植物促生菌及其促生机理_续_

植物促生菌及其促生机理(续) 　　黄晓东　季尚宁　Bernard Glick 等13

植物促生菌及其促生机理(续)

黄晓东1, 季尚宁1, Bernard Glick 1, Bruce Greenberg 1, 卢林纲2

(1. 加拿大滑铁卢大学生物系, 安大略; 2. 黑龙江省农垦科学院)

3　植物促生菌的促生长机理3. 1　产生嗜铁素

与病原微生物相反, 植物很少因土壤中的有效铁被促生菌耗尽而受害。这一方面是植物可以利用微生物所产生的铁嗜铁素, 另一方面是植物可以忍受比微生物低得多的有效铁的土壤环境。大多数植物可以在千分之一病原微生物可正常生存的有效铁浓度下生长。故植物促生菌产生嗜铁素对病原菌来说是致命的, 但对植物是有益的(至少是无害的) 。

除此之外, 还有研究表明, 植物促生菌所产生的嗜铁素还可诱导某些植物的系统抗御反应, 从而使植物具有更好的抗御病原的能力。

3. 2　生物防治性能

铁是生命的基本物质。不论是动、植物还是微生物, 均需含铁蛋白来参与呼吸等一系列生理活动。尽管地球表面矿物含铁丰富, 但土壤中能够直接为植物和微生物利用的铁却不多。土壤中铁主要以三价铁(Fe 3+) 状态存在, 在pH 值为7. 4时其溶解度为10-18mo l L , 此浓度下的铁一般无法满足土壤微生物繁衍和植物生长发育的需要。然而, 某些细菌和植物分泌一种专门结合铁的小分子蛋白(sideropho res ) 可从土壤中收集铁, 这种物质被称之为嗜铁素。铁一旦与嗜铁素相结合则形成可溶性铁嗜铁素复合体, 并可通过植物和微生物细胞膜的特殊通道进入生物体内。氧化铁在体内还原后被释放并参与生物代谢活动。产生嗜铁素被认为是植物促生菌最主要的直接和间接促进植物生长的有效途径之一。植物促生菌产生的嗜铁素一般都具有高度的铁亲合性和专一性, 各种能鳌合铁的结构基团(二胺结构等) 收铁的能力, 铁, 。

嗜铁素复合体后被胞外特定的接收器吸收, 并被外质空间和质膜上的某些弱专化蛋白转移至细胞内的细胞质中。在那里铁从铁嗜铁素复合体释放出来参与细胞代谢。

铁在细胞质中释放可能涉及两个过程, 其一是嗜铁素变性(如水解等) 释放铁, 其二是铁在细胞之中被还原后成为二价铁而自动解离。这两个过程的任何一个均可降低铁与嗜铁素的结合力而使铁释放于细胞内并参加生物代谢。

由于铁嗜铁素复合体与受体之间的专化性能, 只有接受器与铁嗜铁素相互配合才能完成铁的吸收过程, 从而使生物代谢活动对铁的需求得到满足。从这个意义上讲, 只有产生嗜铁素和(或) 能够接受铁嗜铁素复合体的生物才能在缺铁的土壤环境中得到更好的存活和繁衍, 从而具有较强的生存竞争能力。与之相反, 那些既不产生嗜铁素又不能利用其它生物所产生的嗜铁素的生物, 在缺铁的土壤环境中将处于竞争劣势, 当前者存在时将极易为其所取代。研究表明, 绝大多数促生细菌和大多数植物具备产生嗜铁素或利用铁嗜铁素复合体的功能, 而大多数致病真菌则无此功能。当植物根系周围存在大量促生菌时, 它所产生的嗜铁素一方面很快地耗尽了土壤中仅存的微量可用铁, 使病原菌类因缺铁而无法繁衍, 另一方面通过铁嗜铁素向植物提供铁营养, 从而使植物获益。

