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(zhuān)業(yè)：微生物學(xué)姓名：學(xué)號(hào)： 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(guò)程或代謝產(chǎn)物，以改善植物生長(zhǎng)條件，尤其是營(yíng)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(dòng)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(shí)，也產(chǎn)生了極大的環(huán)境問(wèn)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(duì)應(yīng)用微生物來(lái)代替化肥和農(nóng)藥寄予了厚望，從而對(duì)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(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用，或者產(chǎn)生促進(jìn)植物生長(zhǎng)的代謝物，甚至抑制有害微生物，被稱(chēng)為植物根際促生菌(簡(jiǎn)稱(chēng)PGPR)。近年來(lái)，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(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，化肥價(jià)格高漲，能源緊缺，澳大利亞、美國(guó)、歐共體組織和日本等國(guó)，都開(kāi)展了根際促生菌的專(zhuān)項(xiàng)研究。近年來(lái)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(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，化肥價(jià)格高漲，能源緊缺，澳大利亞，美國(guó)，歐共體組織和日本等國(guó)，都開(kāi)展了根際促生菌的專(zhuān)項(xiàng)研究。19881997年已分別在加拿大、瑞士、澳大利亞和日本召開(kāi)了四次國(guó)際研討會(huì)，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(gè)新的領(lǐng)域。近年根際微生物的研究已成一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)根際促生菌的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。本文作者結(jié)合自身研究，綜述了目前國(guó)內(nèi)外根際微生物代謝產(chǎn)物各個(gè)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(lèi)群，可達(dá)106108/cm3。根際主要存在著G-桿菌，常見(jiàn)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(wú)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(xiàn)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(duì)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(jiàn)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?bào)w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(wú)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(lèi)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(wú)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(lèi)、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(guó)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(bào)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(zhǎng)。212增加根營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收根際促生菌在其生命活動(dòng)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(wú)效態(tài)的磷釋放出來(lái)，供植物生長(zhǎng)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(lèi)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(guò)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(guò)增加宿主植物對(duì)磷的利用率來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)的。213刺激與調(diào)控植物生長(zhǎng)在微生物的生命活動(dòng)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(yíng)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(zhǎng)和早熟開(kāi)花。假單胞菌、枯草桿菌的50個(gè)種中發(fā)現(xiàn)48個(gè)種產(chǎn)生長(zhǎng)家類(lèi)、29個(gè)種產(chǎn)赤霉素類(lèi)、45個(gè)種產(chǎn)細(xì)胞分裂素類(lèi)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(zhǎng)。微生物對(duì)鐵元家營(yíng)養(yǎng)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)依賴(lài)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(duì)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(guò)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(lái)增大細(xì)胞體積和促進(jìn)RNA、蛋白質(zhì)的合成，來(lái)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(lèi)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(zhǎng)；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(guò)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(zhǎng)。有研究表明，1：1的瓏拍酸與乳酸混合，可使得植物根生長(zhǎng)量增加40%。微生物代謝產(chǎn)物對(duì)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(duì)分子質(zhì)量的次生代謝產(chǎn)物，主要包括環(huán)狀肽類(lèi)、類(lèi)萜烯化合物、低聚糖、聚乙醇酰、生物堿類(lèi)、脂類(lèi)及酯類(lèi)毒素，多糖及糖苷類(lèi)毒素，芳環(huán)、雜環(huán)化合物及其衍生物類(lèi)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)生寄主專(zhuān)化性毒素AK-toxin。由Peni-cilliumexpansum產(chǎn)生的外毒素Patulin嚴(yán)重影響蘋(píng)果

12、的產(chǎn)量和質(zhì)量，且這種毒素還可危害人類(lèi)健康13。目前研究表明灰葡萄孢毒素對(duì)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)。根際有益微生物對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)所必需的Fe元素，從而使病原菌活性降低，生長(zhǎng)減慢。對(duì)Fe3+的競(jìng)爭(zhēng)，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(duì)病原菌的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生抑制，引起細(xì)胞內(nèi)溶現(xiàn)象。43競(jìng)爭(zhēng)作用競(jìng)爭(zhēng)作用包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，物理位點(diǎn)、生態(tài)位點(diǎn)的搶占以及氧氣的競(jìng)爭(zhēng)。有益微生物將適合微生物生長(zhǎng)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(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)和位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)以及產(chǎn)生抗生素的拮抗作用來(lái)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(shí)依賴(lài)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(zhǎng)促進(jìn)根際微生物(根際促生菌)，主要種類(lèi)是Pseudomonasspp。國(guó)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(duì)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(guò)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(zhǎng)根的壽命，提高對(duì)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(lèi)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(duì)植物生長(zhǎng)有毒害；接種VA菌肥后，提高了植物對(duì)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(yíng)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(chēng)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(duì)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(lèi)對(duì)重金屬的開(kāi)采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動(dòng)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(guò)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(duì)其他生物體的危害利用微生物和植物聯(lián)合對(duì)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(lèi)微生物，它們生活在植物組織內(nèi)部，長(zhǎng)期以來(lái)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(bào)道還很少。7結(jié)語(yǔ)根際促生菌開(kāi)發(fā)對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意義自19

19、世紀(jì)以來(lái)，伴隨綠色革命和植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)的建立，作物良種和施用化肥對(duì)產(chǎn)量的提高起到了巨大的推動(dòng)作用。但是化肥對(duì)作物產(chǎn)量并不是表現(xiàn)為永遠(yuǎn)的直線(xiàn)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(bào)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)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(duì)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(duì)化肥的依賴(lài)、抑制病蟲(chóng)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(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)，

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(duì)資源的循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(yíng)養(yǎng)資源隨著全球?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的日益重視和社會(huì)對(duì)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(kāi)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(yíng)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(kāi)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(chéng)主編微生物肥料的生產(chǎn)應(yīng)用及其發(fā)展M.中國(guó)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(bào)，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)