土壤解磷微生物的研究進展

土壤解磷微生物的研究進展

磷酸是植物營養(yǎng)的三個重要因素之一。一般來說，農(nóng)業(yè)用地中的磷素含量是豐富的。然而據(jù)估計,我國2/3的耕地土壤缺磷,原因是這些磷素大多以不易被植物吸收利用的難溶性有機和無機態(tài)磷形式存在。為了獲得高產(chǎn),反復(fù)施用的大量磷素化肥又很快被土壤固定成難溶性磷化合物,這不僅造成環(huán)境污染,還會給食物安全和人類健康帶來影響。土壤解磷微生物可以提高植物對磷的利用效率,改善植物營養(yǎng)條件,提高作物產(chǎn)量,增加抗病能力;而且還可以改善土壤結(jié)構(gòu),提高有機質(zhì)含量,改良鹽堿地,對培育和充分發(fā)揮土壤生態(tài)肥力、保持農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的平衡等均具有極其重要的作用。雖然有關(guān)解磷微生物的研究和應(yīng)用已有多年,但解磷微生物肥料的發(fā)展速度不快,應(yīng)用還不普遍。其原因主要是解磷微生物種類多,解磷機理不十分明確,解磷作用發(fā)揮的條件等都不十分了解,因而它的生產(chǎn)應(yīng)用受到很大限制。為此,筆者對國內(nèi)外有關(guān)解磷微生物(尤其是解磷細(xì)菌和真菌)解磷機制的研究動態(tài)和解磷微生物對作物生長發(fā)育的影響方面的研究進展進行了綜述。1植物根際的生物多樣性具有解磷能力的微生物包括細(xì)菌、真菌和放線菌等。目前,已報道的大約有二十幾個屬。土壤中解磷微生物的種群生態(tài)分布表現(xiàn)出強烈的根際效應(yīng),即種類、數(shù)量、分布和菌種與根際環(huán)境間相互關(guān)系等均受根際微域環(huán)境(土壤物理結(jié)構(gòu)、有機物質(zhì)含量、土壤類型、土壤肥力等)的影響。在植物根際,解磷微生物的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其周圍土壤中的數(shù)量。Kabznelsonetal等發(fā)現(xiàn),玉米、紅三葉草、亞麻、燕麥、大麥、黃樺樹苗根際解磷細(xì)菌約有106~108cfu/g,比非根際土壤高1~2個數(shù)量級,其中,亞麻的根際解磷細(xì)菌數(shù)量最多。同時發(fā)現(xiàn),大麥對解磷細(xì)菌表現(xiàn)出選擇性,其他植物則沒有明顯的選擇效應(yīng),黃樺樹苗還出現(xiàn)抑制作用的現(xiàn)象。趙小蓉等也發(fā)現(xiàn),解磷菌的分布表現(xiàn)出強烈的根際效應(yīng),即根際土壤的數(shù)量比土體要多,但并不是根際微生物的優(yōu)勢菌株。趙小蓉等另一研究表明,玉米、冬小麥根際土壤解磷菌數(shù)量要比非根際高1~2個數(shù)量級,因此認(rèn)為,根際微生物數(shù)量可能主要受根系分泌物數(shù)量的控制,而根際微生物群落結(jié)構(gòu)則可能主要受根系分泌物類型的影響。2細(xì)菌的溶磷能力不同微生物的解磷能力差異較大。尹瑞齡從土壤中分離出了265株具有分解摩洛哥磷礦粉能力的細(xì)菌,它們的溶磷能力平均為2~30mg/g,其中44株巨大芽孢桿菌、節(jié)桿菌、黃桿菌、歐文氏菌及假單胞菌的解磷能力較強為25~30mg/g。