植物根际促生菌提高植物耐盐性研究进展

陈梦霞

摘 要 盐胁迫是限制农业生产力的主要因素之一，土壤盐分已成为影响农业发展的一个重大阻碍。植物根际促生菌（PGPR）是附着在植物根部或者土壤的有益菌类，它既可促进植物生长、提高吸收和利用矿物质的效率、抵抗病原菌的侵害，又可增强植物的耐盐性。为改善盐渍土环境，促进植物生长，提高作物产量提供参考，主要论述了盐胁迫环境对植物、土壤微生物的影响，以及PGPR诱导植物耐盐性的相关机制，并对今后PGPR的发展进行了展望。

关键词 盐胁迫；植物根际促生菌（PGPR）；耐盐性；研究进展

中图分类号：S154.38+1 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.13.004

目前，全球盐碱土分布范围与占地面积越来越大，面积已超过8.33亿hm2，其中大多分布在非洲、亚洲和拉丁美洲的自然干旱或半干旱地带。我国盐渍土面积约为0.99亿hm2，占全球1/10以上，这对我国粮食和生态安全造成了严重的影响。

土壤盐渍化形成的原因有很多种，比如海平面上升和热带风暴潮导致的气候变化会增加土壤和水中盐分[1]，地底深部含盐地下水中的岩盐和石膏的溶解导致地下水盐度增加[2]，人为活动可以将土壤盐浓度提高到影响土壤质量、微生物、植物和动物生命的水平[3]。此外，堆肥中含有较高浓度的可溶性盐，也可导致土壤盐分含量偏高[4]。研究表明，植物根际促生菌（PGPR）与植物根系相互作用，可以减轻盐分胁迫以提高作物生产力[5]。PGPR也被用作生物接种剂，用于提高作物产量、防治植物病原体和改善土壤健康[6]。PGPR能很好地适应极端环境，为生物肥料和生物防治剂提供一个未开发的仓库，以抵御农业生态系统中的盐胁迫[7]。

1   盐胁迫对植物的影响

盐胁迫是影响植物生长发育的主要因素，盐胁迫持续时间越长，植物受损程度越严重。在盐胁迫条件下，细胞内的Na+浓度增加，达到细胞毒性水平，最终导致离子稳态失衡[8]。为了维持自身的离子平衡，植物通过Na+/H+反转运蛋白将细胞质中多余的Na+去除，以换取更多的H+，位于质膜上的Na+/H+反转运蛋白将Na+转运到质外体[9]。盐胁迫也会影响植物的渗透稳态，比如细胞膨胀压力缩小，质膜收缩，细胞壁也会发生改变，此时植物则主要依赖于从基因表达和渗透物生物合成酶的激活到水运输系统的过程的渗透信号通路，以此改变植物细胞的渗透压。

2  PGPR多样性研究进展

土壤中含有大量的微生物，包括细菌、真菌、病毒等，与植物根际相关的微生物更是种类繁多，构成了复杂的植物相关微生物群落[10]。其中，PGPR可以促进植物生长或控制病原体，通过接种该类细菌可以促进植物发育并减轻病原体侵害和非生物胁迫[11]。

PGPR分布范围广泛，并且具有丰富的多样性。Sankalp等在印度北方邦农业气候区分离出了1 125种能够耐受1M NaCl的细菌，其中有560种以1-氨基环丙烷基羧酸（ACC）作为唯一氮源，经过细菌包被、种子萌发、耐受能力、16S rRNA等实验与分析，最终确定芽孢杆菌属（Bacillus）是西部平原地区的优势属，对提高水稻幼苗的生物量具有积极作用[12-13]。He等人从中国西北部的甘肃省腾格里沙漠的梭梭树的根际分离出编号为M30-35的菌株，M30-35是假单胞菌属（Pseudomonas adaceae）中的一个新种；结果表明M30-35通过增加枝条鲜重和干重、叶绿素含量、根体积、根活性、叶过氧化氢酶活性、可溶性糖和脯氨酸含量显著增强多年生黑麦草的生长和耐盐性[14]。除了沙漠和平原，在高原地区也存在一定的盐碱土，但因其海拔较高、氧气稀薄、紫外线强等原因，可种植的农作物并不多，故对高原地区PGPR提高植物耐盐性的研究相对较少。

3  PGPR介导的盐胁迫耐受机制研究进展

盐胁迫下，植物会发生各种生化变化，包括抗氧化酶的激活、植物激素的调节、离子吸收的变化、活性氧（ROS）的產生和光合作用途径的破坏[15]，PGPR可以通过多种方式促进植物共生体的生长，从而针对多种胁迫因素提供交叉保护[16]。

