付嚴松 李宇聰 徐志輝 邵佳慧 劉云鵬 宣偉 張瑞福，

（1. 南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；2. 中國農科院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100086；3. 作物遺傳與種質創(chuàng)新國家重點實驗室 南京農業(yè)大學，南京 210095）

我國農業(yè)生產上由于化肥的過量施用，造成了農田環(huán)境污染和農產品安全等問題，導致土壤質量的降低，影響土壤的持續(xù)利用。根際微生物被看做植物的第二基因組，對宿主植物的營養(yǎng)和健康發(fā)揮著重要的作用，促進化肥減施增效和農業(yè)綠色發(fā)展。根際微生物中的植物促生菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPRs）由于其根際定殖能力強、對植物具有多種益生作用，是目前微生物肥料的主要生產菌種。

PGPRs對植物的促生機制分為直接促生和間接促生兩種，直接促生機制主要包括活化養(yǎng)分，如固氮、溶磷、解鉀、活化各種中微量營養(yǎng)元素等［1-2］、調節(jié)植物激素水平，如分泌有益激素及降解有害激素等［3］、產生揮發(fā)性促生物質［4］；間接機制一般包括抑制植物土傳病害［5］、誘導植物系統(tǒng)抗性和誘導植物產生對非生物脅迫的系統(tǒng)耐性等。

PGPRs在根際的定殖能調控植物根系構型（Root System Architecture，RSA），促進側根和根毛的發(fā)育，增強植物的生長和根際養(yǎng)分吸收，提高肥料利用率。PGPRs通過自身分泌的各種激素和信號物質調控植物根系發(fā)育的信號通路和分子途徑，會影響根系的主根、側根和和根毛等的發(fā)育，最終影響植物的根系形態(tài)。目前已經鑒定了一些PGPRs影響RSA的激素和信號，也初步闡釋了這些物質調控植物根系發(fā)育的分子機制。但是PGPRs種類眾多，對根系的影響也復雜多樣，為了利用PGPRs及其代謝物質調控形成不同作物的理想根系形態(tài)，促進根際養(yǎng)分的吸收利用，仍需系統(tǒng)發(fā)掘PGPRs調控根系形態(tài)的新型信號物質，深入揭示它們的作用機制，促進PGPRs在減施增效和農業(yè)綠色發(fā)展中的應用。本文綜述了目前已知的PGPRs分泌的調控RSA的激素和信號，總結了調控機制的研究進展，并對今后的研究提出展望。

1 PGPRs影響主根、側根和根毛的生長從而調控植物的根系構型

植物根系自身具有高度的可塑性，PGPRs對植物RSA的影響是多方面的。大量研究證明PGPRs對主根伸長的影響有的表現為促進，有的表現為抑制；但側根和根毛的數量都表現為顯著促進，植株根系的生物量也得到提升［6］。

部分PGPRs會抑制植物主根的生長，如假單胞菌WCS417［7］和巨大芽孢桿菌UMCV1都通過影響擬南芥根部細胞在增殖和分化之間的轉換來改變其根系結構，其中假單胞菌WCS417增加了分生區(qū)細胞的分裂、而巨大芽孢桿菌UMCV1減少了分生區(qū)細胞的分裂，但這兩株菌直接接種于擬南芥根部時都抑制了主根的伸長［8-11］。

大多數PGPRs都能促進植物主根的伸長，如伯克氏菌PsJN能提升擬南芥主根長度、增加根毛數量以及根生物量［12］。Ryu等［4］測定了7株產生揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的PGPRs對擬南芥生長的影響，結果發(fā)現其中枯草芽孢桿菌GB03和解淀粉芽孢桿菌IN937a可以顯著促進擬南芥的地上部發(fā)育，其原因可能與PGPR對植物RSA的調控緊密相關。Gutierrez-Luna等［13］從檸檬根際土壤中分離得到3株PGPRs菌株，產生的VOCs都可以改變植物的RSA。

2 PGPRs通過分泌植物激素和信號物質調控植物的根系構型

PGPRs主要通過分泌豐富的代謝物調控植物根系發(fā)育信號途徑影響植物的RSA。這些代謝物可以分為兩大類：一是植物激素類物質，包括生長素（IAA）、赤霉素（GA）、細胞分裂素（CTK）、脫落酸（ABA）、乙烯（ET）和油菜素甾醇（BR）等，這些激素可以通過激活其下游信號通路直接調控植物根系發(fā)育；第二大類是PGPRs分泌的激素之外的一些信號分子，它們通過影響植物內源激素的穩(wěn)態(tài)和根系發(fā)育的過程來調控植物根系發(fā)育。

