根際細(xì)菌有明顯的抑制與拮抗作用。根際真菌在不同土壤中的根土比為3200，在不同作物上為1020左右。常見的根際真菌屬有：鐮刀菌

5、屬(Fusarium)、粘帚霉屬(Gliocladium)、青霉屬(Penicillium)、根柱抱屬(Cylindrocarpon)、絲核菌屬(Rhizoctonia)、被抱霉屬(Mortierella)、曲霉屬(Aspergillus人腐霉屬(Pythium)和木霉屬(Trichoderma等。植物與根際微生物的關(guān)系在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物是第一生產(chǎn)者，土壤微生物是有機(jī)質(zhì)的分解者。植物將光合產(chǎn)物以根系分泌物和植物殘體形式釋放到土壤，供給土壤微生物碳源和能源；而微生物則將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成無機(jī)養(yǎng)分，以利于植物吸收利用。這種植物)微生物的相互作用維系或主宰了陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能。根據(jù)碳同位素示蹤研

6、究，禾谷類作物一生中，約有30%60%光合同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到地下部，其中40%90%以有機(jī)和無機(jī)分泌物形式釋放到根際，Lynch和Wipps將所有從根釋放的物質(zhì)定義為根際淀積，其成分和數(shù)量受植物種類、年齡、土壤生物、化學(xué)和物理因子的影響。21根際微生物的促生作用211聯(lián)合固氮作用近幾年，研究聯(lián)合固氮菌特性與植物之間的相互關(guān)系及田間接種效益等方面，已成為各國科學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)。Alam等兩年多的研究發(fā)現(xiàn)接種固氮菌(Azotobactersp)使水稻干物質(zhì)量、水稻產(chǎn)量及氮的積累量增加6%24%。Saubidet等報道接種Azospirillumsp.固氮螺菌屬微生物后，小麥的生物量、產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、植

7、物含氮量明顯增加；且氮的吸收促進(jìn)了植物的生長。212增加根營養(yǎng)物質(zhì)的吸收根際促生菌在其生命活動期間能分解土壤中難溶性的礦物，并把它們轉(zhuǎn)化成易溶性的礦質(zhì)化合物，從而幫助植物吸收各種礦質(zhì)元素。土壤中含有很多磷細(xì)菌，它們能夠?qū)⑼寥赖V物無效態(tài)的磷釋放出來，供植物生長發(fā)育用。磷細(xì)菌數(shù)量很多，受土壤物理結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤類型、土壤肥力、耕作方式等因素的影響。SundaraRao發(fā)現(xiàn)小麥(Tritumaestivum)根際解磷微生物主要為芽抱桿菌屬和埃希氏菌屬,Paul等發(fā)現(xiàn)豆科植物根際解磷微生物主要是芽抱桿菌屬。趙小蓉等研究通過比較玉米(Zeamays丿根際與非根際土壤中解磷細(xì)菌的分布特點(diǎn)，了解玉米根

8、際解磷微生物的特性。解磷細(xì)菌普遍是根際微生物，但是有解磷能力的根際微生物決不能認(rèn)為就是根際促生菌。同樣的，不是所有的具有解磷作用的根際促生菌都是通過增加宿主植物對磷的利用率來促進(jìn)植物生長的。213刺激與調(diào)控植物生長在微生物的生命活動中能產(chǎn)生多種生理活性物質(zhì)如吲哚乙酸、赤霉素、多種維生素。這些生理活性物質(zhì)可以促進(jìn)植物細(xì)胞分裂和增強(qiáng)吸收水分及礦物營養(yǎng)的能力，并刺激植物內(nèi)源激素的增加，從而促進(jìn)種子萌發(fā)、根系發(fā)達(dá)、植株生長和早熟開花。假單胞菌、枯草桿菌的50個種中發(fā)現(xiàn)48個種產(chǎn)生長家類、29個種產(chǎn)赤霉素類、45個種產(chǎn)細(xì)胞分裂素類植物激素。如玉米根際的固氮螺菌屬(Azospirinum丿固氮并產(chǎn)生鐵載體

