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土壤微生物研究进展

哈尔滨师范大学

学年论文

题目植物与微生物关系研究进展

学生李春葳

指导教师王全伟副教授

年级2009级

专业生物科学

系别生物科学系

学院生命科学与技术学院

哈尔滨师范大学

2012年5月

论文提要

植物与其生长环境中的微生物关系密切，两者形成了植物—微生物共生体系统。

植物影响着其周围及体内的微生物的群落结构，这些微生物又通过其生命活动影响植物的生长发育。

了解与认识植物与微生物的相互作用对于农业生产具有重要意义。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落结构及多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌（包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌）对植物生长发育的影响等进行综述，并就其将来的研究方向做了展望。

植物与微生物关系研究进展

李春葳

摘要:

植物与其生长环境中的微生物关系密切,两者形成了植物—微生物共生体系统。

植物影响着其周围及体内的微生物的群落结构,这些微生物又通过其生命活动影响植物的生长发育。

了解与认识植物与微生物的相互作用对于农业生产具有重要意义。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落及其多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌（包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌）对植物生长发育的影响等进行综述,并就其将来的研究方向做了展望。

关键词:

植物植物根际微生物内生菌　叶围微生物

植物与微生物的相互作用主要包括植物与根际微生物的互作、植物与叶围微生物的互作、植物与内生菌的互作及植物对微生物多样性的影响等。

植物与周围环境生物的相互作用在自然界中普遍存在,其中以植物与微生物的互作为重要形式之一。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落及其多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌（包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌）对植物生长发育的影响等进行综述,并就其将来的研究方向做了展望。

１植物根际有益微生生物与植物的关系

植物根际有益微生物主要指对植物生长和健康具有促进作用的土壤微生物。

这些微生物可以通过一些途径，促进植物定植、生长和发育[1、2]。

根据根际有益微生物主要作用可以将其分为植物根际促生微生物PGPM（plantgrowthpromotingmicribiology）和生防微生物BCA（biologicalcontrolagents）2大类。

1.1植物促生微生物

植物促生微生物主要包括根瘤菌（Rhizobium）、菌根菌等。

固氮微生物（自生固氮菌、联合固氮菌和共生固氮菌）可以通过固定大气中的Ｎ２从而增加植物对氮素的吸收。

ＷｕＦＢ发现，苗期海岛棉（Gossypiumbarbadense）接种自生固氮菌（Azotobactersp.）、巴西固氮螺菌（Azospirillumbrasilense）、多糖芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa）和根瘤菌后，其功能叶中氮、磷、叶绿素含量以及生物学产量均明显提高[3]。

尽管固氮微生物在非豆科植物以外的其他植物根际所占比例很小（1％），但对某些植物来说其根际固氮微生物所固定的氮素对其生长来说仍是重要氮源[1]。

有些植物根际促生微生物（主要是菌根真菌）可以通过影响植物根系形态及生理特征，如增加植物根系吸收面积、改变植物根系通透性从而影响植物对N、P、K的吸收[4]。

陈洁敏等[5]研究表明，分别接种3种AMF（泡囊丛枝菌根真菌）的玉米（Zeamays）对氮和磷的吸收比未接种的玉米增加了41.14％～78.29％。

一些植物根际促生微生物可以通过产生有机酸或酶一类的代谢产物作用于土壤中以螯合形式存在的营养元素，从而使其活化，特别是许多AM真菌对P直接进行活化，从而增加了土壤中植物可利用的P。

也有研究表明，菌根可以增加植物对水分的吸收，从而提高植物的抗旱能力。

1.2生物防治微生物

根际生防微生物指通过产生一些抗菌物质抑制病原菌在植物根际定殖和发展，同时也能够诱导植物系统对病原菌和外界不良条件产生一定抗性，从而间接促进植物生长的一类根际微生物，研究比较多的是Trichodermaspp．和pseudomonasspp.。