大部分PGPRs可以產生CTK［14-16］，例如枯草芽孢桿菌會分泌CTK從而增加植物內源CTK的含量影響生菜根系的發(fā)育［17］。有些PGPRs能分泌GA，如蠟樣芽孢桿菌MJ-1產生GA來增加紅辣椒內源GA的含量，改變其根系結構［18］。PGPRs分泌的生長素吲哚乙酸（IAA）同樣能誘導植物根系生長［19-22］。例如，枯草芽孢桿菌AH18和地衣芽孢桿菌K11都有分泌植物激素IAA的能力，當接種不同濃度的枯草芽孢桿菌AH18和地衣芽孢桿菌K11于黃瓜根部時，其根系生長狀態(tài)存在梯度效應，黃瓜主根的伸長隨著接種濃度的升高而增大，當接種量過高時對主根存在抑制效果［23］，證明PGPRs分泌的不同水平IAA對植物根系的影響有顯著差異性，IAA的促根效用與劑量有關。微生物分泌的植物激素類物質，多數被植物根系直接吸收利用，但極少數PGPRs代謝產生的揮發(fā)氣體乙烯（ET）在調控植物根系發(fā)育過程中扮演信號類物質的角色［13］。

PGPRs還能分泌一些非激素的信號物質影響植物的根系發(fā)育。PGPRs的群感信號分子高絲氨酸內酯（N-Acyl-homoserine lactones，AHLs）能夠在高濃度下通過改變植物體內CTK的應答來誘導側根的生長及抑制主根的伸長，在低濃度下通過作用于植物G蛋白信號和鈣調蛋白的機制，增加分生區(qū)細胞的分裂和伸長來增加主根的延伸［24］；某些PGPRs產生的另一種群感信號二酮哌嗪類化合物（DKPs）能夠激活植物IAA應答基因的表達，和植物內IAA受體蛋白結合，誘導植物側根生長［25］。PGPRs產生的揮發(fā)性有機物（VOCs）也具有調控植物根系發(fā)育的功能，如芽孢桿菌B55可以通過產生的揮發(fā)性的二甲基二硫，能夠恢復乙烯不敏感突變株的根系結構［26］。枯草芽孢桿菌GB03和解淀粉芽孢桿菌IN937a分泌的VOCs類物質2，3-丁二醇和乙偶姻可能通過影響根系發(fā)育來促進植物地上部的生長［4，27］。運動節(jié)桿菌UMCV2產生的揮發(fā)性有機物十六烷基二甲基叔胺（N，N-dimethyl hexadecylamine，C16-DMA）及有機胺類通過茉莉酸信號途徑介導根系的發(fā)育［28］。這些研究證明PGPRs通過分泌多種的植物激素和信號物質調控植物根系的發(fā)育和結構（表1）。然而，PGPRs種類眾多，分泌的代謝物也復雜多樣，許多調控植物根際發(fā)育的新型信號物質仍待挖掘。

表1 PGPRs分泌的調控植物的根系構型的植物激素和信號物質

3 PGPRs分泌的信號物質主要作用于植物內源激素通路調控植物的根系構型

PGPRs所分泌的信號類物質對植物根系結構的影響，主要通過對內源植物激素通路的調控。植物主根的發(fā)育受胚胎時期所形成根尖干細胞的控制［27］，在根系發(fā)育過程中，IAA途徑下游的PLT轉錄因子控制IAA的濃度梯度，來維持干細胞的穩(wěn)態(tài)，從而控制主根的伸長［29-31］。在主根的“過渡區(qū)（Transition Zone）”（位于分生組織的尖端，該區(qū)域的細胞不分裂，細胞延長緩慢）［32］，CTK可以抑制IAA極性運輸蛋白（PINs）的表達，導致主根局部IAA濃度梯度的改變，誘導細胞的分化而影響主根的伸長［33-34］。一些PGPRs的代謝物可以直接介導植物內源IAA的轉運，影響植物根系的構型。研究發(fā)現植物根際促生菌枯草芽孢桿菌GB03分泌的VOCs可以促進植物根系發(fā)育，當施用于帶有IAA信號報告基因DR5∶GUS標記的擬南芥時，可觀察到IAA信號顯著增強，但施用于eir1突變株時，其促生效果受到抑制，證明枯草芽孢桿菌GB03分泌的VOCs通過調控擬南芥內源IAA的極性運輸以誘導細胞的伸長，從而影響擬南芥主根的發(fā)育［35］。銅綠假單胞菌分泌的銅綠菌素（PCN），在群感信號分子的調控下，不依賴植物IAA和CTK信號通路誘導根系構型變化，其中PCN可能協(xié)調內源ET水平，改變主根根尖部分活性氧（ROS）穩(wěn)態(tài)（H2O2和O2-的平衡）而抑制植物主根生長［36］。

