收稿日期:2006208224作者简介:戴梅(1982-),女,硕士研究生,主要从事菌根学与植物病理学研究。
3为通讯作者。
文章编号:100224026(2006)0620045204PGPR 制剂研发现状与发展趋势戴梅1,宫象辉2,丛蕾1,刘润进13(1.莱阳农学院菌根生物技术研究所,山东青岛266109;2.青岛市农科院,山东青岛266109)摘要:植物根围(rhizosphere )存在着一类有益的自生细菌,它们通过各种间接或直接的方式抑制植物病原物繁殖并促进植物生长。
近年来,对植物根围促生菌(PG PR )的生理效应、作用机制、制剂产品和应用进行了多方面的研究。
PG PR 制剂的广泛应用对农业生产的发展与环境保护具有重大的经济和生态价值。
目前,新型PG PR 制剂的研制、开发和应用是微生物制剂的一个热点方向。
关键词:植物根围促生菌;植物生长;病原物;制剂中图分类号:Q939.5 文献标识码:A微生物制剂(微生物肥料、微生物农药、微生物饲料添加剂等)在最近20多年里发展较快,新产品不断问世[1]。
随着人们对微生物制剂的促生作用和无公害农业产品的日益重视,近10年来植物根围促生菌(plantgrowth prom oting rhizobacteria ,PG PR )制剂越来越受到人们的青睐[2,3]。
PG PR 的促生防病研究成为热点方向之一,其研究主要集中在假单胞菌类,该类群能够抑制多种植物病害特别是土传病害[4]。
研究内容主要包括有效根部定殖、抗生作用、根围营养竞争、分泌降解病原微生物的酶等。
本文着重介绍PG PR 制剂的基本特点、国内外研究现状及其研发动向。
1 PG PR 制剂的基本特点PG PR 是指自由生活在土壤或附生于植物根的一类可促进植物生长及其对矿质营养的吸收和利用,并能抑制有害微生物的有益菌类[5]。
1978年Burr 和Schroth 首先报道了马铃薯上的PG PR 。
此后,大量的研究证实PG PR 广泛存在于多种植物的根围。
目前,已从许多种根围细菌中鉴定了PG PR 菌株,其中主要包括假单胞菌属(P seudomonas )和芽孢杆菌属(Bacillus );而荧光假单胞菌(P seudomonas fluorescens )在很多植物的根围都占了绝对优势,可达60%～93%的比例。
此外,还包括产碱菌属(Alcaligenes ),节杆菌属(Arthrobacter ),固氮菌属(Azotobacter )、固氮螺菌属(Azospirillum )、肠杆菌属(Enterobacter )、欧文氏菌属(Er winia )、黄杆菌属(Flavobacteria )、哈夫尼菌属(Haf nia )、克雷伯氏菌属(K lebsiella )、沙雷氏菌属(Serratia )、黄单胞菌属(Xanthomonas )和慢生型根瘤菌属(Bradyrhizobium )等[6]。
所谓PG PR 制剂是近年来在根瘤菌肥和复合生物肥的单一肥效研究基础上开发研制的集促生、抗病和生防为一体的新型活体接种剂。
研究发现,PG PR 在植物根围的聚集,它们旺盛的代谢作用加强了土壤中有机物质的分解,促进了植物营养元素的矿化,增强了对作物营养的供应[7]。
某些PG PR 菌株产生的植物激素可促进植物根系生长、增强根系吸收矿物营养和水分的能力,从而促进植物生长。
同时PG PR 在根围的定殖能在一定程度上抑制病原物的定殖和传播[8],而促进菌根真菌的生长发育;对受污染土壤也具有一定的生物第19卷 第6期2006年12月山东科学SH ANDONG SCIE NCE V ol.19 N o.6Dec.200664山 东 科 学 2006年修复能力。
PG PR制剂的研制开发主要包括两个方面:生物农药和生物肥料。
由于不同PG PR菌株的生物特性不同,有些PG PR菌株适于研制生物农药,而有些菌株适于生物肥料的开发。
例如,内生共生芽胞杆菌(B. sp.)是很好的生物农药菌株之一,具有壁厚、抗逆性强、菌体繁殖系数极高、作用效果快速、明显、高效等特点。
以该菌制成的制剂货架期长,易同其它增产防病措施亲和,生产、存放、运输等安全性高、成本低。
由于PG PR具有改良土壤、改善作物品质、减少化肥和农药施用量、降低植物病害、提高作物产量等作用[9],因此,其自身及与菌根真菌的协同作用在农林牧业、食品安全、环境保护等方面具有重大应用潜势和价值。
2 国内外PG PR制剂的研究进展20世纪80年代初,美国奥本大学植病系K loepper等[10]用某些荧光假单胞菌株处理种子,萝卜增产144%、马铃薯增产100%、甜菜增产20%～80%。
PG PR的生物防治作用的报道很多,尤其以荧光假单胞菌中的某些菌株和芽孢杆菌属的某些菌种(株)效果最明显,用它们处理种子,对防治水稻纹枯病、稻瘟病、小麦全蚀病、猝倒病、棉花枯萎病及蔬菜的根腐病有效。
其控病机制主要是:限制病原菌的定殖和传播;改变微生物环境平衡,促进植物生长;诱发植物产生抗性;此外,有研究指出,PG PR能产生胞外溶解酶(Selerotinm)和氢化氰(Thielariopsis系统),或是促生结果使植物根部木质素增加,以减轻病害;研究还发现PG PR能抑制植物病原线虫的生长、繁殖和危害。
