王琪媛 王甲辰 葉磊 姜帆

（1.北京師范大學生命科學學院，北京 100875；2.北京農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100089；3.國網（北京）綜合能源規(guī)劃設計研究院有限公司，北京 100082）

土壤鹽漬化嚴重危害農業(yè)生產。在近十幾年中，導致土壤鹽漬化的主要原因是用含有鹽分的水進行灌溉，隨著水分的蒸發(fā)作用，大量鹽分積累進而導致土壤鹽化。據統(tǒng)計，全球范圍內共逾1.2×108hm2（約為陸地總面積的10%）的土地是鹽土，可耕種土壤中約50%以上的面積受鹽害威脅［1-2］。鹽害問題的嚴重性還隨著農業(yè)可耕地移作他用（如農村城鎮(zhèn)化）而愈演愈烈。據估算，按現(xiàn)在的速度發(fā)展，至2050 年農業(yè)生產將不足以維持全球93 億人口所需［3］。因此，可耕地的鹽堿化是全球性的重大資源和環(huán)境問題。我國鹽堿地面積約3.5×107hm2，主要分布在17 個省份。雖然我國是鹽堿地大國，但是仍有約1.3×107hm2的鹽漬化荒地和鹽堿障礙耕地具有潛在的農業(yè)利用價值［3-4］。因此幫助植物在鹽漬土中生長具有重要的意義。

很多科研工作者利用轉基因技術或傳統(tǒng)的雜交手段篩選培育耐鹽作物。迄今為止已有的實驗數據表明，這些手段雖然已經取得了一些成功，但是對這些植物遺傳穩(wěn)定性的長效測試是一個費時費力的過程［5］。另一種策略是利用對植物有益的菌群，即植物生長促進菌群（Plant growth promoting bacterium，PGPB）［6］。PGPB 主要存在于植物根系周圍的土壤中，即被稱為根際的微生態(tài)系統(tǒng)中，也存在于植物組織中以及葉片或莖的表面。在這一大類菌群中，根際促生細菌的種類繁多，并且通過多種機制促進植物生長，提高植物的抗逆性。含ACC 脫氨酶的根際細菌在眾多細菌中格外引人注目，因為它在提高植物對多種非生物脅迫的抗逆性方面發(fā)揮著顯著作用，尤其在提高植物的抗鹽性方面［7-8］。

本文回顧了近十幾年已發(fā)表的關于含ACC 脫氨酶的根際細菌提高植物耐鹽性的研究成果，并總結這類根際細菌提高植物耐鹽性的生理和分子機制。明確含ACC 脫氨酶的根際細菌在鹽堿化農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中潛在的應用價值。

1 根際促生細菌的概念

植物遭受干旱、鹽堿等脅迫時往往由植物根系率先感知并作出應答。一般把距離根軸表面數毫米范圍內的土壤空間稱為植物根際，植物根際土壤中微生物的多樣性遠遠超過沒有植物定植的土壤［9-10］。定植于植物根際土壤空間，并且能夠通過植物根系與植物發(fā)生直接或間接的物質與能量交流的土壤微生物稱為植物根際微生物。在從植物根系獲取相應養(yǎng)分的同時，根際有益微生物能夠通過形式多樣的作用機制促進植物的生長發(fā)育，進而實現(xiàn)互利互惠的作用效果。目前研究較多的根際有益微生物是根際真菌和根際細菌兩大類。

植物根際促生細菌（Plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）指定植于植物根系或根際土壤中的能夠通過多種機制促進植物生長發(fā)育的有益細菌。它們在改善植物根際土壤環(huán)境，促進植物生長，提高植物在生物脅迫和重金屬毒害、干旱、鹽堿等非生物脅迫下的抗逆能力等方面發(fā)揮著重要作用。根際促生細菌通過提高植物的營養(yǎng)狀況或者改變植物體內的激素水平來促進植物生長，提高植物對逆境的抵御能力。這其中含有ACC 脫氨酶的根際細菌在提高植物抗逆性方面所發(fā)揮的重要作用引起了科研工作者的廣泛關注［7-8］。