植物的側根由主根成熟區(qū)的中柱鞘細胞脫分化形成，IAA在中柱鞘細胞中會誘導側根原基的產生［37-38］。研究表明，擬南芥?zhèn)雀谥鞲系闹芷谛园l(fā)生受到主根靠近根尖的信號震蕩區(qū)（Oscillation zone，包括過渡區(qū)和伸長區(qū)）震蕩基因（Oscillating genes）的調控，震蕩基因的表達上調會增強根尖信號震蕩區(qū)的IAA信號，進而誘導中柱鞘細胞的分裂和側根形成點（Pre-branch site）的形成，生長素受體TIR1和根冠的生長素合成途徑可以通過維持信號震蕩區(qū)的生長素信號強度來誘導側根形成點的發(fā)生［39-40］。

在側根形成點發(fā)育成為側根的過程中，生長素信號途徑也起著決定性的作用。在中柱鞘細胞第一次細胞分裂前，細胞中的IAA應答途徑被活化，從而選擇性的激活特異的中柱鞘細胞分裂形成側根原基［41］，這一過程受到AUX/IAA轉錄抑制因子IAA14和IAA28、IAA轉錄調控因子ARF7和ARF19及其下游信號基因GATA23等的嚴密調控［42］。此外，IAA途徑下游靶標基因PLT3，PLT5和PLT7在側根原基形成后，參與對側根原基發(fā)育的調控，對側根持續(xù)的萌發(fā)產生重要影響［43-44］。因此，IAA信號不僅在信號震蕩區(qū)誘導側根形成點的形成，也調控側根原基的發(fā)生和發(fā)育，是側根發(fā)生的最重要的調控因子［45］。

值得注意的是，銅綠假單胞菌產生的群感信號DKPs和已知的IAA有相似的二維雜環(huán)結構，同樣能和植物內的IAA受體蛋白TIR1結合，激活下游IAA應答基因的表達，誘導植物側根的形成［25］。大腸桿菌產生的吲哚會影響植物內源的IAA信號，當施用于植物根部時會促進側根原基的發(fā)育［46］。推測是吲哚在低濃度時會扮演和IAA相似的功能促進AUX/IAA轉錄抑制因子的泛素化降解，增加IAA轉錄調控因子（ARFs）對下游IAA應答基因的轉錄激活，從而促進側根的生長；而在高濃度時吲哚則會扮演IAA的競爭抑制物抑制AUX/IAA的降解，降低ARF對下游基因的調控能力，說明吲哚可以轉化為IAA的拮抗物質干預植物內源IAA信號通路。綜上所述，PGPRs對植物RSA的改變，通常伴隨著植物內源激素響應的變化。PGPRs代謝物對植物根系發(fā)育內源激素途徑的影響機制總結如圖1所示。

4 展望

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要門戶，調控植物RSA是促進根際養(yǎng)分吸收利用、提高養(yǎng)分利用效率的重要途徑。植物的根系發(fā)育既受到復雜的內源信號途徑的控制，又受根際微生物、養(yǎng)分含量、含水量、有害元素脅迫等生物和非生物因素的影響。培育根系構型合理、養(yǎng)分利用高效的作物新品種是目前的主要育種目標之一，但是這個周期較長；利用根際微生物對根系構型的調控和影響促進作物的養(yǎng)分吸收利用是簡便有效的可行途徑之一，具有重要的應用價值。

根際微生物作為植物的第二基因組，其研究對我國農業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略意義重大，也是目前國際前沿研究熱點。根際微生物已經連續(xù)兩年被中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院的報告列為國際重點研究前沿，并被美國科學家評為未來農業(yè)的五大發(fā)展方向之一，顯示其未來的巨大應用潛力。但是根際微生物在農業(yè)綠色發(fā)展中的潛力還未被充分利用，對PGPRs與植物互作的信號、功能、機制和應用缺乏深入的研究和系統(tǒng)的認識是限制其廣泛應用的瓶頸。

圖1 PGPRs產生信號分子調控植物根系構型分子機制

未來在PGPRs調控植物RSA以促進植物生長和養(yǎng)分利用方面，應重點圍繞以下幾個方向從基礎研究到實際應用系統(tǒng)開展工作，促進PGPRs在農業(yè)減肥增效和綠色發(fā)展中的應用。第一，深入挖掘PGPRs調控植物RSA的新型信號分子；第二，系統(tǒng)闡釋PGPRs新型信號分子調控RSA的分子途徑；第三，根據各種作物高效吸收不同養(yǎng)分的根系形態(tài)，探索綜合利用不同PGPRs菌株和信號組合調控形成理想RSA的技術體系；第四，實現PGPRs和新型信號分子產品化（微生物肥料和植物生長調節(jié)劑）和產業(yè)化的研發(fā)，服務于我國化肥減施增效和農業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實施。