收稿日期:20020115

。然而, , 表1列出了目前常。

. 21地抑制周围其它微生物的繁衍。如P seud o m onas f luorescens 产生抗生素pyrro lnitrin 可有效地抑制病原真菌R h iz octonia

solani 所引起的棉花猝倒病。由植物促生菌所产生的抗生素包

括:agrocin (土壤杆菌素) 84、agrocin 434、2, 4diacetylph lo roglucino l (2, 4二乙酰间苯三酚) 、herbico lin 、

oom ycin 、phenazines 、pyo luteo rin 和pyrro lnitrin 等, 这些物质

都可在很大程度上抑制各种真菌病原。着生于植物根周围的植物促生菌通过抗生素的合成可保护植物健康地生长发育。

3. 2. 2　产生嗜铁素　如前所述, 大多数植物促生微生物可

产生嗜铁素。根围促生菌嗜铁素的产生很快耗尽了病原菌生存所需要的铁, 从而使病原菌的繁衍和侵染能力大大下降。如促生菌P seud o m onoas f luorescens 2

79抑制由病原真菌

Gaeum anno m y ces g ram inis var . tritici 所引起的根部病害, 被

认为主要是通过产生嗜铁素而起作用的。促生菌和植物因都可接受利用铁嗜铁素复合体则不仅不受缺铁的影响, 而且还会获得更好的铁营养。

3. 2. 3　抗真菌代谢活动　多数植物促生菌可产生一系列低分

子代谢物抑制病原真菌的生存和繁衍。如P seud o m onas 菌属可产生氢氰酸以抑制引起烟草黑根病的病原真菌T h ielabiop sis

basicola 。当然, P seud o m onas 自身对氢氰酸是高抗的。萎蔫酸

(Fusaric acid ) 是植物病原菌Pyth ium 侵染后引起植物受害的

重要物质。而许多植物促生菌如C lad osp orium w erneck ii 、

P seud o m onas cep acia 和P seud o m onas solanacearum 可通过代

谢活动分解萎蔫酸来减轻植物受害程度。

3. 2. 4　产生抗真菌酶类　植物可以通过合成某些酶类来分

解真菌的细胞壁以达到抗病的目的。同样, 某些促生菌类亦

14现代化农业　　2002年第7期(总第276期)

表1　目前世界常用具有生物防治功能的促生菌

细菌

商品名称

Galltro l A N ogall D iegall N o rbac 84Ep ic

防治病原

由A g robacterium tum ef aciens 引起的冠缨病

A g robacterium tum ef aciens A g robacterium tum ef aciens

作物

果树、栗树等

A g robacterium rad iobacter

应用方法

悬浮液施于植物种子、幼苗、及土壤处理等

() A g robacterium A g robacterium A g robacterium rad iobacter B acillus subtilis

树木树木果树、栗树等

蘸根蘸根

悬浮液处理根、树干或插条

将干粉调至浆状并加入市售杀真菌剂拌匀后处理种子

由A g robacterium tum ef aciens 引起的冠缨病

引起根病的R h iz octonia solani ,

F usaru i m spp . , A lternaria spp . , 引起根病的R h iz octonia solani ,

(枯草杆菌)

棉花和豆科植物

B acillus subtilis Kodiak System 3(3) B lue C ircle D eny tBan Conquer V ictus B i o save 10B i o save 11

F usaru i m spp . , A lternaria spp . , 棉花和豆科植物

大麦、、稻、干粉与杀真菌剂混与泥炭混拌处理种

B acillus subtilis B u rkhold eria cep acia B u rkhold eria B u rkhold eria P seud o m onas P seud o m onas P seud o m onas S eud o m onas sy ring ae P seud o m onas sy ring ae

各种苗期病害

F usarium spp . , Py thu i m spp . , N e m atod es (线虫)

R h iz , F , h iz . , F spp . , .

