PGPR研究进展及其应用

PGPR研究进展及其应用简介主讲：导师：根际微生态根际是指距根系表面一定范围内植物、微生物和止壌相互之间存在物质和能量交换的界面，在这个界面植物、微生物和止壤相互作用相互影响，范围从几微米到几厘米由于植物根系分泌物的作用，根际王壤物理、化学和生物特性都不同于非根际主壤。首先，植物根系分泌物和微生物会影响土壤物理结构的稳定性和化隙度，根系直径会影响主壤容重，再次根系分泌物影响土壌pH值和氧化还原电位。再次土壤的容重、水势和有机物含量也会影响根系生长速度和根系表面微生物数量，土壌水分含量会影响养分有效性和运输。另外根系分泌物会影响止壤微生物群落结构和功能。由根际紧密联系的植物、基质和微生物组成的系统称为根际微生态系统。PGPR简介PGPR(plantgrowth-promotingrhizobacteria)即植物促生菌，一群定殖于植物根际、与植物根密切相关的根际细菌，当接种于植物种子、根系、块根、块茎或土壤时，能够促进植物生长。植物根际是细菌的良好生境，能在植物根际持续稳定地定植、受植物影响的细菌称为根际细菌，根际细菌种群密度比非根际土壤高100倍，多达15%的根面可能被各种细菌的微菌落所覆盖。细菌利用植物释放的营养物质进行生长繁殖，同时分泌代谢产物到根际。PGPR研究历史从1978年，美国奥本大学的J.W.Kloepper首次提出植物根际促生细菌的概念以来过去40年中，PGPR研究始终是农业微生物学、植物病理学的热点领域之一。3年举办一次的PGPR国际学术研讨会反映了人们对这一研究领域的持续、广泛关注（1987，加拿大；1990，瑞士；1994，澳大利亚；1997，日本；2000，阿根廷；2003，印度；2006，荷兰；2009，美国）。多个学科领域的科学家、企业、政府加入其中，从不同角度和层面开展了范围广泛的研究。PGPR的主要种类芽孢杆菌属（Bacilli）由于其产生芽孢，能够在诸多不利环境中生存,是研究最广泛、最深入的植物根际促生细菌之一。类芽孢杆菌（Paenibacillus）也是植物根际普遍存在的一类芽孢杆菌。某些多粘类芽孢杆菌P.polymyxa菌株具有生物固氮能力；有些菌株产生IAA、细胞分裂素等植物激素。假单胞菌（Pseudomonads）是植物根际普遍存在的一类革兰氏阴性细菌，假单胞菌PGPR的研究最为广泛深入。已经从各种植物根际分离筛选了大量的具有植物促生和生防作用的假单胞菌。另外还有根瘤菌属，放线菌，木霉等PGPR促生机理1、提供植物营养物质生物固氮作用：在氮素贫瘠的土壤上，根际联合固氮菌提供植物氮素营养。在非豆科作物根际,普遍存在联合固氮菌，如固氮螺菌（Azospirillumsp.）、固氮弓菌（Azoarcussp.）等。联合固氮菌对植物生长的促进作用，主要是由于这些固氮菌能够促进植物根系发育，促进植物对水分和矿质养分的吸收利用所致。PGPR促生机理提高植物根际养分的可利用性：促进可溶性磷的释放。土壤中虽然有丰富的磷元素，但主要以难溶性的形式存在，如：多聚磷酸盐、植酸盐等。PGPR磷转化为可将难溶的植物能吸收的H2PO4−和HPO42-，还可促进铁，锌及其他微量元素的吸收。PGPR促生机理增强其它有益的共生作用：在许多情况下，PGPR作为“助手”细菌,协同其它有益的共生关系。如促进豆科植物-根瘤菌之间的共生，促进植物-菌根真菌之间的共生。复合促生作用：绝大多数情况下，一个PGPR菌株同时具有几种促生作用；在相同植物根际也同时存在多种具有不同促生作用的PGPR。PGPR促生机理2、产生植物生长调节物质生长素（Indole-3-aceticacid，IAA）：促进根生长、增加根长度及根表面积。细胞分裂素（Cytokinin）：促进根细胞分裂及增大和组织膨大，增加根表面积。赤霉素（Gibberellin，GA）：促进植物形态的改变。PGPR促生机理ACC脱氨酶：裂解植物体内乙烯合成的直接前体物质—1-氨基环丙烷-1-羧酸酯（ACC），降低植物根乙烯的合成，解除乙烯对根的抑制作用。辅因子(PQQ)：植物体内PQQ作为作为一种抗氧化剂。