3.1   激活抗氧化酶

PGPR具有合成代谢抗氧化物的能力，可在植物体内起到缓解植物氧化损伤、增强植物耐盐能力的作用。此外，PGPR还参与植物体内基因调控，诱导相应基因表达，参与氧化物清除。植物接种PGPR有助于降低水稻在盐分条件下的植物细胞膜指数、细胞半胱天冬酶样蛋白酶活性和程序性细胞死亡，从而降低活性氧的毒性，为植物提供耐盐能力并增加细胞活力，在植物对盐胁迫的正向适应中发挥重要的生长调节作用[17]。克雷伯菌（Klebsiella）的分离菌株SURYA6可以产生高活性的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽氧化酶等，还可以产生各种PGP、盐等改善和提高抗氧化代谢物的潜力，使其成为盐分压力管理的潜在生物接种剂[18]。能产生类胡萝卜素的耐盐细菌迪茨氏菌（Dietzia natronolimnaea）的STR1菌株，可以通过调节植物耐盐性的转录机制来保护小麦植物免受盐胁迫；接种该菌株的小麦植株中各种抗氧化酶（如APX、MnSOD、CAT、POD、GPX和GR）的基因表达增强，有助于提高对盐胁迫的耐受性[19]。在盐胁迫条件下，接种肠杆菌属（Enterobacteriaceae）的菌株UPMR18的秋葵植物中观察到抗氧化酶活性（SOD、APX和CAT）增加，可能是一种有效的生物资源，可增强盐胁迫下秋葵植物的耐盐性和生长能力[20]。玉米接种葡萄球菌菌株SAT-17后，细胞抗氧化酶活性增加，并减轻了盐诱导的细胞氧化损伤，促进了玉米生长[21]。这些研究表明，PGPR在激活抗氧化酶、调节植物生理生化过程中具有重要作用。

3.2  植物生长调节剂

PGPR能够通过产生植物激素[赤霉素（GAs）、脱落酸（ABA）、吲哚-3-乙酸（IAA）]直接定殖根部，增强植物细胞分裂和植物吸收水分及矿物质的能力，并刺激植物内源激素的增加，从而促进种子萌发、根系发达、植株生长和对逆境的抵抗作用。

PGPR在产生IAA中具有重要的促进植物生长的作用，这是由于它是调节植物发育的信号分子。细菌细胞与植物根系结合，以提高水分保持能力和防御系统对抗不同非生物胁迫的能力。研究报道，在盐胁迫条件下，当棉花接种产生IAA的芽孢杆菌（Bacillus）后，植物的发芽率、根长、枝条长度、叶绿素含量指数、相对含水量、叶面积、K+吸收和Na+的吸收增加[22]。节杆菌（Arthrobacter）菌株SA3在盐分胁迫下增加了小麦的IAA含量，且幼苗中的DREB2转录因子的表达水平升高，以此赋予小麦在非生物胁迫下的耐受性[23]。研究表明，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）是在盐胁迫条件下维持ACC脱氨酶活性、铁载体和IAA生产的最佳菌株，可以有效缓解盐度对黄瓜生长的负面影响[24]。在盐胁迫下添加ACC导致乙烯信号正调节因子表达增加，抗氧化酶活性增强，从而提高了植物耐盐性，加速了植物生长。根际细菌合成的细胞分裂素通过减少钾浓度下降的程度，改善盐胁迫下番茄的枝条生长[25]。在缺水条件下，将产生细胞分裂素的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）接种到莴苣幼苗上会增加枝条生物量的积累并缩短根系，而对根系生物量的影响很小[26]。

3.3  渗透保护剂

在应对盐胁迫时，植物会积累有机渗透物，例如脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱等以减轻对植物的伤害。具有固氮能力的耐盐PGPR可以产生渗透物以保持盐渍土壤中细胞的膨胀和新陈代谢[27]。Chen等发现Bacillus subtilis可以增强拟南芥中脯氨酸的合成[27-28]。盐胁迫下，肠杆菌（Enterobacteriaceae）使拟南芥叶片中与脯氨酸合成相关基因P5CS1和P5CS2均表达上调[29]。此外，PGPR通过增加植物可溶性糖（TSS）含量抵御盐胁迫。用Bacillus subtilis接菌小麦，不仅增加了脯氨酸的浓度，也增加了组织中可溶性糖的含量，两者共同促成了植物的高耐盐性[30]。接种芽孢杆菌（Bacillus）HL3RS14菌株的植物根干重和枝条长度增加，且显示出高浓度的脯氨酸、甘氨酸甜菜碱和丙二醛[31]。利用鸟枪法分析大豆组织中的蛋白质组表明，在接种慢生根瘤菌后，盐胁迫下应激反应蛋白如过氧化氢酶和谷胱甘肽S-转移酶（抗氧化剂）、富含脯氨酸的前体蛋白（渗透剂）和NADP依赖性苹果酸酶（与ABA信号传导相关）增加[32]。

