植物根際微生物互作的研究進(jìn)展

植物根際微生物互作的研究進(jìn)展

植物的根是一個(gè)極其復(fù)雜的生物系統(tǒng)。根際(Rhizosphere)指土壤與植物根部接觸的局部區(qū)域。根際以細(xì)菌占優(yōu)勢(shì),其生長受根部組織釋放出的氨基酸及維生素等營養(yǎng)所刺激。細(xì)菌生長所需的氨基酸種類在根周圍比沒有根的土壤多。微生物釋放到根周圍的代謝產(chǎn)物也刺激植物的生長,因此植物根部系統(tǒng)與微生物之間發(fā)生著營養(yǎng)交換。當(dāng)種子萌發(fā),根生長穿過土壤時(shí),有機(jī)物的釋放能夠激活根際的微生物群落,影響根際微生物的數(shù)目與種類,這種現(xiàn)象叫做根際效應(yīng)(Rhizosphereeffect)。各種微生物間的相互作用對(duì)土壤中的微生物群落也具有重要影響,例如,掠奪性原生動(dòng)物或產(chǎn)生抗生素的放線菌可排斥某些種類的微生物。反之,分解纖維素或蛋白的細(xì)菌可將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)為較小的易代謝分子,為生化反應(yīng)較弱的菌種提供營養(yǎng)。在根際,植物根分泌物與微生物分泌物葉同時(shí)存在著相互作用。生防微生物的成功應(yīng)用有賴于對(duì)發(fā)生在土壤和根際的生態(tài)互作的研究,預(yù)知根際的生態(tài)條件,是生防微生物及制劑成功推向市場的重要條件。這不僅要研究生防微生物本身,同時(shí)也要研究生防微生物與植物、先定殖的微生物及環(huán)境的互作。由于具有某些特定的物理化學(xué)和微生物特性,一些土壤可以天然地抑制某些土傳植物病害。1耐藥因子競爭因素根際微生物互作的行為模式包括:相容、共生、抗生(如通過產(chǎn)生抗菌物質(zhì)抑制病原物)、競爭(如通過產(chǎn)生含鐵細(xì)胞競爭鐵元素、種子或植物根際定殖位點(diǎn)的競爭)、病原物致病因子(如毒素)的降解、寄生作用(如產(chǎn)生胞外酶,以降解病原真菌細(xì)胞壁,包括幾丁質(zhì)酶、β-1,3葡聚糖酶等)。這些行為模式絕不是相互孤立的,通常一種生防微生物能夠表現(xiàn)多種行為模式。1.1生物的概率發(fā)生當(dāng)兩種生物種群對(duì)環(huán)境的需求是完全或大部分迥異時(shí),這兩種生物間的關(guān)系可以是相容,這時(shí),在某一環(huán)境下發(fā)現(xiàn)其中一種生物的幾率并不會(huì)影響另一種生物的幾率。相容現(xiàn)象的發(fā)生主要有4種情況:①當(dāng)微生物種群密度低至無法為另一個(gè)種群察覺的情況,如在空氣中存在的兩個(gè)微生物種群或個(gè)體;②兩個(gè)來自不同環(huán)境,脫離原來生活環(huán)境的新微生物種群。③休眠時(shí)期的微生物種群,因?yàn)楸舜藶榭朔婢扯档土思?xì)胞代謝率,使種群中的微生物削弱了對(duì)可利用資源的競爭,有助于相容關(guān)系的維持;④當(dāng)一種微生物生長所需的營養(yǎng)和環(huán)境條件與另一種差異很大時(shí)或雖然相似但環(huán)境可以滿足時(shí),兩種微生物互容。1.2不受害且對(duì)一方有利如果兩種微生物或個(gè)體在土壤中生長,兩種微生物均不受害且至少對(duì)一方有利,則這兩種微生物間的關(guān)系稱共生。兩種微生物以共生關(guān)系生活在一起,它們其中之一或兩者彼此不斷地供給食物,彼此也可以互相保護(hù)。1.2.1微管生物的生長兩種微生物中的一方的生長可以使另一方受益,如酵母生長在濃糖水中,可以將糖發(fā)酵或氧化,而使?jié)B透壓降低,因而使能適應(yīng)低滲透壓的微生物得以生長;Mucorrouxianus利用馬鈴薯淀粉,產(chǎn)生麥芽糖而使Micrococcus得以生長;某種微生物可以對(duì)C、N、S等元素進(jìn)行轉(zhuǎn)換,而其轉(zhuǎn)換產(chǎn)物可被其它微生物所利用;某種微生物會(huì)自然地氧化一種本身無法利用的碳源或能源物質(zhì),以供另一種群的需要;微生物提供一個(gè)適合共生伙伴的環(huán)境,如附著于藻類上的細(xì)菌或另一種藻類等等。