但是也不能排除其间接促生效果，PGPR促生机理3、植物根际生物修复剂（rhizoremediators）：细菌对土壤污染物的降解面临的最大问题是：很难适应非根际土壤环境。目前开发了一种解决方法：根际生物修复系统：筛选降解污染物根际细菌，以便其利用植物根际分泌物作为主要营养。目前获得一株能高效利用根际分泌物，又能降解根际污染物萘的恶臭假单胞菌PCL1444，保护植物免受萘伤害。PGPR促生机理4、环境胁迫调节剂目前研究的多得是ACC脱氨酶，其可以降低植物体内乙烯水平。并可解除植物病原细菌、多环芳烃碳氢化合物、重金属Ni2+和Ca2+、盐、干旱及淹水等生物和非生物压力对植物的危害PGPR生防机制植物病害的微生物防治（microbialcontrol）是一个复杂的过程，不仅涉及到生防微生物、病原菌和植物，而且还与土著性微生物区系（indigenousmicroflora）、大型生物区系（macrobiota，线虫，原生动物等）和植物栽培基质（土壤、蛭石等）有关。其作用机制主要从以下几个方面体现A、拮抗作用（antagonism）B、产生水解酶C、信号干扰（signalinterference）D、诱导系统抗性（inducedsystemicresistance，ISR)E、竞争营养和生态位（competitionfornutrientsandniches，CNN）F、竞争Fe3+(Competitionforferriciron）G、捕食和寄生（predationandparasitism)：主要是木霉H、解毒作用（detoxificationanddegradationofvirulencefactor）I、干扰病原菌的活性、生存、萌发及孢子形成PGPR应用前景1、PGPR在克服作物连作障碍中的应用我国现有作物种植模式及农业生产措施，导致作物连作障碍普遍发生，并日益严重，已经成为制约我国农业可持续发展的瓶颈问题之一。生产实践表明，单纯依赖化学肥料、化学农药不能从根本上解决作物的连作障碍问题；PGPR的应用是根治作物连作障碍的最行之有效的途径。PGPR应用前景2、PGPR在作物逆境生产中的应用作物生产过程中，经常遭遇干旱、积水、盐害、养分亏缺或肥害等恶劣环境条件的影响。PGPR能够诱导作物产生对非生物胁迫的耐受性，有助于作物在逆境条件下的生长。在解决作物生产中经常遇到的非生物胁迫方面具有广阔的应用前景。PGPR应用前景3、PGPR在土壤修复中的应用PGPR能够降解各种化学农药，减少农药对环境及农产品的污染。利用PGPR对重金属进行钝化；PGPR促进具有生物修复功能的植物生长，显著提高重金属清除效果，及对盐碱土地进行一定的缓解和改造。小麦在盐碱地中种植，加入PGPR其生长状况的对比。PGPR产品的商业化应用进展美国拜耳作物科学公司：新型生物农药KodiakRConcentrate和YieldShieldRConcentrateBiologicalFungicides,获得EPA登记；加拿大BrettYoung公司：BioBoostR由分离自植物根际的代尔夫特氏菌（Delftia）发酵而成的PGPR接种剂；BioBoostRplus是由食酸代尔夫特氏菌（Delftiaacidovorans）和大豆慢生根瘤菌组合而成；加拿大BeckerUnderwood公司：利用PGPR菌株枯草芽孢杆菌MBI600生产的SubtilexR产品获EPA登记。美国AdvancedMicrobialSolutions(AMS):开发了土壤改良剂PGPR制剂研发前景近年来国外特别加强了改善PGPR定殖能力,作用机理和适应性等应用基础研究,与其相比,我国的PGPR的应用基础研究十分薄弱,亟待加强。此外,新型PGPR的组成和生产工艺复合菌剂的研制、开发和应用是目前微生物制剂一个热点方向。如几种不同PGPR的复合制剂,PGPR与AM真菌混合、组合等。PGPR制剂研发前景新近研究表明,不仅在根区(根围和根内)分离到PGPR,在叶区也有类似PGPR的微生物。因此,“PGPR”的概念需要进一步拓展和完善。目前,已有多种PGPR产品获得商业专利进入市场。随着生物技术不断发展,将会有更多的新产品面世。