在自然界中，植物、病原物、根际生防微生物和环境之间的关系极其复杂[6]。

只有生防微生物定殖菌数达到有效水平，才能在植物根际同病原菌竞争营养，产生抗菌物质，防止病原菌对植物的侵害[7]。

目前，国外已有大量的生防微生物被商品化，而国内对该领域的研究相对比较落后。

因此，继续从土壤和植物根际筛选生防微生物，并通过生物工程、细胞工程等手段进行改良从而获得高效生防微生物，并将其商品化是我国学者在该领域仍需深入研究的关键问题。

2　叶围细菌与植物的关系

2.1叶围细菌在叶片表面的吸附

细菌以“联合”或者“粘附”方式附生在植物表面。

“联合”方式是不稳固的、可逆的、非特异性的附着，与植物之间主要是进行电子交换。

大量研究表明，Ca2+参与了植物—微生物互作的信号传递。

“粘附”方式是借助于毛缘、纤维素的纤维丝以及细胞外多糖等特殊的附属结构来维持的,是比较稳固的、不可逆的[8、9]。

TFPreece和WCWrong（1981）对腐生细菌和病原细菌在寄主和非寄主植物表面的吸附情况进行了研究，证明病原细菌在寄主表面吸附具有特异性，在寄主植物叶片上吸附的比例（52%～92%）比在非寄主植物上的比例高（11%～30%）。

细菌细胞在叶表面的非特异性吸附则被认为与细菌胞外多糖的黏附特性有关[10]。

吸附在植物表面的病原菌并不一定表现出致病性。

P.syringae菌株Cit7和TLP2能直接从健康的柠檬和马铃薯叶面上分离得到，并长期存活和形成大量种群。

丁香假单孢菌可在多种不同的寄主表面存在。

大豆假单胞菌P.sy2ringae.pv.glycinea在大豆叶片表面也存在一个附生阶段，为其随后侵染真叶提供了很好的接种体来源;软腐欧文氏菌也可在寄主和非寄主植物叶面上附生一段较长的时间[11]。

2.2叶围细菌与致病菌的关系

　自然条件下，植物病原细菌和非病原细菌广泛存在于植物地上部分的（包括叶、茎、花、果实等）表面或周围的环境中，一些细菌或者已完全适应叶围环境的一些菌株都能很容易的在其周围环境的土壤或者根围中找到。

试验表明,虽然一些细菌不是叶围的典型种类，但经常能在叶表面上发现[12]。

腐生性叶围微生物与致病性病原菌在叶围环境中存在着营养竞争。

尽管还没有直接的证据，但仍然可以相信，很多腐生性微生物对病原菌能产生拮抗作用。

通过对杨树易感和抗性无性系的微生物区系的研究发现，抗性品系的外分泌物能刺激微生物的生长，从而对病原菌产生拮抗。

2.3叶围细菌与植物病害的关系

　叶围细菌与植物病害存在着定性和定量关系。

病害的发生与叶围细菌群体水平有关。

龙葵叶片的冻害程度与叶面微生物多少及季节有很大的关系，冬季叶片的冻害较严重，且冻斑直径较大。

叶片发生病害的概率随着叶片上细菌数量的增加而增加。

研究表明，火疫病表现症状前12～14d，E.amylovora群体水平平均达到（105～106）CFU/花时，每株梨树的发病率通常大于1次侵染。

在病原菌群体水平低于103CFU/花时，见不到病害或只有极少数病害发生。

在调查食荚褐斑病时发现，流行病只发生在叶片上附生的丁香假单胞菌量超过104CFU/g（鲜叶）的田块中。

2.4叶围细菌与植物冻害　

植物叶围的一些细菌具冰核活性（INA+）。

这些冰核活性细菌可以作为冰核催化—10℃以上过冷却水迅速结冰，从而导致植物的冻害,使病原菌进入损伤组织并在其中繁殖。

INA＋菌株是导致很多植物冻害的主要原因。

如杨树冰核活性细菌是导致杨树溃疡病的主要因素。

在我国东北地区，杨树上普遍存在着冰核活性细菌,并造成杨树大量发生细菌性溃疡病。

然而在另一种情况下，INA+细菌的存在并不重要，如在美国的东南部，春天的苹果和梨表面都能检测到细菌INA+的存在，但他们不引起冻害。

INA+的重要种类有:

成团泛氏Pantoeaaggtomerans、菠萝泛氏菌P.ananas、大黄欧文氏菌E.rhapontici、噬夏孢欧文氏菌E.uredovara和丁香假单胞菌[13-16]。