例如,可使线虫对棉花的感染率降低38%～66%。
1988年,Backer[11]报道根围细菌蜡状芽孢杆菌(B.cereus)、B.sp.和两株假单孢菌对防治南方根结线虫(Meloidogyne incognita)、大豆胞囊线虫(Heterodera glycines)、玉米胞囊线虫(H.zeae)和燕麦胞囊线虫(H.auenal)有效,减少了根结数,根系增大,根重增加。
O ostendorp和Sikora等[12]从1988年起,系统研究了根围细菌的分类鉴定、植物寄生线虫的温室和田间防效、根围细菌与植物寄生线虫的体外关系,以及拮抗机制等方面。
根围细菌在温室自然土中的防效同田间效果一致,大部分超过40%[13]。
许多属PG PR的微生物对除草剂“敌稗”及其它除草剂具有高降解能力,表明这些细菌还具有生物降解有毒有机物的潜力。
还有人研究一些对杂草有害的根围细菌,以评价它们是否可用来作为“生物除草剂”的可能性;有的PG PR对豆科植物结瘤起促生作用,可使根瘤平均比对照增加19%～47%,这类PG PR微生物被称为结瘤促生根细菌(简称NPR),在印度、加拿大将NPR(如假单胞菌)与根瘤菌联合使用,开发、利用第二代豆科植物接种剂。
有人已发现松树接种PG PR类细菌后可使原菌根菌状况改变[14]。
还有许多研究指出,PG PR接种后可诱发植物如(黄瓜等)产生对一些病害的抗性(完全制止症状的发展)而致生长健壮。
PG PR制剂应用方面,最早成功地应用和商业化生产的PG PR是枯草芽饱杆菌A13,Bacilis subtilis A213是由Broalbent等[15]分离得到的。
A13能抑制植物病原菌和促进许多种植物的生长,用A13处理种子,可以提高胡萝卜产量48%,燕麦产量33%和花生产量37%。
A13的作用似乎是通过抑制病原菌和刺激植物生长来促进植物生长发育的[4]。
A13的PG PR产品由G ustafs on公司生产,1988年在美国注册,主要用在花生上,所用菌株Bacilis subtilis A213,G B03,G B07,商品名分别为Quantum@、K odiak@和E pic@。
1990年美国Auburn 大学的科研人员进一步将A13应用在棉花和豌豆上并实现了商品化,应用面积大约有4.0×106hm2。
商业化最成功的产品是Agrobacterium radiobacter K84,目前美国上市的荧光假单孢菌类PG PR生物制剂就有8种以上。
1994年已有4000hm2小麦使用了彭于发等开发的“荧光93”[16]。
中国科学院沈阳应用生态研究所应用海洋放线菌M B297的PG PR始于1997年,研制的PG PR于2000年获得农业部产品认证并开始商品化生产与销售,在重茬大豆上应用已达2.0×104hm2,增产15%左右。
此外,加拿大已研制出“根瘤菌+PG PR”复合菌肥,巴西的PG PR制剂也已是小麦、玉米等作物的重要肥料。
另外,随着分子生物学的渗入以及对促生防病遗传性状的进一步分析,采用遗传工程手段加以改良,英、美等国家已经成功构建表达Prn基因的菌株,并成功导入HC N 基因簇,获得提高生防活性的菌株。
3 PG PR 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PG PR ,在叶区也有类似PG PR 的微生物(如PG PR 类细菌P751和BC752菌株)。
因此,“PG PR ”的概念需要进一步拓展和完善。
目前,已有多种PG PR 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。
鉴于PG PR 促生防病作用的发挥受诸多因子制约,近年来国外特别加强了改善PG PR 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PG PR 的应用基础研究十分薄弱,亟待加强。
此外,新型PG PR 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PG PR 的复合制剂,PG PR 与AM 真菌混合、组合等。
复合的目的是使包括PG PR 在内的菌株之间、以及PG PR 与其它有益菌群组合,达到促生效果的互补和效能的放大。
不能简单地认为,微生物的复合(或联合)就是好多菌混合发酵,或是简单的发酵后混合、组合,而应该是在深入了解有关微生物特性的基础上,采用新的技术手段,根据用途把几种所用菌种进行恰当、巧妙组合,使其某种或几种性能从原有水平再提高一步,使复合或联合菌群发挥互惠、协同、共生、加强、同住作用,排除相互拮抗的发生。
PG PR 以促生、营养和抗病等令人感兴趣的特点使得人们在近些年将其作为研制和开发的热点,已表现出良好的开发应用前景。
随着生物技术的不断发展,广谱性和适应能力强的优良菌株的选育,PG PR 的最佳培养基配方、制剂的最佳类型,应用的合理剂量,与杀虫剂、除草剂、杀线虫剂配合施用等一系列的问题将逐一得到解决。
微生物制剂由单一功能向多功能发展(如肥药合一),与矿质元素或有机养分的合理复合等,也是当前一个研究和发展趋势。
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