Sundara等利用Ca3(PO4)2作為磷源,發(fā)現(xiàn)幾株芽孢桿菌釋放的可溶性磷為56.80~70.52μg/ml,埃希氏菌屬釋放的可溶性磷為159.70~170.30μg/ml。與溶磷細(xì)菌的溶磷能力相比,雖然溶磷真菌在數(shù)量和種類上都少于溶磷細(xì)菌,但溶磷真菌的溶磷能力一般要強于細(xì)菌。Kucey報道,真菌的解磷能力一般是細(xì)菌的10倍,許多細(xì)菌在進一步的純化中失去解磷能力,而真菌則始終保持其解磷活力。后來林啟美等、Zayeac等也發(fā)現(xiàn),溶解磷礦粉能力較強的細(xì)菌溶磷能力為26.92~43.34μg/ml,而大多數(shù)真菌則為59.64~145.36μg/ml;且溶磷細(xì)菌數(shù)量多時,才能起到溶磷作用。目前,研究報道的溶磷真菌多為曲霉屬和青霉屬。Cerezine等報道黑曲霉在液體培養(yǎng)過程中隨著菌絲體的生長,對不溶性磷酸鹽的溶解能力逐漸增加。Vassilev等也研究了黑曲霉對礦物磷酸鹽的溶解,其溶解能力最高達(dá)292ng/ml。范丙全等篩選得到2株具有溶磷作用的草酸青霉菌菌株P(guān)8和Pn1,并在不同培養(yǎng)條件下測定了它們的溶磷能力。與拜萊青霉菌ATCC20851和解磷巨大芽孢桿菌ATCC14581比較,草酸青霉菌P8和Pn1在固體培養(yǎng)基上表現(xiàn)出較強的溶解Ca3(PO4)2、Ca3[H2(PO4)]6·5H2O、CaHPO4、FePO4和骨粉的能力;在盆栽條件下,接種青霉菌P8菌劑的土壤能提高作物的吸磷量,其生物產(chǎn)量比不接種顯著提高,且在有效磷低的土壤上其增產(chǎn)幅度大于有效磷高的土壤。3土壤微生物解磷機制的研究3.1葡糖酸和pq基因的共源性分離Liu等研究發(fā)現(xiàn),一些溶磷能力較好的革蘭氏陰性菌在壁膜空間中存在著直接氧化途徑。溶磷細(xì)菌通過直接氧化途徑向胞外環(huán)境釋放強酸,從而酸化難溶性鈣磷化合物中的磷,參與這個途徑的酶都定位于細(xì)胞膜外側(cè)。該氧化途徑的第一步是葡萄糖在葡萄糖脫氫酶(GDH)的作用下被氧化成葡糖酸。GDH是醌蛋白家族中的一員,它所催化的酶促反應(yīng)需要氧化還原輔助因子2,7,9!三羧基1H!吡咯!喹啉!4,5!二酮(PQQ)的參與。PQQ是維生素B族的成員之一,它還具有保護細(xì)菌抗輻射的能力。葡糖酸進一步被氧化形成酸性極強的葡糖酮酸,然后被分泌到細(xì)胞壁和細(xì)胞膜之間,使胞外環(huán)境酸度極高。因此,在這個途徑中,GDH和PQQ的共同作用是關(guān)鍵的。最近,Goldstein利用功能互補法在大腸桿菌基因文庫中尋找pqq或gdh基因時發(fā)現(xiàn),一些與pqq基因沒有同源性的DNA片段也能誘導(dǎo)PQQ合成。因此推測,在解磷細(xì)菌體內(nèi)可能存在另一個新的醌蛋白葡萄糖脫氫酶反應(yīng)途徑。3.2磷礦粉的代謝產(chǎn)物目前,解磷菌對難溶無機磷酸鹽的解磷機制一般都被認(rèn)為是由于菌體生長過程中產(chǎn)生各種有機酸,而將其中的磷溶解釋放出來,即“酸解作用”。曲霉、青霉、歐文氏桿菌和腸桿菌等之所以具有溶解磷礦粉能力,主要是由于分泌有機酸,直接溶解了磷礦粉,其中腸桿菌和歐文氏菌分泌的有機酸物質(zhì)還起著螯合和絡(luò)合作用。