3内生菌与植物的关系

一般将内生真菌分为两个类群，即禾草内生真菌（grassendophytesorbalansiaceousendophytes）和非禾草内生真菌（non—grassendophytes）。

内生真菌赋予植物优良生长性状的特点与菌根真菌类似，如促进植物营养生长、光合作用增强、增加生物量（产量）并提高在逆境中的生存能力。

3.1内生真菌能促进植物生长

感染内生菌的植物具有比未感染植株生长快速的特点。

内生菌促进植物生长的机制是多方面的，内生菌可通过生物固氮作用、合成铁载体协助宿主植物从土壤中吸收铁离子、合成或促进植物合成多种植物生长激素、促进宿主根系生长和对多种无机离子的吸收以及合成某些小分子物质或者酶（氨基环丙烷羧酸酶）、提高寄主植物对霜冻等有害环境条件及有害病原生物的敏感性等方面来促进植物。

3.2内生真菌能增强植物抗性

感染内生菌的牧草对环境胁迫如干旱以及铝的毒害等具有更强抗性。

内生菌还可增强宿主对各种其他生物如病原细菌和真菌、线虫、昆虫及哺乳动物的抗性，保护宿主免受危害。

何红等从辣椒中分离108株内生细菌，28.7%的菌株对香蕉枯萎菌和黄瓜枯萎菌有拮抗作用，其中一株内生枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis），对植物炭疽病菌和番茄青枯病菌等多种植物病原真菌和细菌有强烈的抑制作用[17、18]。

袁军等[19]从马铃薯块茎中分离到133株内生细菌，有40株对环腐病菌有拮抗作用，占总菌株的30%。

有研究表明，豆科植物的根际细菌与VA菌根相互作用，促进VA菌根菌孢子的提前萌发，进入植物参与植物的养分运输，帮助植物吸收营养，提高光合作用，从而提高植物抗干旱、盐碱等胁迫的能力、增强抗病能力[20];其次内生菌还可以通过与病原微生物竞争生态位和诱导植物产生系统抗性（ISR）[21]来增强植物的抗性。

3.3内生真菌对植物病虫害的防治

内生微生物对植物病菌病害具有防治作用的例子很多。

王万能等从烟草根、茎和叶中筛选到的1株内生细菌，对小麦纹枯病病菌、棉花立枯病病菌、烟草灰霉病病菌、烟草炭疽病病菌、棉花枯萎病病菌和烟草疫霉菌等有抑制作用，在温室栽培试验中，对烟草疫霉菌引起的烟草黑胫病有较高的防效，其防效达69.23%[22]。

Coombs研究小组从小麦根部分离的60多株放线菌筛选到防治小麦全蚀病的菌株，在温室试验中可使小麦全蚀病的危害降低70%[23]。

研究表明，荧光假单胞菌89B-61、孢囊假单胞菌N884、黏质沙雷氏菌90-13和枯草芽孢杆菌的代谢产物能够防治南方根结线虫[24]。

3.4内生真菌能促进植物的修复

植物修复是一种“温和”的生物修复技术，因其低廉的成本正在成为一种被广泛接受的污染治理方式。

当前对植物修复作用的研究主要针对两大类污染物:

硝基芳香族和杂酚类等有机污染物及镍、铬、锌等重金属污染物[25]。

Siciliano等[26]的研究表明，植物与细菌联合可以促进根际污染物质的降解，一些不能被根际细菌降解的有机污染物可能会在植物中累积，存在于植物体内的某些细菌可以有效地降解累积于植物维管束中的有毒化合物，从而减轻土壤污染物对植物的毒害作用，使植物可以进行自我修复。