2 含ACC 脫氨酶的植物根際促生細菌的作用機理

有些根際促生細菌含有ACC 脫氨酶，它可以將ACC（乙烯合成的直接前體）分解為氨和α-酮丁酸，這兩種產物可以分別作為細菌生長的氮源和碳源［11］。該酶已經得以純化，并且在1991 年由Sheehy 等［12］測定了該酶基因的全部序列。此后，ACC 脫氨酶的活性在許多其他的微生物（主要是植物根際促生細菌）中被測定，部分植物根際促生細菌的ACC 脫氨酶基因也被測序。比如假單孢菌UW4 的ACC 脫氨酶蛋白以及它的調控水平都已經被廣泛研究［13-14］。絕大多數的植物根際促生細菌體內的ACC 脫氨酶的Km 值相對較?。s為3.4 mmol/L），最適pH 約為8，由3 個亞基（各約36.8 kD）組成，而且每個亞基都需要一個磷酸吡哆醛作為輔因子［13-14］。

含有ACC 脫氨酶的植物根際促生細菌生活在土壤中，并且對植物的根際分泌物（如有機酸、氨基酸、核苷酸和維生素等）具有趨化性，從而吸附于植物根系的表面（圖1）。ACC（1-aminocyclopropane-1-carboxylate）是乙烯生物合成的直接前體，當植物持續(xù)遭受干旱、鹽堿等外界環(huán)境脅迫時，ACC 合成酶的含量和活性上升，植物細胞內就會產生更多的ACC，而部分ACC 可以從根系分泌到根際，這部分ACC 可以被細菌吸收進而被ACC 脫氨酶分解。由于根外部的ACC 不斷的被分解，濃度不斷地下降，植物細胞內的ACC 就會順著濃度梯度源源不斷地向根外分泌。通過這種方式，細菌成為ACC 庫，從而降低植物體內能被ACC 氧化酶催化生成乙烯的ACC 總量，進而降低脅迫條件下植物體內的乙烯含量［15-16］。

圖1 細菌體內的ACC 脫氨酶降解植物產生的ACC 示意圖［16］

3 乙烯的生理功能及其生物合成

乙烯調控著植物的許多生命過程，包括種子萌發(fā)、根系發(fā)育、開花結果、衰老和脫落［17-18］。它在細胞伸長、細胞死亡、生物和非生物脅迫應答、結瘤和對病原菌的系統(tǒng)性防御過程中也發(fā)揮著重要作用［19］。乙烯最顯著的生理效應之一是“三重反應”［20］。在有些植物中，乙烯參與打破種子休眠和促進種子萌發(fā)的過程［21］。在種子萌發(fā)過程中，乙烯促進頂端彎鉤的形成，這對于下胚軸鉆出地面而言是必需的。乙烯能夠與生長素和獨角金內酯共同作用并促進擬南芥根毛的生長［22］。在淹水條件下，乙烯能夠與生長素相互作用，調控植物不定根的發(fā)生與生長［23-24］。此外，乙烯還能夠促進果實的成熟，誘導鳳梨開花。乙烯對植物的生長也有抑制作用。有實驗數據顯示，在高濃度的硝酸鹽脅迫下擬南芥?zhèn)雀幸蚁┑暮可仙?，側根的生長受到抑制［25］。乙烯還通過抑制表皮細胞的生長進而抑制擬南芥植株的生長［26］。乙烯能夠抑制由ABA 所誘導的氣孔關閉［27-28］。

許多生物和非生物脅迫都會引起乙烯的大量合成［19］。乙烯生成量的激增在下面幾種脅迫條件下都有發(fā)生：鹽脅迫［15］、氧化脅迫［29］、高溫脅迫和干旱脅迫［30-33］、凍害、水澇、機械壓力［34］、重金屬脅迫［35-38］和病原體感染［39-41］。

在高等植物體內，乙烯的合成前體是S-腺苷甲硫氨酸，它在ACC 合成酶的催化下轉化為ACC（1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸），之后在ACC 氧化酶的催化下，轉變?yōu)橐蚁Ｔ谝蚁┑纳锖铣赏緩街?，ACC 是乙烯生物合成的直接前體物質，同時也是乙烯生物合成的限速步驟，ACC 含量的降低將直接導致乙烯含量的降低。