9、、抗生素和有機(jī)酸，從而促進(jìn)玉米生長。微生物對鐵元家營養(yǎng)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于各種鐵載體蛋白。惡臭假單胞菌wCs358產(chǎn)生的RupA蛋白，使Fe與熒光菌素結(jié)合促進(jìn)大麥對鐵的吸收，并促進(jìn)葉綠素的合成。IAA的重要作用不僅在于其直接促生作用，即通過與質(zhì)膜上質(zhì)子泵結(jié)合使之活化，改變細(xì)胞內(nèi)環(huán)境導(dǎo)致細(xì)胞壁糖溶解和可塑性增加來增大細(xì)胞體積和促進(jìn)RNA、蛋白質(zhì)的合成，來增加細(xì)胞體積和質(zhì)量以達(dá)到促生的作用。更重要的是使色氨酸(Trp)類似物解毒，減輕其毒害作用。目前的研究表明，根際促生菌產(chǎn)生認(rèn)A提供給植物有三種方式：一是IAA基因直接整合到植物細(xì)胞染色體上，在植物細(xì)胞的調(diào)控下合成認(rèn)A如土壤桿菌；二是細(xì)菌侵人植物細(xì)胞，

10、在細(xì)胞內(nèi)分泌IAA供植物生長；三是細(xì)菌也能在宿主植物的根際生活，合成IAA供植物利用。各種根際促生菌通過自身TCA產(chǎn)生的許多有機(jī)酸，除了有鰲合作用和酸溶作用外，其本身就是一種生理活性物質(zhì)，可促進(jìn)作物生長。有研究表明，1：1的瓏拍酸與乳酸混合，可使得植物根生長量增加40%。微生物代謝產(chǎn)物對植物的抑制作用31微生物產(chǎn)生毒素毒素是植物重要的致病因子.主要包括細(xì)菌毒素和真菌毒素。311細(xì)菌毒素植物病原細(xì)菌主要有假單胞菌屬、黃單胞菌屬、土壤桿菌屬、棒狀桿菌屬、歐文氏菌屬等。煙草野火病的病原菌Pseudomonassyringaepv.tabaci產(chǎn)生的野火菌毒素(tabtoxin)可抑制植物谷氨酰胺合成

11、酶，引起氨的積累，干擾宿主代謝。由Erwiniaamylovora引起的梨火疫病已被證實(shí)與病菌的多糖毒素(amylovorin)有關(guān)。312真菌毒素多數(shù)真菌毒素為低相對分子質(zhì)量的次生代謝產(chǎn)物，主要包括環(huán)狀肽類、類萜烯化合物、低聚糖、聚乙醇酰、生物堿類、脂類及酯類毒素，多糖及糖苷類毒素，芳環(huán)、雜環(huán)化合物及其衍生物類毒素等。致病機(jī)理主要是毒素影響植物細(xì)胞膜的通透性，引起Na+、K+的滲漏，使細(xì)胞中的保護(hù)酶等受到破壞。使日本梨感染黑斑病的Al-ternariagaisenNagano可產(chǎn)生寄主?；远舅谹K-toxin。由Peni-cilliumexpansum產(chǎn)生的外毒素Patulin嚴(yán)重影響蘋果

12、的產(chǎn)量和質(zhì)量，且這種毒素還可危害人類健康13。目前研究表明灰葡萄孢毒素對已萌發(fā)的雙子葉雜草種子和幼苗都有明顯的毒殺作用，具有被開發(fā)成生物除草劑的應(yīng)用前景；Fusariumoxysporum產(chǎn)生的植物毒素Nep1蛋白可穿過許多闊葉植物葉片，迅速殺死植物細(xì)胞，與觸殺型除草劑相似。還有一些Fusarium屬病菌能產(chǎn)生neosolaniolmonoacetate(NMA)抑制小麥和苜蓿的生長。根際有益微生物對植物的生物防治作用根際有益微生物是土壤微生物的一部分，它可以在植物根上定殖并促進(jìn)植物的生長，并且現(xiàn)在已經(jīng)作為關(guān)鍵的生防因子，用于防治有害真菌、細(xì)菌、病毒引起的病害。根際有益微生物的生物防治機(jī)制有4

13、種。41產(chǎn)生嗜鐵素根際有益微生物產(chǎn)生嗜鐵素，從而使有害微生物的可利用的鐵減少，最終導(dǎo)致致病性的下降。研究表明，有益的假單胞桿菌產(chǎn)生的一種嗜鐵素)假單胞菌素358，在根際掠奪了其他有害或病原根際微生物生長所必需的Fe元素，從而使病原菌活性降低，生長減慢。對Fe3+的競爭，即從Fe3+2假單胞菌素螯合物中吸取Fe3+的能力是WCS358可作為生物殺菌劑的原因。42拮抗作用拮抗微生物的同化作用產(chǎn)生能抑制病原菌的抗菌物質(zhì)，一般在低濃度下就能對病原菌的生長和代謝產(chǎn)生抑制，引起細(xì)胞內(nèi)溶現(xiàn)象。43競爭作用競爭作用包括營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，物理位點(diǎn)、生態(tài)位點(diǎn)的搶占以及氧氣的競爭。有益微生物將適合微生物生長和繁殖的的