Lodewyckx等[27]发现在植物根部接种内生菌时，根部的镍浓度较对照提高了30%，表明内生细菌可以提高重金属污染的植物修复作用。

当然，能促进植物修复的内生菌并不能降解每一种污染物，也不一定能在污染物环境中定殖成功。

因此，随着基因工程技术的发展，工程内生菌慢慢发展起来，Barac等[28]的工程内生细菌就能提高对水溶性可挥发的有机污染物的植物修复。

4植物对微生物多样性的影响

4.1植物类型对微生物多样性的影响

在一定的空间尺度上具有相似的环境条件下,，随着植物类型的不同，土壤微生物活性和群落结构表现出一定的差异，植物类型初步决定了微生物群落的组成.潘惠霞等［２9］对野生中麻黄（Ephedraintemmedia）、乌拉尔甘草（Glycyrrhizauralensis）和胀果甘草（Glycyrrhizainfalata）根际土壤微生物的种类，数量，分布规律及其与土壤肥力的关系进行了研究,结果表明麻黄和甘草根际土壤微生物均以细菌为主，其次是放线菌，真菌最少；甘草根际土壤微生物数量多于麻黄；乌拉尔甘草根际土壤微生物数量多于胀果甘草；中麻黄根际土壤微生物数量多于膜果麻黄。

韩芳等[30]对内蒙古皇甫川流域乔木，灌木和草地三种不同土地利用方式下土壤微生物类群物种多样性指数，均匀度，丰富度和优势度进行了研究，结果表明草地的土壤微生物类群和微生物量C多于乔木和灌木，草地放线菌的白孢类群少于乔木和灌木，草地的土壤质量优于乔木和灌木。

安韶山等[31]对宁夏南部宽谷丘陵区不同植被恢复措施，自然恢复演替不同演替阶段条件下土壤脲酶，蔗糖酶，中性磷酸酶和过氧化氢酶活性的变化特征及其在土壤质量评价体系的作用进行了研究，结果说明：

天然草地和灌木林地土壤脲酶，蔗糖酶，碱性磷酸酶活性较高，农地和果园土壤酶活性较低。

根据郑华等［32］对湘南红壤区湿地松人工林，杉木人工林，油茶人工林，天然次生林不同森林恢复类型对土壤微生物群落的影响研究表明，种森林恢复类型4土壤微生物生物量碳，细菌数量差异显著，且微生物代谢多样性指数也有明显差异。

Potthoof等[33]利用磷脂脂肪酸图谱（PLFA）技术研究了美国加利福尼亚草原恢复措施对土壤微生物群落结构的影响表明，耕犁过的休闲地和一年生草地以及多年生草地处理间土壤微生物磷脂脂肪酸图谱差别十分明显，但一年生草地和多年生草地差别不大.HanXuemei等[34]利用平板计数，磷脂脂肪酸图谱（PLFA）和Biolog微平板技术对大豆地（Soybeanfield），人工草地（artificialturf），人工灌丛（artificialshrub），自然灌丛（naturalshrub）和玉米地天（maizefield）进行了植被不同类型对土壤微生物群落特征的研究，结果发现豆科植物能够明显增加可培养微生物数量，微生物生物量和群落代谢多样性；干扰性较小的天然灌丛真菌的微生物生物量和代谢多样性高于干扰性较大的人工草地，人工灌丛和玉米地;并由此证实较多的植被种类，豆科植被和天然植被类型能够促进土壤微生物群落的功能。

杨官品等[35]在土壤细菌16SrRNA基因变异型及其与植被的相关性研究中发现草地，人工林和农田三种植被土壤在细菌群落结构上有分化，同时又存在相似的细菌类型，从草地到农田植被，土壤细菌遗传多样性分化加剧。

张于光等[36]对不同植被类型土壤固氮微生物群落结构研究表明三种植被类型土壤中得到了4个共有的OTUs，不同的植被类型下具有不同的固氮微生物群落。

夏北成等[37]在土壤微生物群落及其活性与植被的关系研究中，揭示受植被影响的土壤环境中土壤微生物群落多样性比不受植被影响或没有植被影响的土壤环境中的微生物群落样性要高，不受植被影响的表面以下土壤环境中的微生物群落具有显著的优势OUT种群，而表层土壤环境中没有显著的优势OUT种群，并且，植被对微生物的影响同时也表现在对生命物质DNA的影响,即有植被的土壤环境中的微生物DNA具有更高的活性，其基因在克隆过程中更容易转移，获得更多的克隆细胞和种群.