1.2.2代謝路徑及路徑微生物種群的協(xié)同共生行為可以使兩個(gè)種群都獲得利益,并且共同完成代謝路徑。協(xié)同共生可使微生物能夠合成原來單獨(dú)種群無法合成的物質(zhì),從而共同完成單獨(dú)無法完成的代謝路徑。1.2.3er-沒有添加過多基因互換er-沒有基因互換的情況基因互換是一種特殊的互利形式。通過基因交換,能夠使某微生物所演化出的較適合的性狀得以傳播,從而防止微生物種群的過度專一性(Over-separation)。基因互換的機(jī)制包括:①轉(zhuǎn)化作用(Transformation);②轉(zhuǎn)導(dǎo)作用(Transduction);③接合作用(Conjugation);④有性孢子形成(Sexualsporeformation)?；蚧Q只發(fā)生在較高的種群密度中。在低的種群密度下,成功的基因互換是很低的,且過程常不明顯。在細(xì)菌中,發(fā)生接合作用時(shí)需要大于105/mL的種群密度。1.3兩者同時(shí)受損時(shí),各方人此共生關(guān)系相反,拮抗現(xiàn)象指當(dāng)兩種微生物在一起生長時(shí),彼此發(fā)生對(duì)立,互相拮抗,從而使其中一方受害或兩者同時(shí)受害的關(guān)系。其中包括競爭(Competition)、抗生(Antibiosis)等兩種情況。1.3.1種養(yǎng)分fe3+的競爭競爭是微生物種間的一種冷戰(zhàn),其原因或是對(duì)生存空間的競爭,或是對(duì)周圍養(yǎng)分(如Fe3+)的競爭。凡是親緣關(guān)系相近的微生物(Closedrelatedorganisms)對(duì)環(huán)境的需要也比較相近,因此冷戰(zhàn)的程度也更為厲害,并對(duì)兩種群均有負(fù)面的影響,降低兩者的生長速率。1.3.2生物酶o合生物兩種微生物生活在一起,其中一種所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)另一者具有毒害作用,即稱為抗生。其中一種微生物往往能夠產(chǎn)生抗生素(Antibiotics)。在自然界中,抗生的現(xiàn)象很多,細(xì)菌、真菌、藻類及原生動(dòng)物等4種微生物間的任意組合,都可發(fā)生抗生現(xiàn)象。WALLKAUSSER早在1951年從森林土壤中分離出16種真菌及123種細(xì)菌,然后作各種組合,研究抗生現(xiàn)象。細(xì)菌及細(xì)菌間有164/529(31%)、真菌及真菌間有93/256(36%)、真菌及細(xì)菌間有161/368(44%)組合發(fā)生可觀察到的抗生現(xiàn)象。2熒光假單胞菌的生防細(xì)菌生防因子應(yīng)用于防治細(xì)菌病原物的例子相對(duì)較少。劉大群等利用非致病鏈霉菌防治由Streptomycesscabies引起的馬鈴薯瘡痂病。在這種情況下,頡頏作用的發(fā)生可能是由于抗生或根際的定殖位點(diǎn)及營養(yǎng)競爭。PseudomonasfluorescensMigulaF113可以防治馬鈴薯軟腐病菌Erwiniacarotovorasubsp.atroseptica,主要是由于熒光假單胞菌產(chǎn)生了抗生素DAPG,使用抗生素合成阻斷突變株進(jìn)行生防實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在此互作中,競爭沒有起到關(guān)鍵作用。有證據(jù)顯示熒光假單胞菌產(chǎn)生的含鐵細(xì)胞在低鐵條件下可能對(duì)馬鈴薯軟腐病的防治起一定作用,但抗生素DAPG的產(chǎn)生還是關(guān)鍵因子。最經(jīng)典的、市場至今依然應(yīng)用的細(xì)菌-細(xì)菌生防體系是用非致病性土壤農(nóng)桿菌菌株(Agrobacteriumradiobacter)防治Agrobacteriumtunefciens。對(duì)該體系所進(jìn)行的長期的分子生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究已經(jīng)闡明了生防的機(jī)制以及如何克服應(yīng)用中潛在的問題。應(yīng)用最廣泛的非致病土壤桿菌K84能夠產(chǎn)生高度專化性的抗生素-土壤桿菌素84(agrocin84),該抗生素由質(zhì)粒pAgK84編碼。