4  PGPR在不同作物中的应用

恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）[33]、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）[19，27]、阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）[34]、链霉菌（Streptomyces）[35]等对于在盐胁迫下提高作物生产力有着至关重要的作用。Amna等人探究了暹罗芽孢杆菌（Bacillus siamensis）菌株PM13、芽孢桿菌属（Bacillus）菌株PM15、甲基营养芽孢杆菌（Bacillus methylotrophicus）菌株PM19在盐胁迫下对小麦幼苗的影响，结果表明，PGPR施用对小麦幼苗的发芽率、根和茎长、光合色素等具有非常积极的影响[36]。Yin等人从中国东营盐碱土中分离出一株新型PGPR菌株BY2G20，是一种变形芽孢杆菌（Metabacillus dongyingensis），可以提高盐胁迫下玉米的耐受性[37]。Ali等人在玉米上接种阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）菌株PM23，增强了其自由基清除能力、相对水含量、可溶性糖、蛋白质、总酚和类黄酮含量[38]。Abdel等在油菜根际分离出2种PGPR菌株：褐色球形固氮菌（Azotobacter chroococcum）和粪产碱菌（Alcaligenes faecalis），二者共接种增强了盐胁迫下植物的生长参数和光合色素，提出共接种可能是解决盐渍化的优质方法[39]。Khare等人评估了荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）的EKi菌株在盐胁迫下产生生物防治和促进植物生长代谢物的能力，表明盐胁迫下EKi菌株促进鹰嘴豆的生长并抑制炭腐病[40]。Sapre等从小麦植物的根际分离出耐盐PGPR菌株IG3，发现接种IG3菌株可增强盐胁迫条件下的植物生长[41]。利用全基因组测序也可分离鉴定PGPR。Liu等对克雷伯氏菌（Klebsiella）的D5A菌株的基因组进行鉴定，揭示了耐盐基因的存在。这些基因具有广泛的pH适应性和PGP性状，包括磷酸盐溶解、IAA生物合成等[42]。事实上，功能宏基因组学为鉴定微生物耐盐性的各种基因提供了一种极好的方法。

5  结论

在PGPR的长期进化下，植物已发展出各种机制应对盐胁迫，除了上述所提到的机制外，还有调控ACC脱氨酶的活性，产生胞外多糖（EPS）、调节Na+和K+等离子平衡等。在盐胁迫下，一些基因或代谢物会参与维持细胞完整性和植物与微生物间的相互作用。在对植物产生盐分压力时，PGPR可以通过相应途径提高植物的耐盐性，但对于PGPR是通过何种通道或途径感受到植物处于高盐环境下的生理生化现象还有待探索。此外，PGPR在修复和提高盐胁迫条件下农业生态系统的生产力方面具有积极作用，但对于PGPR的基因和功能还有待深入研究，以为将来利用PGPR实现盐渍土复垦提供依据。

参考文献：

[1]  ISLAM M A， HOQUE M A， Ahmed K M， et al. Impact of Climate Change and Land Use on Groundwater Salinization in Southern Bangladesh-Implications for Other Asian Deltas[J]. Environ Manage，2019，64：640-649.

[2]  MIRZAVAND M， SADEGHI S， BAGHERI R. Groundwater and soil salinization and geochemical evolution of Femenin-Ghahavand plain， Iran[J]. Environ Sci Pollut Res Int，2020，27：43056-43066.

[3]  LITALIEN A， ZEEB B. Curing the earth： A review of anthropogenic soil salinization and plant-based strategies for sustainable mitigation[J]. Sci Total Environ，2020，698：134235.

[4]  LIM S L， WU T Y， LIM P N， et al. The use of vermicompost in organic farming： overview， effects on soil and economics[J]. J Sci Food Agric，2015，95：1143-1156.

[5]  BHAT M A， KUMAR V， BHAT M A， et al. Mechanistic Insights of the Interaction of Plant Growth-Promoting Rhizobacteria （PGPR） With Plant Roots Toward Enhancing Plant Productivity by Alleviating Salinity Stress[J]. Front Microbiol，2020，11：1952.