14、有利位點(diǎn)搶先占領(lǐng)，就可以阻止和降低有害菌生態(tài)位點(diǎn)在有利位點(diǎn)上的建立。44誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(inducedsystemicresistance，ISR)誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性就是采用非親和性的病原物或其它因素誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性。植物因誘導(dǎo)所激發(fā)的系統(tǒng)抗性與植物所產(chǎn)生的抵抗挑戰(zhàn)菌的代謝產(chǎn)物有關(guān)。目前認(rèn)為拮抗微生物主要是通過對營養(yǎng)和位點(diǎn)的競爭以及產(chǎn)生抗生素的拮抗作用來達(dá)到生防效果。有的拮抗菌株以一種機(jī)制為主，有的同時依賴多種機(jī)制。以ISR為主要機(jī)制的拮抗微生物主要是植物生長促進(jìn)根際微生物(根際促生菌)，主要種類是Pseudomonasspp。國外研究表明，自從20世紀(jì)90年代早期，關(guān)于根際有益微生物生防機(jī)制的研究揭

15、示，有些根際微生物可以誘導(dǎo)一些農(nóng)作物如大豆、康乃馨、黃瓜、蘿卜、煙草、西紅柿和擬南芥產(chǎn)生系統(tǒng)抗病性，抵制多種病原菌。改善土壤生態(tài)環(huán)境作用根際促生菌中含多種游離氨基酸，能與金屬離子形成可溶性鰲合物，其兩性電介質(zhì)具有重要的酸堿緩沖作用，可降低土坡鹽堿化程度。菌肥有利于農(nóng)田污染物的降解，Robert研究表明，某些微生物對三抓乙烯、芳香族化合物及除草劑有降解作用。研究證明，谷朧甘膚轉(zhuǎn)移酶存在于腸桿菌科(Enterobacteriaceae)和假單胞菌屬(Pseudo-monas丿中的一些種，通過谷朧甘膚的結(jié)合作用除去除草劑中的氛，這些都有利于改善土壤生態(tài)環(huán)境。某些根際促生菌可提高宿主的抗早性、抗鹽堿性

16、、抗極端溫度、濕度和pH值、抗重金月毒害等能力，從而增強(qiáng)植物的抗逆性。如VA菌根真菌肥料，菌根是一些高等植物根系與真菌的共生聯(lián)合，是某些真菌俊染物根部與其形成的菌一根共生體。試驗(yàn)證明菌根可以擴(kuò)大根的吸收面積，促進(jìn)根的分枝，延長根的壽命，提高對水分的吸收效率和抗早能力；能保護(hù)根部免受病原菌的侵襲，避免凍害；能產(chǎn)生抑制其他微生物的類似抗生素的物質(zhì)等。研究還表明，經(jīng)高溫燕汽滅菌的土坡中，Mn的含t提高了巧倍，對植物生長有毒害；接種VA菌肥后，提高了植物對Mn的抗性。某種真菌能吸收大tAI貯存于細(xì)胞內(nèi)，從而減輕或消除Al的毒性。Hart等認(rèn)為徽生物體產(chǎn)生的瑯合物具有抗干旱幾降低水分協(xié)迫、改善土坡結(jié)構(gòu)、

17、供應(yīng)植物有機(jī)營養(yǎng)和調(diào)節(jié)離子活性的能力，并研究了陰溝腸桿菌(Enterobaetercloacae)、圓褐固氮菌(Azotobaeterchroococeum)、致金色假單胞菌(Pseudomonasaureofaciens)及哈茨木稱等不同土壤微生物產(chǎn)生胞外聚合物(ExtracellularPolymers,EPS)的能力和胞外聚合物的特性及其對根際徽生物、植物吸收養(yǎng)分的影響。污染環(huán)境的微生物生物修復(fù)人類對重金屬的開采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動日益增多，不少重金屬如鉛、汞、鎘、鈷等排入大氣、水、土壤環(huán)境中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。采用物理或化學(xué)方法修復(fù)土壤重金屬污染不僅有可能破壞土壤結(jié)構(gòu)和肥力，且