植物物种的丧失能够引起土壤中微生物群落的变化以及有机物质降解的变化.Waid指出，植被的类型，数量和化学组成可能是土壤微生物多样性变化的的主要决定因素，这种影响主要是基于植物凋落物及根系分泌物的特性，尤其是化学组成特性。

植被通过其凋落物和地下根系分泌物为土壤微生物提供营养和能量，不同的植物凋落物和根系分泌物物理化学性状不一样，在分解过程中释放的有机无机物有很大的差异，从而对土壤微生物生长具有选择性刺激作用，进而影响微生物群落结构和功能及其多样性，作为对资源可利用性的响应，微生物直接影响土壤中的碳氮循环。

因此，土壤微生物在植物和整个生态系统功能之间具有机制连接。

4.2根系分泌物对微生物多样性的影响

根系分泌物（Rootexutates）是指植物在生长过程中其根系通过各种方式向周围环境释放的各种有机无机物质。

从分泌物的来源看，包括分泌物，渗出物，脱落物和裂解物;从成分看，既包括高分子量的粘胶（多糖和多糖醛酸）外酶等，又包括低分子量的糖，氨基酸，有机酸，生长因子，酶类，核苷，黄酮类等。

根据作用性质有分为专一性根分泌物和普通分泌物。

由于根分泌物的产生，使得植物根系周围产生特殊的根际微生态环境，在这个环境中，根分泌物为微生物提供重要的能量物质，其成分和数量影响着微生物的种类和繁殖。

研究表明，不同植物种类或同种植物在不同发育阶段其根际微生物的数量，种类，优势种等存在很大差异，这与植物根系释放的有机物种类和数量有关[38、39]，同时，根系分泌物通过改变根际环境，pH，如氧化还原电位等间接地影响根际微生物活性，群落结构和多样性。

胡蜂[40]在研究中发现，小麦根际与非根际细菌，真菌和原生动物数量均为抽穗期最高，线虫则为成熟期最高，不同基因型小麦品种根际效应不同，抗病与感病品种根际微生物数量，种类的差异主要与不同品种，不同时期根系分泌物有关。

水稻根分泌物对反硝化细菌更强的选择性吸引作用使得水稻根际中反硝化细菌:

单孢菌属（Pseudomonas），孢杆菌假芽（Bacillus），微球菌属（Micrococcus），黄杆菌属（Flavobacterium）不动细菌属，（Acnetogbacter）和肠细菌属（Enterobacteria）等的数量远高于非根际土壤，且这些反硝化细菌在水稻不同生育阶段其数量也会发生明显变化，抽穗期数量最多，成熟期明显下降。

罗明等[41]研究了红柳（TamarixramosissimaIedeb），梭梭（Haloxylonammodendron（Mey.）Bunge）、沙拐枣（CalligonummongolicumTursz）3种固沙植物的根际和非根际土壤微生物的数量，组成，生理群微生物及土壤养分，结果表明这3种固沙植物具有较强的根际正效应，其根际微生物和非根际微生物的比率（R/S）在1.69～75.24之间，F检验，3种固沙植物根际的微生物数量有极经这显著的差异，其中以梭梭的根际效应最大，沙拐枣其次，红柳最小，这可能与梭梭强大的侧根系产生一些特定的根系分泌物，从而刺激了微生物生长有关。

另外，苜蓿根系中分泌的毛地黄酮能专一性地诱导苜蓿根瘤菌nod基因的表达，根瘤菌结瘤基因表达后，将合成并分泌一类脂寡糖化合物，即结瘤因子，作为根瘤菌返还给宿主植物的信号分子。

大量研究表明，植物根系能够感知根际中微生物的存在，并通过根系分泌一系列物质，诱导菌群繁殖，抑制致病菌的生长[42]。

5展望

植物一真菌的共生关系是一种古老的生物之间的互作形，真菌的侵染使原始水生植物很快适应陆地营养贫瘠的土壤环境，这使我们有理由相信这种共生体很可能是其他植物一微生物相互关系的共同祖先。

微生物与植物在根际微环境中进行着复杂频繁的互作。

土壤有益微生物通过其代谢活动提高土壤中植物营养元素的有效性，改变了植物根系生理状态，最终促进了植物的定植、生长和发育；植物通过其根际分泌物影响着土壤微生物的群落结构和代谢活性。

微生物与植物相互作用不是完全独立的，还受到土壤、温度、水分等多种环境因素影响，进一步研究植物、土壤微生物与环境关系，特别是研究植物－土壤－微生物所构成的系统可为今后进行绿色农业、林业保护和环境保护等提供更有价值的信息。

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