不同微生物分泌有機酸的數(shù)量和種類差別很大,真菌分泌的有機酸種類比細(xì)菌要多,林啟美等用HPLC手段檢測到這些有機酸的成分和含量差別。這些酸既能降低pH值,又可與鐵、鋁、鈣等離子結(jié)合,從而使難溶性磷酸鹽溶解,其作用大小不僅取決于分泌酸的種類和數(shù)量,更與其機制的緩沖性及能與磷酸根離子螯合的離子多少有關(guān)。鐘傳青測定發(fā)現(xiàn),巨大芽孢桿菌在以黃麥嶺磷礦粉、黃金卡黃磷礦粉為唯一磷源時的發(fā)酵液能產(chǎn)生檸檬酸、琥珀酸、乳酸及乙酸等有機酸,可能通過螯合磷礦粉中的金屬離子,使磷游離出來。3.3磷系統(tǒng)治磷原理微生物(尤其是真菌)對有機物的礦化作用主要是微生物在代謝過程中產(chǎn)生各種酶類,即通過分泌植酸酶、核酸酶、脫氫酶和磷酸酶等物質(zhì)使有機磷酸鹽礦化,成為植物可以吸收利用的可溶性磷。酶解作用是有機磷降解的重要途徑。當(dāng)有效磷低于一定值時,微生物和植物感受到低磷脅迫,就會分泌胞外酸性或堿性植酸酶、脫氫酶和磷酸酶等物質(zhì),將磷酸脂等有機磷降解,釋放出有效磷,而此時,微生物對磷的代謝作用明顯多于植物,并且使植物生物量、根長、產(chǎn)量等顯著提高。微生物礦化作用易受環(huán)境因素的影響,適中的堿性環(huán)境更有利于其發(fā)揮作用。3.4降低細(xì)菌磷源及對磷的解磷能力目前,科學(xué)家對溶磷酸基因及相關(guān)調(diào)控序列的研究已越來越多。編碼PQQ和GDH蛋白的基因已經(jīng)被克隆和表達(dá),溶磷細(xì)菌中缺少pqq或gdh基因,都不能表現(xiàn)出解磷功能。Goldstein等開展了一些大腸桿菌和草生歐文氏桿菌的有關(guān)解磷功能調(diào)節(jié)的研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的解磷能力直接受培養(yǎng)基中可溶態(tài)磷酸鹽水平的調(diào)節(jié),且細(xì)菌溶解礦物磷酸鹽的功能可隨培養(yǎng)基中臨界磷濃度的增加或減少而被開啟或關(guān)閉。此外,Goldstein等在試驗中采用2種不同基因型的細(xì)菌HB101和草生歐文氏桿菌,進行了解磷基因克隆的嘗試,發(fā)現(xiàn)前者不能在以HAP作為唯一磷源的限制性培養(yǎng)基上生長,而后者則對2種形態(tài)的磷都能利用。根據(jù)這種表現(xiàn)型上的差異,他們將歐文氏桿菌中1段含HAP溶解功能的DNA片斷克隆到HB101內(nèi),使之能夠在以HAP為唯一磷源的培養(yǎng)基上生長,并發(fā)揮溶磷功能。這些研究結(jié)果說明,在分子水平上對解磷微生物進行研究,可以分離和克隆相關(guān)的解磷基因,以進一步提高微生物的解磷能力,從而改善土壤中速效磷的含量。4土壤中的磷有機肥料對作物生長的影響4.1對微生物的作用植物對磷的吸收與根系長度、根毛數(shù)量、根系代謝活性等諸多因素有關(guān)。郜春花等報道,用解磷菌劑處理的青菜根系較發(fā)達(dá),主根長和根系鮮重較不接種對照分別增加了29.8%~16.3%和58.3%~62.5%。