18、費(fèi)用較高；微生物可通過多種方式改變不同重金屬的物理化學(xué)特征，影響重金屬在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化，減輕對其他生物體的危害利用微生物和植物聯(lián)合對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)是提高生物修復(fù)效果的有效措施。植物內(nèi)生菌是寄居在植物體內(nèi)但并不使植物表現(xiàn)出特定癥狀的一類微生物，它們生活在植物組織內(nèi)部，長期以來與宿主植物形成了緊密的共生關(guān)系，在植物病害防治與生物修復(fù)中均顯出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因此利用植物內(nèi)生菌修復(fù)土壤重金屬污染，不僅可克服單獨(dú)微生物修復(fù)中微生物難存活與難收集的缺點(diǎn)，而且還可以改善植物修復(fù)效果。但目前有關(guān)利用內(nèi)生菌與宿主植物聯(lián)合修復(fù)土壤重金屬污染方面的報道還很少。7結(jié)語根際促生菌開發(fā)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意義自19

19、世紀(jì)以來，伴隨綠色革命和植物的礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的建立，作物良種和施用化肥對產(chǎn)量的提高起到了巨大的推動作用。但是化肥對作物產(chǎn)量并不是表現(xiàn)為永遠(yuǎn)的直線上升關(guān)系，化肥的作用不僅受到最小養(yǎng)分法則的限制，更受到報酬遞減規(guī)律的制約。不僅如此，化肥的不良施用所造成的環(huán)境污染已日益引起人們的關(guān)注。隨著21世紀(jì)生物技術(shù)的興起，根際促生菌的開發(fā)與應(yīng)用對創(chuàng)造良好的根際生態(tài)環(huán)境、改善土坡理化性質(zhì)、提高土坡的供肥能力和對環(huán)境資源（如空氣中氮?dú)廪D(zhuǎn)化吸收）的有效利用、降低作物對化肥的依賴、抑制病蟲害的發(fā)生及減少農(nóng)藥污染等具有重要作用。這意味著，不僅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本可能有很大程度的降低，而且對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。同時，

20、以城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物為基質(zhì)，采用現(xiàn)代化的工業(yè)技術(shù)，制造成具有多種功能（如固氮、解磷、活鉀等）的再生型復(fù)合生物肥料，將對資源的循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益一體化同樣具有重要意義。根際促生菌將與化肥、有機(jī)肥一起構(gòu)成21世紀(jì)的植物營養(yǎng)資源隨著全球?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的日益重視和社會對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，生物肥料和有機(jī)肥料的開發(fā)與應(yīng)用必將有較大的進(jìn)展，將與化肥一起，構(gòu)成21世紀(jì)植物營養(yǎng)資源。據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，生物肥料只能在具有一定的土坡肥力墓礎(chǔ)上或者在相應(yīng)的化肥投人基礎(chǔ)上才能更好地發(fā)揮其作用特性。因此，生物肥料與化學(xué)肥料是相互配合、相互補(bǔ)充的關(guān)系，它不僅是化學(xué)肥料數(shù)量上的補(bǔ)充，更主要的是性能上的配合與補(bǔ)充。

21、生物肥料只有與有機(jī)肥料和化學(xué)肥料同步發(fā)展，才更具有廣闊的應(yīng)用前景。根際促生菌本身的發(fā)展為擴(kuò)大應(yīng)用莫定了基礎(chǔ)，不僅篩選優(yōu)良菌種、改進(jìn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的根際促生菌創(chuàng)造了條件，而且分子生物學(xué)技術(shù)的滲透使遺傳構(gòu)建、基因重組新菌株成為可能。近20多年興起的植物根圈促生細(xì)菌的研究和開發(fā)，使根際促生菌的應(yīng)用前景更為廣闊?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】葛誠主編微生物肥料的生產(chǎn)應(yīng)用及其發(fā)展M.中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1996.胡江春，薛德林，馬成新，等.植物根際促生菌(PGPR)的研究與應(yīng)用前景J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15(10)：1963-1966.趙小蓉，林啟美.玉米根際與非根際解磷細(xì)菌的分布特點(diǎn)J.生態(tài)學(xué)雜志，2001，20(6)：6264.徐玲，張世珖.煙草野火菌毒素致病作用的研究進(jìn)