由于質(zhì)粒pAgK84能夠轉(zhuǎn)移到病原菌中從而也可能降低生防效果。JONES等構(gòu)建了K84的轉(zhuǎn)移突變株K1026。突變株K1026不僅能夠抑制對(duì)土壤桿菌素84敏感的菌株,還能夠抑制對(duì)土壤桿菌素84不敏感的菌株,因此,土壤桿菌素84不是其唯一的頡頏機(jī)制。其它抗生素的產(chǎn)生,如土壤桿菌素434、ALS84也可能是頡頏因素。3利用受試對(duì)象的假單胞菌盡管有許多文獻(xiàn)報(bào)道了不同的細(xì)菌用于防治真菌病害,但大多數(shù)的文獻(xiàn)都集中在了假單胞菌的應(yīng)用。假單胞菌生長迅速,能夠利用廣泛的有機(jī)物,在實(shí)驗(yàn)室易于培養(yǎng)和遺傳操作。另外,假單胞菌是常見的根際微生物,能夠適應(yīng)根際的多種生態(tài)環(huán)境,根際的生態(tài)競爭是生物防治的主要機(jī)制。3.1抗菌藥物的應(yīng)用許多報(bào)道顯示,許多細(xì)菌產(chǎn)生的抗真菌代謝物(金屬螯合劑和酶除外)在體內(nèi)和體外都具有活性,這包括氨、丁內(nèi)酯、HCN、寡霉素A、OomycinA、PCA、藤黃綠膿菌素(Plt)、硝吡咯菌素(Pyrrolnitrin,Pln)、吩嗪-1-羧酸、Xanthobaccin,及其它一些未明確的代謝物。人們利用抗生素合成阻斷或抗生素過量合成突變株來研究和驗(yàn)證抗生素在生物防治中的作用。另外,報(bào)告基因和探針來探測(cè)植物根際微生物產(chǎn)生的抗生素也用得越來越多。多種抗生素生物合成基因和基因簇也已經(jīng)分離得到。如熒光假單胞菌可產(chǎn)生多種抗生素,對(duì)病原菌有較強(qiáng)的殺傷作用。已發(fā)現(xiàn)的抗菌物質(zhì)包括兩種氯化苯基吡咯類抗生素,一種是Pyroluteorin,可防治棉苗腐霉菌猝倒病,但對(duì)絲核菌立枯病無效;另一種是硝吡咯菌素(Pln),僅對(duì)絲核菌立枯病有效,而對(duì)腐霉菌猝倒病無效;Pyroluteorin在細(xì)胞生長過程中釋放到胞外,而Pln于細(xì)胞解體后釋出;Pln對(duì)Thielaviopsisbasicola、Verticilliumdahliae和Alternariaspp.也有抑制作用,它在濕土中可維持活性1個(gè)月以上。最近,在小麥全蝕病生防菌(P.fluorescens)中發(fā)現(xiàn)了另一種抗生素吩嗪-1-羧酸,它在小麥根際的數(shù)量與細(xì)菌防治全蝕病的效果有正相關(guān)系。一般地,證明抗生素在生防中的作用僅使用無抗生素產(chǎn)生能力的突變株作為對(duì)照,而吩嗪-1-羧酸在土壤和根際的直接發(fā)現(xiàn)為抗生素的重要作用提供了直接證據(jù)。3.2熒光假單胞菌的作用機(jī)制人們對(duì)細(xì)菌生防因子和真菌病原真菌在植物根際的位點(diǎn)競爭和營養(yǎng)競爭這兩個(gè)生防機(jī)制的認(rèn)識(shí)已經(jīng)有很長時(shí)間了,但最近的研究則主要集中在鐵離子的競爭上。在低鐵環(huán)境下,細(xì)菌能夠產(chǎn)生多種對(duì)鐵離子有高度親和力的鐵螯合劑或含鐵細(xì)胞。在平皿上,熒光假單胞菌對(duì)病原細(xì)菌P.tolaasii沒有抑制作用,只存在對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的競爭,后來的研究結(jié)果認(rèn)為主要是通過對(duì)鐵離子的競爭影響病原菌的生長。熒光假單胞菌產(chǎn)生的噬鐵素絡(luò)合根際鐵離子,使病菌得不到足夠的鐵元素營養(yǎng),生長發(fā)育受到抑制,對(duì)植物體的危害減輕,因而植物生長發(fā)育得到改善。在小麥全蝕病、亞麻枯萎病的生物防治中,都是通過這一機(jī)制起作用。植物根際微生物對(duì)鐵離子競爭的動(dòng)力學(xué)是十分復(fù)雜的。例如,有的細(xì)菌產(chǎn)生的噬鐵素只能夠被自己所利用,而有的則可以被許多不同的細(xì)菌所利用。不同的環(huán)境因子也可以影響噬鐵素產(chǎn)生的數(shù)量。