[6]  EGAMBERDIEVA D， WIRTH S， BELLINGRATH-KIMURA S D， et al. Salt-Tolerant Plant Growth Promoting Rhizobacteria for Enhancing Crop Productivity of Saline Soils[J]. Front Microbiol，2019，10：2791.

[7]  ALSHARIF W， SAAD M M， HIRT H. Desert Microbes for Boosting Sustainable Agriculture in Extreme Environments[J]. Front Microbiol，2020，11：1666.

[8]  TORANJ S， ALIABAD K K， ABBASPOUR H， et al. Effect of salt stress on the genes expression of the vacuolar H+ -pyrophosphatase and Na+/H+ antiporter in Rubia tinctorum[J]. Molecular Biology Reports，2020，47：235-245.

[9]  ZHANG M H， CAO J F， ZHANG T X， et al. A Putative Plasma Membrane Na+/H+ Antiporter GmSOS1 Is Critical for Salt Stress Tolerance in Glycine max[J]. Front. Plant Sci.， 2022，13：870695.

[10] BERENDSEN R L， PIETERSE C M J， BAKKER P A H M. The rhizosphere microbiome and plant health[J]. Trends Plant Sci，2012，17（8）：478-486.

[11] ARIF I， BATOOL M， SCHENK P M. Plant Microbiome Engineering： Expected Benefits for Improved Crop Growth and Resilience[J]. Trends Biotechnol，2020，38：1385-1396.

[12] KING W L， KAMINSKY L M， GANNETT M， et al. Soil salinization accelerates microbiome stabilization in iterative selections for plant performance[J]. New Phytol，2022：2101-2110.

[13] MISRA S， DIXIT V K， KHAN M H， et al. Exploitation of agro-climatic environment for selection of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid（ACC） deaminase producing salt tolerant indigenous plant growth promoting rhizobacteria[J]. Microbiol Res，2017，205：25-34.

[14] HE A L， NIU S Q， ZHAO Q， et al. Induced Salt Tolerance of Perennial Ryegrass by a Novel Bacterium Strain from the Rhizosphere of a Desert Shrub Haloxylon ammodendron[J]. Int J Mol Sci，2018：19.

[15] YOON J Y， HAMAYUN M， LEE S K， et al. Methyl jasmonate alleviated salinity stress in soybean[J]. Journal of Crop Science and Biotechnology，2009，12：63-68.

[16] SARKAR A， GHOSH P K， PRAMANIK K， et al. A halotolerant Enterobacter sp. displaying ACC deaminase activity promotes rice seedling growth under salt stress[J]. Res Microbiol，2018，169：20-32.

[17] JHA Y， SUBRAMANIAN R B. PGPR regulate caspase-like activity， programmed cell death， and antioxidant enzyme activity in paddy under salinity[J]. Physiol Mol Biol Plants，2014，20：201-207.

[18] KUSALE S P， ATTAR Y C， SAYYED R Z， et al. Production of Plant Beneficial and Antioxidants Metabolites by under Salinity Stress[J]. Molecules，2021：26.

[19] BHARTI N， PANDEY S S， BARNAWAL D， et al. Plant growth promoting rhizobacteria Dietzia natronolimnaea modulates the expression of stress responsive genes providing protection of wheat from salinity stress[J]. Sci Rep，2016，6：34768.

[20] HABIB S H， KAUSAR H， SAUD H M. Plant Growth-Promoting Rhizobacteria Enhance Salinity Stress Tolerance in Okra through ROS-Scavenging Enzymes[J]. BioMed Res Int，2016，2016（2）：6284547-6284556.

[21] AKRAM M S， SHAHID M， TARIQ M， et al. Deciphering Staphylococcus sciuri SAT-17 Mediated Anti-oxidative Defense Mechanisms and Growth Modulations in Salt Stressed Maize （Zea mays L.）[J]. Front Microbiol，2016，7：867.

[22] SALEEM S， IQBAL A， AHMED F， et al. Phytobeneficial and salt stress mitigating efficacy of IAA producing salt tolerant strains in Gossypium hirsutum[J]. Saudi J Biol Sci，2021，28（9）：5317-5324.

[23] BARNAWAL D， BHARTI N， PANDEY S S， et al. Plant growth-promoting rhizobacteria enhance wheat salt and drought stress tolerance by altering endogenous phytohormone levels and TaCTR1/TaDREB2 expression[J]. Physiol Plant，2017，161：502-514.

[24] NADEEM S M， AHMAD M， NAVEED M， et al. Relationship between in vitro characterization and comparative efficacy of plant growth-promoting rhizobacteria for improving cucumber salt tolerance[J]. Arch Microbiol，2016，198：379-387.