根系的增大,促使根系分泌物增多,導(dǎo)致根系吸收養(yǎng)分能力也相應(yīng)增強,從而促進作物地上部分生長,鮮重、干重和生物量分別較對照增加41.1%~23.5%,24.9%~15.8%和41.6%~24.6%。Rovira等提出了微生物可能影響根際作用的4個方面:①影響根細(xì)胞的滲透性;②影響根的代謝活動;③對某些分泌化合物有吸收作用;④改變根際營養(yǎng)成分。如多黏桿菌產(chǎn)生的多糖素能夠增強植物根部細(xì)胞透性,從而導(dǎo)致根系分泌較多的氨基酸。某些細(xì)菌及真菌等還能增加燕麥根部分泌7%羥%6甲氧香豆素的能力。小麥根際解磷細(xì)菌Pseudomonasputida可轉(zhuǎn)化小麥根系分泌物中的糖等碳水化合物,刺激根系分泌物的分泌。Arihara等研究表明,菌根真菌可以通過真菌菌絲體的生長,增加植物根系吸收磷的面積,擴大根圈范圍,促進根際酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性的提高,從而改變植物的生長狀態(tài)。這種接種處理一般發(fā)生在植物發(fā)育早期,才能夠明顯促進根的生長,后期這種作用幾乎消失。4.2解磷微生物的用量接種解磷菌在植物生長前期對葉重有很大的影響。接種解磷菌的葉片要比施加肥料的葉片大,表現(xiàn)為葉片迅速向四周生長并且更快達(dá)到最大生長點。這樣使植物在前期生長迅速,提高植物防御病蟲害的能力,因為這個時期是植物對環(huán)境壓力最敏感、最易造成作物減產(chǎn)及質(zhì)量降低的時期。因此,解磷菌在植物(尤其作物)生長早期施用無疑具有重要意義。解磷微生物(細(xì)菌、真菌等)通過代謝作用溶解根際難溶性磷化物,補充植物所需磷礦營養(yǎng)的同時,還有利于植物對N、K、Ca、Mg、Fe、Zn等其他營養(yǎng)元素的吸收,促進植物地上部分的生長,提高生物量和產(chǎn)量。如在小麥和珍珠稷根部接種真菌Chaetomiumglobosum,提高了磷酸酶和植酸酶的分泌量,轉(zhuǎn)化土壤中的植酸磷,從而使生物量和產(chǎn)量增加23%~32%。郝晶等曾研究不同解磷菌群對豌豆生長和產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,使用解磷菌劑能大幅度提高豌豆產(chǎn)量,產(chǎn)量多少與接種的菌群關(guān)系為:真菌>細(xì)菌>混合菌,再一次確認(rèn)了真菌的解磷能力高于細(xì)菌。4.3促進作物病害的作用在作物根部使用微生物肥料,微生物在作物根部大量生長繁殖,作為作物根際的優(yōu)勢菌,限制了其他病原微生物的繁殖機會。同時,有的微生物對病原菌還具有拮抗作用,或者分泌抗菌素,抑制或殺死致病真菌和細(xì)菌,起到了減輕作物病害的功效。接種解磷微生物不僅刺激植物快速生長,還可減少根系有機酸、磷酸酶等物質(zhì)的分泌,在很大程度上減輕了植物由于營養(yǎng)缺乏而導(dǎo)致的根際酸化現(xiàn)象。曾廣勤等研究表明,解磷菌還可以提高小麥的氮磷含量,充足的氮磷營養(yǎng)使小麥根系碳同化作用更旺盛,碳水化合物積累更多,從而改善產(chǎn)品質(zhì)量,并提高小麥的抗旱抗寒能力。5生物-環(huán)境關(guān)系(1)繼續(xù)篩選高效解磷菌,把重點放在從特定作物的根面、根際土壤中篩選,進而提高土壤中可溶性磷的含量。