3.3利用bacl通過酶防治青少年纖維素酶和表型篩選,增加放線菌的篩選細(xì)菌,尤其是放線菌,具有寄生感染或降解植物病原真菌孢子的能力。生防細(xì)菌從真菌獲取營養(yǎng)而阻止病原真菌的生長。盡管這些生防細(xì)菌,包括放線菌能夠產(chǎn)生抗生素,但如果病原真菌的細(xì)胞壁同時(shí)被降解了,那么就可以認(rèn)為細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶在起作用。例如,用能夠產(chǎn)生纖維素酶的菌株MicromonosporacarbonaceaLuedemann&Brodsky能夠防治由PhytophthoracinnamomiRands引起的BanksiagrandiaWilld根腐病。用能夠產(chǎn)生β-1,3-、β-1,4-和β-1,6-葡聚糖的放線菌菌株可以防治由Phytophthorafragariaevar.rubi引起的懸鉤子根腐病。Bacilluscereus產(chǎn)生的幾丁質(zhì)裂解酶在防治Rhizoctoniasolani中也發(fā)揮了作用。Tn5插入突變和序列互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)顯示,Stenotrophomonasmaltophila甜菜根際病害Pythiumultimum是由于它產(chǎn)生了胞外蛋白酶。3.4根際促生細(xì)菌根際有益細(xì)菌能夠促進(jìn)植物對(duì)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。因此,這類能夠直接或間接促進(jìn)植物生長的細(xì)菌又被稱為根際促生細(xì)菌(PGPR)。根際促生細(xì)菌主要通過兩種方式發(fā)揮作用:抑制植物的病原微生物和減輕minor病原菌(阻礙植物生長,但沒有明顯癥狀)的毒害作用。另外,PGPR也可以通過其它方式促進(jìn)植物生長,如固氮作用、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)(如磷)的溶解、促進(jìn)菌根功能、調(diào)節(jié)根部乙烯的產(chǎn)生、釋放植物生長素及減輕重金屬毒性等。4為細(xì)菌生殖因子-蘑菇病原體的混合至今尚未見到應(yīng)用真菌生防因子防治植物根際細(xì)菌病原物引起植物病害的報(bào)道,原因不明,但至少可以說明這是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。5子-真菌病原生防因子與細(xì)菌生防因子-真菌病原物互作相比,真菌生防因子-真菌病原物互作的研究者也不少,有許多真菌被證明可以用作生防因子。其中以木霉屬菌株為主,這或許是因?yàn)槟久咕子谏L,并且寄主廣泛的原因。5.1tfa和reimwilt的生防機(jī)制人們對(duì)根際真菌互作中的營養(yǎng)競爭及空間和定殖位點(diǎn)的競爭研究得較少。在應(yīng)用非致病的Fusarium和Trichoderma防治Fusariumwilt時(shí),其生防機(jī)制包括了對(duì)碳、氮和鐵的競爭。而在小麥根際用redfungus防治Gaeumannomycesgraminisvar.tritici的體系中,對(duì)硫胺(維生素B1)的競爭是一個(gè)明顯的過程。5.2木霉的抗菌作用雖然對(duì)真菌生防因子產(chǎn)生抗生素的研究也有報(bào)道,但顯然不如細(xì)菌生防因子抗生素研究得詳盡。并且?guī)缀鯖]有關(guān)于真菌生防因子抗生素的編碼基因的詳細(xì)研究的報(bào)道。木霉菌在產(chǎn)生抗生素方面具有優(yōu)勢(shì),就其種類而言,僅抗真菌的代謝產(chǎn)物至少在32種以上。多數(shù)木霉產(chǎn)生的抗生素不止一種,如哈茨木霉可產(chǎn)生12種,康氏木霉可產(chǎn)生9種,綠色木霉可產(chǎn)生10種,鉤狀木霉可產(chǎn)生7種,長枝木霉可產(chǎn)生3種,多孢木霉可產(chǎn)生2種。這些抗生素的化學(xué)性質(zhì)各不相同,包括了戊酮、辛酮、類萜、多肽和氨基酸衍生物等幾大類。由于抗生素的種類、化學(xué)性質(zhì)以及作用方式的差異,病原菌往往難以發(fā)展抗藥性。5.3生長等機(jī)制的真菌生防因子近幾年,