子或滴灌三叶草、大麦、小麦、与泥炭及粘着剂混高粱、菜豆、豌豆、棉花玉米、蔬菜和棉花

杏、苹果、樱桃、桃、梨、草莓、番茄及马铃薯蘑菇蘑菇

可湿性粉剂可用于果品收获后喷洒喷施喷施

可湿性粉剂可用于果品收获后喷洒可湿性粉剂可用于果品收获后喷洒拌处理种子或滴灌

霜霉病, E r w inia any lovora

P seud o m onas tolassii P seud o m onas tolassii B otru tis cinerea , P enicillium spp . , M ucor py rof or m is , B otru tis cinerea , P enicillium spp . , M ucor py rof or m is , F usarium spp . , A lternaria brassicola , P ho m op sis spp . , B otry tis spp . , Py th ium spp . , 柑桔和梨果类

柑桔和梨果类

S trip to m y ces g riseov irid is

M yco stop

大田作物、蔬菜作物和观赏性植物

喷洒或通过灌溉施入

可通过合成一些酶类(如几丁质酶、蛋白酶、Β1, 3葡聚酶、

脂肪酶等) 来消灭或抑制真菌。如已发现P seud o m onas stru tz eri 可产生胞外几丁质酶和昆布多糖酶来消化和分解F usarium solani 的菌丝体, 从而防止或减轻这些真菌所造成的根腐病; P seud o m onas cep acia 能产生Β1, 3葡聚酶可部分分解致病真菌R h iz octonia solani 、S clerotium rolf sii 和Py th ium u lti m um 的菌丝体。最近发现植物促生菌E nterobactoer ag g lo m erans 的3个生理种均能对一系列致病真菌(包括R h iz octonia solani ) 有防治作用, 其原因是这3个生理种均具备一种能分解几丁质的多酶复合体。

3. 2. 5　营养及空间竞争　某些植物促生菌在植物根或种子周围具有很强的营养及空间竞争能力, 并通过此方式抑制病原菌的繁衍和发展。如某些植物促生菌限制病原菌P . u lti m um 就是通过消耗掉种子的渗出物而起作用的, 因为种子的渗出物(尤其是长链脂肪酸) 是病原菌萌发所必须的物质, 促生菌耗掉了种子渗出物也就清除了这种病原的发生条件。研究表明, 植物叶片上只有很少的地方可供微生物侵入, 用叶面腐生细菌可较容易地占据这些位置, 从而减少病

植物促生菌及其促生机理(续) 　　黄晓东　季尚宁　Bernard Glick 等原侵入的可能性。

3. 2. 6　诱导植物系统抗病性能　许多植物本身具备一定的

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乙烯的正常生理功能是协助打破种子休眠、促进植物成熟和衰老。植物一生大部分生长发育阶段只需很低水平的乙烯, 只是在接近成熟和衰老阶段才大量合成乙烯。然而, 当植物在生长发育阶段如遇不良环境因素(如淹水、高温等) 、机械损伤或病虫害侵袭时会产生大量乙烯作为植物对环境的一种生理应激反应。应激乙烯的产生在某种意义上来说是植物的一种自我保护反应, 如诱导在被病原侵染处或受伤处形成栓化组织来防止侵染扩大, 或通过乙烯再进一步诱导抗生酶类产生等。然而, 乙烯的过量产生将导致植物生长发育受阻或死亡。在大多数农作物生产中大量乙烯的产生将导致农业生产遭受严重的经济损失。如由乙烯诱导衰老所造成的桃裂核与油菜炸荚在农业生产中造成了重大损失。

高等植物体内乙烯的合成途径为A CC (1氨基环丙烷

1羧酸) , 经A CC 氧化酶氧化后形成乙烯和氢氰酸。

系统抗病性能, 对多种病害具有一定的抵抗能力。然而, 某些植物的这种系统抗病能力需要一定的环境或微生物条件的诱导才能形成有效的抗病机制, 这种诱导可以是病原或非病原微生物及其代谢产物, 亦可通过植物促生菌的处理获得系统抗病机制。如用植物促生菌P . p u tid a 和S erratia

m arcescens 处理黄瓜种子或子叶可防止或减轻由P . sy ring ae p v . L ach rym ans 引起的细菌性黄瓜叶角斑病, 经处理过的黄