非生物脅迫條件下（如鹽害）測定乙烯的含量，結果顯示有兩個明顯的乙烯生成階段［42］。第一個階段是脅迫開始后不久的小高峰，該階段比較短暫，被認為是保護性防御響應的開啟過程；第二個階段是脅迫開始后的數小時或數天出現(xiàn)的大高峰，乙烯的急劇累積會誘導植物葉片衰老脫落等一系列反應，抑制植物的生長發(fā)育，降低了植物體的抗逆性，因此被稱為脅迫乙烯（Stress ethylene）。即較低濃度的乙烯參與植物抵御非生物脅迫的應答過程，而當乙烯的產生量超過一定的閾值后就會轉變?yōu)橐种浦参锷L發(fā)育的脅迫乙烯（圖2），降低植株對環(huán)境脅迫的抵御能力［7，9，42］。

圖2 環(huán)境脅迫下植物激素乙烯含量隨時間的變化［42］

當脅迫剛開始時，植物組織內的ACC 含量較低，ACC 氧化酶將ACC 轉化為乙烯，生成的乙烯通過上調ACC 合成酶和ACC 氧化酶基因的表達催化自身的級聯(lián)放大反應，最終生成大量的乙烯［43-44］。ACC合成酶的基因表達還受環(huán)境因素的調控，脅迫條件下ACC 合成酶的活性會升高［45］。

降解SAM（S-腺苷甲硫氨酸）或ACC 的酶以及乙烯合成抑制劑［如氨基乙氧基乙烯基甘氨酸（AVG）］都可以降低脅迫條件下乙烯的含量，從而維持植物正常的生理過程［46-47］。此外，降低乙烯的感知能力也能提高植物的脅迫耐受性。然而，乙烯合成的化學抑制物（如AVG）不僅昂貴而且會給環(huán)境帶來有害的影響［11］，因此含有ACC 脫氨酶的根際促生細菌就成為了環(huán)境友好型的選擇。

4 鹽脅迫對植物的毒害作用

土壤鹽漬化的主要特征是土壤溶液中含有高濃度的Na+、Mg2+、Ca2+（陽離子）和CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-（陰離子），其中以Na+和Cl-濃度最高［48］。當土壤溶液的電容達到4 dS/m 及以上時，土壤就成為鹽漬化土壤。當土壤溶液中NaCl 的濃度達到40 mmol/L 時，其滲透壓約為0.2 MPa，這樣高的鹽濃度會抑制絕大多數農作物的生長［49］。

高鹽對植物最直接的傷害是滲透脅迫和離子毒害。土壤中過多積累的鹽分降低了土壤溶液的水勢，使植物根系無法正常地吸收水分，甚至導致根系失水［50］。長期在鹽土中生長的植物，通常還會遭受離子毒害。能產生毒害效應的離子有：Na+、Cl-、硫酸鹽、碳酸氫鹽等［49］。當土壤中存在過量的NaCl 時，植物體內Na+和Cl-就會過量積累，植物體內有異常高的鈉鉀比和高濃度的總離子含量，這會使細胞內催化各種生化反應的酶失活并且會抑制酶蛋白的合成［51］。植物體內高濃度的Na+會從細胞質膜上替換Ca2+，這會破壞細胞膜的選擇透過性從而導致細胞內養(yǎng)分K+和P 的外流；土壤溶液中過量的Na+和Cl-還會抑制植物根系對Ca2+、Mn2+、Mg2+和N 的吸收，而這些離子對作物的生長和生殖是必需的［52］。葉綠體內積累高濃度的Na+和Cl-時，光合作用中的光合磷酸化和碳同化過程也會被抑制。這是因為光合系統(tǒng)中的電子傳遞鏈等光合結構對鹽脅迫非常敏感［53］。