[25] ARKHIPOVA T N， PRINSEN E， VESELOV S U， et al. Cytokinin producing bacteria enhance plant growth in drying soil[J]. Plant and Soil，2007，292：305-315.

[26] GHANEM M E， ALBACETE A， SMIGOCKI A C， et al. Root-synthesized cytokinins improve shoot growth and fruit yield in salinized tomato （Solanum lycopersicum L.） plants[J]. J Exp Bot，2011，62：125-140.

[27] CHEN M， WEI H， CAO J， et al. Expression of Bacillus subtilis proBA genes and reduction of feedback inhibition of proline synthesis increases proline production and confers osmotolerance in transgenic Arabidopsis[J]. J Biochem Mol Biol，2007，40：396-403.

[28] FRASER M W， GLEESON D B， GRIERSON P F， et al. Metagenomic Evidence of Microbial Community Responsiveness to Phosphorus and Salinity Gradients in Seagrass Sediments[J]. Front Microbiol，2018，9：1703.

[29] KIM K， JANG YJ FAU-LEE S-M， LEE SM FAU-OH B-T， et al. Alleviation of salt stress by enterobacter sp. EJ01 in tomato and Arabidopsis is accompanied by up-regulation of conserved salinity responsive factors in plants[J]. Molecules and Cells，2014，37：109-117.

[30] UPADHYAY S K， SINGH J， SAXENA A K， et al. Impact of PGPR inoculation on growth and antioxidant status of wheat under saline conditions[J].Plant biology，2012，14（4）：605-611.

[31] MUKHTAR S， ZAREEN M， KHALIQ Z， et al. Phylogenetic analysis of halophyte-associated rhizobacteria and effect of halotolerant and halophilic phosphate-solubilizing biofertilizers on maize growth under salinity stress conditions[J]. Journal of Applied Microbiology，2020，128：556-573.

[32] ILANGUMARAN G， SUBRAMANIAN S， SMITH D L. Soybean Leaf Proteomic Profile Influenced by Rhizobacteria Under Optimal and Salt Stress Conditions[J].Frontiers In Plant Science，2022，13：809906.

[33] JATAN R， CHAUHAN P S， LATA C. Pseudomonas putida modulates the expression of miRNAs and their target genes in response to drought and salt stresses in chickpea （Cicer arietinum L.）[J]. Genomics，2019，111：509-519.

[34] SINGH R P， RUNTHALA A， KHAN S， et al. Quantitative proteomics analysis reveals the tolerance of wheat to salt stress in response to Enterobacter cloacae SBP-8[J]. PLoS One，2017，12：e0183513.

[35] NOZARI R M， ORTOLAN F， ASTARITA L V， et al. Streptomyces spp. enhance vegetative growth of maize plants under saline stress[J]. Braz J Microbiol，2021，52：1371-1383.

[36] AMNA， UD DIN B， SARFRAZ S， et al. Mechanistic elucidation of germination potential and growth of wheat inoculated with exopolysaccharide and ACC-deaminase producing Bacillus strains under induced salinity stress[J]. Ecotoxicol Environ Saf，2019，183：109466.

[37] YIN Z， WANG X， HU Y， et al. sp. nov. Is Represented by the Plant Growth-Promoting Bacterium BY2G20 Isolated from Saline-Alkaline Soil and Enhances the Growth of L. under Salt Stress[J]. mSystems，2022：e0142621.

[38] ALI B， WANG X， SALEEM M H， et al. PGPR-Mediated Salt Tolerance in Maize by Modulating Plant Physiology， Antioxidant Defense， Compatible Solutes Accumulation and Bio-Surfactant Producing Genes[J]. Plants （Basel），2022，11：345.

[39] ABDEL LATEF A A H， OMER A M， BADAWY A A， et al. Strategy of Salt Tolerance and Interactive Impact of and/or Inoculation on Canola （ L.） Plants Grown in Saline Soil[J]. Plants （Basel），2021，10：110.

[40] KHARE E， SINGH S， MAHESHWARI D K， et al. Suppression of charcoal rot of chickpea by fluorescent Pseudomonas under saline stress condition[J]. Curr Microbiol，2011，62：1548-1553.

[41] SAPRE S， GONTIA-MISHRA I， TIWARI S. Klebsiella sp. confers enhanced tolerance to salinity and plant growth promotion in oat seedlings （Avena sativa）[J]. Microbiol Res，2018，206：25-32.

[42] LIU W， WANG Q， HOU J， et al. Whole genome analysis of halotolerant and alkalotolerant plant growth-promoting rhizobacterium Klebsiella sp. D5A[J]. Sci Rep，2016，6：26710