瓜病原群体数量大大减少, 叶斑的数量和大小显著降低。此外, 用促生菌P . f luorescens 处理种子可强烈地诱导整个植株对病原P . sy ring ae p v . p haseolicola 的抗性, 甚至在接种病原高达108个 m l 仍无明显发病。这意味着促生菌种子处理给了整株植物以抗细菌叶病的“免疫力”。植物促生菌诱导系统抗病性能已在田间、实验室和温室都得到了证明。

3. 3　植物生长调节功能

最近研究发现, 多种植物促生菌可分泌A CC 脱氨酶。这种酶可将植物乙烯前体A CC 分解成为。通过

A CC 脱氨酶, , 从而可大

植物组织的分化、生长均依赖于其生物化学信号——植物激素的调节。这些激素可以来自于植物体自身分泌, 称之为内源激素; 亦可以来自于体外的其它来源, 称之为外源激素。的作用。植物激素主要分为生长素、这(促生菌) 作物。到促进作物生长发育的目的。

3. 3. 1　植物促生菌与植物生长素　

, 。

3. 41, , 从而增加植物铁营养的吸收。

. 4. 2　解磷　土壤中存有大量的磷, 但大部的磷属不溶性

磷, 植物不能利用。植物促生根际微生物可生产大量的有机酸, 使土壤中不溶性磷溶解, 从而加速土壤中无效磷的有效化, 增加土壤中磷对作物的供应。

3. 4. 3　生物固氮功能　大部分植物促生菌能产生固氮酶,

可在一定程度上固定空气中的氮素。在植物根围生存繁衍的植物促生菌可将少量的固定的氮素供给植物。

生物固氮也许不是植物促生菌在农业上最重要的功能。因为尽管大多数植物促生菌具备自生固氮能力, 但其所固定的氮远不能满足现代作物生产对氮素供应的要求。同共生固氮相比, 其固氮能力亦相差遥远。然而, 与共生固氮仅能为植物提供氮素不同, 植物促生菌除了为植物提供氮素之外还可为植物生长发育提供了多方面促进作用。具有固氮能力的促生菌在缺氮的环境中比其它菌类有更强的生存能力, 更容易为植物提供良好的促生作用。在长期缺氮的环境中, 能自生固氮的植物促生菌对植物氮素的积累还有一定促进的作用。随着基因技术对自生固氮细菌的改造, 人们将会选育出具有更强固氮能力的植物促生菌用于农作物生产。

上述植物促生菌的功能并非存在于一种促生菌中, 但一种促生菌也可能具备以某种功能为主的多种功能。在实际应用中可根据具体情况选择多种促生菌的组合来达到促进作物生长发育的目的。随着现代基因操纵技术的进步, 人们可以定向培养出在某一方面具有高度活性的促生菌来满足某种专门的需求。可以预料在不远的将来, 植物促生菌可用来部分或大部分代替农药和化肥, 以实现高效益、低成本、环境安全、产品优良的农业生产。(本文续完)

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植物生长素主要是I AA (吲哚3乙酸) 及其类似物。在一定浓度上, I AA 专司细胞伸长, 具有刺激生长之功效。此外, I AA 可引导植物茎对光作出反应使其向上生长, 可引导根对重力作出反应使其向下生长。

大部分与植物有关的细菌都产生I AA 。据估计, 土壤细菌中约有80%的细菌产生I AA , 并对植物内源I AA 库产生影响。这些细菌有的是植物病原, 有的可促进植物生长发育。

促进植物根系生长是植物促生菌的一个主要特征。植物根围的促生菌可合成I AA , 并提供给植物根系成为促进根系生长的外源I AA 。如给油菜种子接种能产生低水平I AA 的植物促生菌P seud onona p u tid a GR 122可导致油菜初生根伸长增加20%～30%, 该菌的另一变种可产生较高水平的

I AA , 接种后导致大量次生根的发育。研究表明, 低水平的I AA (10-12～10-9mo l L ) 可促进植物初生根生长, 而更高浓

度的I AA 可促进植物次生根和不定根生长。无论初生根还是次生根与不定根的快速生长发育, 都将使植物幼苗的根系吸收系统得到迅速的建立, 从而使植物幼苗快速获得定植和同化环境的能力。

3. 3. 2　乙烯水平的调节