鹽脅迫條件下，植物細胞內活性氧（ROS）成分的合成和清除的平衡被打破，使得細胞內的活性氧過度積累，造成膜蛋白和膜脂分子過氧化和脫?；?，導致生物膜系統(tǒng)遭受破壞。過量的ROS 還會破壞DNA 復制過程、改變核酸的堿基結構，進而損傷細胞內的遺傳物質。細胞內許多催化生化反應的酶蛋白含有巰基和色氨酸殘基，過度積累的活性氧會與這些基團發(fā)生反應，導致酶蛋白失活以及細胞內生理過程紊亂［54-55］。

5 含ACC 脫氨酶的根際促生細菌提高植物抗鹽性的作用機制

研究表明，隨著鹽害時間的延長，番茄葉片中乙烯的合成量升高，其增加的幅度與Na+累積的量相關［15，56］。用100 mmol/L NaCl 處理兩周，發(fā)現(xiàn)根組織、木質部汁液和葉片中ACC 濃度升高［57］。鹽害誘導植物體內脅迫乙烯的合成，高濃度的乙烯通常會抑制植物生長［18］。

含有ACC 脫氨酶的根際細菌能夠降低脅迫乙烯的水平，使植物在脅迫條件下生長的更好。為了驗證這一假說，Mayak 等［15］從干熱和鹽土中分離出含ACC 脫氨酶的根際促生細菌，并發(fā)現(xiàn)這種根際細菌能促進植物在高鹽環(huán)境中生長。在Mayak 等［15］的開創(chuàng)性實驗之后，很多實驗室都成功的利用含ACC脫氨酶的根際促生細菌來緩解高鹽對植物的傷害（表1）。

植物受到滲透脅迫時，通常會表現(xiàn)出氣孔阻力增大、滲透勢降低、木質部平衡壓升高等特點［58］。Amor 等［59］報道在NaCl 脅迫條件下生長的柿子椒（Capsicum annuumL.）幼苗的氣孔阻力會顯著升高，但接種根際細菌Azospirullumbrasilense和Pantoea dispersa后這種效應得以緩解。這可能是由于接種根際細菌后根系的導水率（L）提高了，正如其他一些研究所報道的干旱脅迫和鹽脅迫條件下接種根際細菌也能提高根系導水率［60］。接種根際細菌后根系導水率的提高很可能是由于含有ACC 脫氨酶的根際細菌能降低根系乙烯的合成量，因為乙烯會降低水通道蛋白的活性從而降低根系的導水率［61］。Wang 等［62］研究表明接種根際細菌Variovorax paradoxus5C-2 后豌豆?jié)B透勢顯著提高，木質部平衡壓降低，這表明植物擁有更好的水分狀態(tài)［63］。一些含ACC 脫氨酶的根際細菌可以促進根系生長從而提高根系的吸水面積并進一步提高根系的吸水量［64］。

表1 含ACC 脫氨酶的根際細菌提高植物耐鹽性的主要相關文獻列表

已有研究報道了植物應答含ACC 脫氨酶的根際促生細菌的過程中，植株地上部K+/Na+會升高［62，65］。Wang 等［62］利用養(yǎng)分流動模型，詳細的解析了鹽脅迫條件下，含ACC 脫氨酶的根際細菌V.Paradoxus5C-2 對豌豆體內的K+和Na+在木質部和韌皮部中運輸的動態(tài)影響，以及這兩種離子在植物體內的分配狀況，實驗結果表明接種根際細菌能提高根系吸收K+的量、木質部中由根系向地上部運輸的K+量，這保障了通過木質部向地上部提供充分的K+，與此同時Na+在根系中積累，木質部中運往地上部的Na+降低，提高了地上部的K+/Na+，從而維持地上部的生長。Zhang 等［66］報道接種根際促生細菌B. subtilisGB03 后可以調控擬南芥根系及地上部的鉀離子運載體HKT1 的表達，并同時降低Na+的水平和Na+在整株植物體內的再循環(huán)過程，結果導致擬南芥地上部的K+/Na+比值升高。Quadros 等［67］也報道了接種根際細菌Azospirillum后，玉米體內的K+/Na+比值也顯著提高了。此外，還有其他科研工作者報道了接種根際細菌可以調控K+高親和性運載體（AtHKT1）的表達以提高植物體內K+含量以及K+/Na+比值［68-70］。眾所周知，在鹽脅迫條件下，維持高鉀鈉比對植物體正常的氣孔運動、酶的活化、蛋白質的生物合成、細胞的滲透調節(jié)、光合作用以及膨壓的維持而言都是至關重要的，因此接種這些根際細菌后K+/Na+比值的提高就有利于維持植物體內許多生理過程正常進行。接種根際細菌后，植物根系Na+累積量的提高可能是由于一些基因表達量發(fā)生變化（如Na+載體HKT1 和SOS1）［66，71］，未來需要更多的分子實驗解析這一過程。

鹽害不僅會降低植物體內Ca2+和K+的有效性，而且還會降低Ca2+和K+向植物生長部位的移動性和運輸能力，同時還會造成其他礦質元素失衡。然而，許多研究表明接種含ACC 脫氨酶的根際促生細菌可以改善礦質營養(yǎng)失衡的狀況。Fu 等［72］稱給鹽脅迫條件下生長的茄子接種假單孢菌后，植物地上部的Ca2+含量顯著高于不接種的對照組。Yao 等［73］闡明接種植物根際促生細菌可以顯著提高棉花對Mg2+和Ca2+的吸收量。Wang 等［62］發(fā)現(xiàn)接種根際細菌V.paradoxus5C-2 不僅有利于維持植物體內的K、Na平衡，還能促進對Ca2+、Mg2+、P 的吸收和積累。

植物根際促生細菌可以通過幫助植物積累滲透調節(jié)物質來提高植物的脅迫耐受性。脯氨酸是脅迫條件下含量變化最為明顯的游離氨基酸，它可以增加植物細胞的滲透調節(jié)能力并且維持大分子物質結構的穩(wěn)定性，是植物應答鹽脅迫的一個重要的生理指標［74］，Nia 等［75］報道了接種含ACC 脫氨酶的根際促生細菌后，小麥組織中含有更高水平的脯氨酸。Wang 等［76］從中國新疆的鹽堿地分離出了13 個具有ACC 脫氨酶活性的根際菌株，其中芽孢桿菌屬的一個菌株WU-9 提高了辣椒脯氨酸水平，顯著增加了鹽脅迫條件下辣椒植株的生物量。另有研究表明，中度鹽脅迫條件下，接種含ACC 脫氨酶的內生型根際細菌Arthrobactersp. 和Bacillussp. 提高了甜椒（Capsicum annuum）組織中脯氨酸含量，并且還發(fā)現(xiàn)接種細菌后脅迫誘導的基因CaACCO（ACC 氧化酶）和CaLTPI（脂質轉移蛋白）下調［77］。

鹽脅迫條件下活性氧（ROS）過量積累會破壞植物膜系統(tǒng)，降低蛋白質的數量。目前已經確定，根際細菌通過觸發(fā)細胞抗氧化水平來誘導植物的抗應激能力［78］。在2018 年的一項研究中，Heydarian等［79］觀察到，表達細菌acdS基因的轉基因油茶植株通過調控與活性氧水平相關基因的表達來防止細胞損傷，從而表現(xiàn)出更高的耐鹽性。接種含ACC脫氨酶的根際細菌Stenotrophomonas maltophilia使小麥組織中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶活性顯著升高［80］。在75 mmol/L NaCl 條件下，用Enterobactersp. UPMR18 接種秋葵（Abelmoschus esculentus）后，植株體內抗氧化酶活性和ROS 通路基因的轉錄水平都升高，植物表現(xiàn)出更高的耐鹽性［81］。

植物體遭受脅迫時，光合作用是最敏感的生理過程，光合電子傳遞受高鹽脅迫的影響非常劇烈［82］。眾所周知，高濃度的NaCl 能通過滲透脅迫誘導氣孔關閉，還會加速膜蛋白降解等過程［83］，從而導致光合系統(tǒng)的結構以及電子傳遞鏈破壞，進而光合作用受抑制。光合作用受抑制通常與類囊體膜上電子傳遞復合體的活性下降有關，這些復合體包括與放氧復合體相關蛋白和反應中心蛋白等。相對而言，光系統(tǒng)II 比光系統(tǒng)I 對鹽脅迫更為敏感、更易受損傷。Wang 等［62］用Mini-PAM（Pulse-amplitude-modulation）測定大豆成熟葉片的最大光合潛能（Fv/Fm）和最大電子傳遞效率（最大ETR），其研究結果表明在鹽脅迫條件下給豌豆幼苗接種根際細菌V. paradoxus5C-2 緩解了鹽脅迫對光合作用的不利影響，豌豆幼苗的Fv/Fm 和ETR 都提高，說明接種根際細菌V.paradoxus5C-2 有利于提高鹽脅迫條件下植物的光合作用。Win 等［84］利用內生型的含ACC 脫氨酶的Pseudomonasspp. 提高了遭受鹽脅迫的番茄的光合速率。

接種含ACC 脫氨酶的根際細菌提高了遭受鹽脅迫的植株的光合效率，這可能是因為接種細菌后植物體內的水分關系和離子平衡得以改善，ROS 的水平維持在合適范圍，除了這些因素的變化外，接種這類細菌還提高了植物葉綠素含量，葉綠素含量的增加是植物耐鹽性的指標之一。含ACC 脫氨酶的假單胞菌菌株處理番茄后，導致其葉綠素含量升高［85］。Pourbabaee 等［86］從伊朗的根際的土壤中分離和定性了一個鹽生菌株Bacillus mojavensisK78，它具有ACC 脫氨酶活性，并使在鹽脅迫條件下生長的小麥葉綠素含量增加。另有研究結果顯示，接種含ACC脫氨酶的根際細菌Stenotrophomonas maltophilia使小麥組織中葉綠素含量升高［80］。這類細菌導致遭受鹽害的植株葉綠素含量升高應當歸因于乙烯含量的降低。大量實驗結果表明當植物體遭受干旱、鹽害等非生物脅迫時，乙烯的過量積累會誘導植株葉片葉綠素的降解，因為乙烯能促進葉綠素降解酶相關基因的表達［87］。降低乙烯在植物體中的累積量將會延緩葉綠素的降解，增加葉綠素的含量［88］。

大量研究結果表明含ACC 脫氨酶的根際促生細菌能幫助植物抵御鹽脅迫，并且類似的實驗結果還在不斷增多。盡管含ACC 脫氨酶的根際細菌同時還產生其他物質如生長素、赤霉素、鐵載體等［8，80］，它們也可能在促進植物生長方面發(fā)揮作用。但是有大量文獻報道，植物生長促進細菌（PGPB）中ACC 脫氨酶活性的存在是細菌促進植物生長，提高植物抵御逆境的主要機制［89-90］，能夠證明這一點的直接證據來自acdS突變細菌。例如，acdS突變的Pseudomonassp. 的ACC 脫氨酶活性明顯下降，植物生長受阻，耐鹽性降低［85，91］（表1）。

6 展望

探究鹽脅迫條件下含ACC 脫氨酶的根際細菌對植物的促進作用具有十分重要的理論意義和實踐意義。已發(fā)表的文獻結果皆在生理水平上系統(tǒng)地闡明了含有ACC 脫氨酶的根際細菌對植物水分關系、養(yǎng)分平衡、相容性溶質合成過程的改善。未來還需要從核酸水平和蛋白質水平上研究這類細菌對植物體內與這些生理過程相關的基因轉錄和蛋白表達的影響，從而全方位地闡明含ACC 脫氨酶的根際細菌提高植物耐鹽性的機制。眾所周知，乙烯與植物體內其他激素的信號相互整合，形成復雜的調控網絡，因此還需重點研究接種這類細菌對鹽脅迫下植物體內多種激素的調控作用。未來，還需了解土壤微生物在田間土壤中的適用性，大力開展長期的田間實驗，為提高作物生產系統(tǒng)的抗鹽能力提供有效的策略。