根际微生物研究进展(2)

　　固氮细菌能将大气  N2  转变成氨态氮，是重要的植物有益细菌。固氮细菌可分成共生固氮菌和非共生固氮菌。Zakhia  等从20个豆科植物分离到100多个共生固氮的根瘤菌；部分根瘤菌具有耐盐、耐干旱特性。Sarita  等试图用  nodC  基因作为分子标记物，从土壤中提取  DNA  直接进行根瘤菌生物多样性分析，但  nod  基因的专一性有待进一步提高。Rothballer  等用多克隆抗体方法原位测定了草螺菌(  Herbaspirillum  )在植物根系的定植能力，发现草螺菌分别在7天和14天后进入芒根皮层细胞和根中局细胞，扫描电镜观察到这些细菌定植在根细胞间空隙。Ofek  等报道在蚕豆根系，侧根上有大量草螺菌定植，但在主根上没有这些固氮细菌。Nagarajan  等从不同草根分离到8个固氮螺菌(  Azospirillum  )，发现它们的抗盐能力有明显差异。Heijden  等发现将根瘤菌接种到草原植物后，根瘤菌不仅增加了植被生物量，还促进了植被生物多样性。共生关系可能增加了生态系统对稀有资源的有效利用，从而影响生态系统的生产力和生物多样性。显然，根际固氮细菌对环境有不同适应性，其生物多样性有待开发利用。

　　伯克霍德氏菌(  Burkholderia  )是一类广泛分布土壤细菌，对植物的影响既有促进作用也有抑制病害的作用。Levy  等将伯克霍德氏菌定植到豆科植物刺槐种苗，发现伯克霍德氏菌增加了刺槐的发芽率，电镜观察发现伯克霍德氏菌在刺槐苗根内外都有生长。白羽扇翩豆从排根释放大量有机酸而增强自身吸  P  能力，Unno  等用植物难以利用的植酸盐作为专性介质，在白羽扇翩豆根际分离到300个植酸盐利用细菌，16S  rRNA  基因分析表明这些细菌属于伯克霍德氏菌。Peix  等报道在豌豆的根际和根外土壤存在溶磷细菌，在一个测试土壤，根际溶磷细菌数高于根外土壤。

2.3  真菌生物多样性

　　菌根菌与大部分陆生植物形成共生关系：植物向菌根菌供应光合产物，而菌根菌则增强植物从土壤吸收难利用性养分的能力。Opelt  等从3个不同土壤中分离到4320个真菌。这些真菌可根据形态分成26类，其中青霉(  Penicillium  )、木霉(  Trichoderma  )、Plectosporium  和拟青霉(  Paecilomyces  )丰度最高。群体结构呈现季节性变化，根际的真菌生物多样性高于根外土壤。Oros-Sichler  等用  DGGE  指纹分析研究了甜菜根际真菌群体的生物多样性，发现甜菜品种对根际真菌的生物多样性大于土壤类型的影响。Kamal  发现菌根菌接种可显著减少土著真菌的生物多样性。他们将菌根菌接种到甘蔗根系后，可分离的土著真菌从22种减少到9种，有意思的是，减少的土著真菌大都属于致病性真菌。Lumini  等报道长期施用化肥后，水稻根系失去了菌根菌共生，但经5年连续施用有机肥后，水稻根系又恢复了菌丝体形成。可以看出，根际真菌的生物多样性不但受植物影响，还受外来真菌定植和田间肥料管理等不同因子的影响。

3  转基因生物环境安全

3.1  转基因植物的生物安全

　　植物转基因技术正在迅速发展，许多农业和环境问题有可能通过植物转基因技术得以解决。如马铃薯生产常遇到病害发生，传统育种方法和田间管理始终难以解决病害问题，发展以生物防治为目的的转基因马铃薯可能为此提供一个有效途径。再比如植物生物修复是一项受人关注的环境修复技术，但超积累植物往往生物量低而达不到修复目的。利用转基因技术可能既能促进植物超积累能力、又能提高生物产量。但发展转基因植物的一个重要问题是转基因植物可能带来的生态负效应。目前关于转基因植物对植物和动物的影响有许多研究，但转基因植物对土壤微生物群体的影响却研究较少。对土壤生态系统，最令人担忧的后果是转基因植物可能激发或抑制非目标微生物种类，使土壤微生物群体结构发生变化，最终导致生态系统功能的改变。Baumgarte  等评价了  Bt  转基因玉米对土壤微生物群体的影响。Bt  毒素能防止玉米毛虫的侵害。转基因玉米连续种植3年后，作者用分子手段分析土壤总细菌、放线杆菌(  Actinobacteria  )、α-变形杆菌和假单孢菌的生物多样性，发现尽管玉米品种、生育期、和土壤田块均对微生物群体结构产生一定影响，玉米的转基因特性却没有产生明显影响；但玉米收获后，作物根茎残体仍含有较高  Bt  毒素。因此，对  Bt  转基因玉米的环境评价还应包括收获后的残体影响。Andreote  等研究了转基因烟草和桉树对根面和根际细菌群体的影响，发现转基因烟草减少了根际放线菌(  Actinomycetes  )丰度，而转基因桉树使甲基杆菌(  Methylobacterium  )细菌消失了。Santomassimo  等用盆栽和田间试验测定了几个转基因植物对根际细菌群体结构的影响，DGGE  指纹分析表明所有转基因植物的根际细菌群体明显不同于非转基因植物的根际群体。Villanyi  等用  BIOLOG  方法研究表明，Bt  转基因玉米使根际微生物群体的功能发生了变化。

3.2  转基因微生物的生物安全

　　将一些有用基因导入到根际微生物，促进这些微生物在生物防治、生物固氮和有机污染物的生物修复中发挥更大作用，是目前环境生物技术令人注目的发展方向。这些技术可能在保护环境、促进低投入持续农业的发展中发挥巨大作用。但和转基因植物一样，基因工程细菌在释放之前，必须进行环境生态安全评价。Mark  等认为安全评价至少应包括对土著假单孢菌、共生固氮菌和菌根菌等植物有益微生物群体的影响，对转基因工程菌的安全评价可用其野生型作对照。

　　一些荧光假单孢菌株能产生2,4-二乙酰基藤黄酚(  Ph1  )，常被用作生防细菌。但  Ph1  产量受复杂的转刻因子和后转刻因子调控，一个相应的基因工程技术是通过修饰这类因子，增强  Ph1  生产。欧洲已经研制并准备释放几个荧光假单孢菌的基因工程菌，Girlanda  等和  Mark  等对这些工程菌进行安全评价后声明这些工程菌对土著细菌群体的影响与它们的野生型相似。相似地，Viebahn  等以恶臭假单孢菌(  pseudomonas  putida  )株  WCS358r  为母本，构建了两株工程菌，以提高抗生素吩嗪-1-羧酸(  phenazine-1-carboxylic  acid，PCA  )和2,4-二乙酰基藤黄酚的生产效率。他们将菌种以小麦种子包衣形式释放到土壤，进行连续4年试验，然后用  DGGE  进行微生物群体指纹分析，发现工程菌和非工程菌对土壤微生物群体的影响有差异，工程菌对子囊菌(  Ascomycetes  )的几个属产生了特殊影响。荧光假单孢菌株  Q8r1-96  已被用作小麦全蚀病的生防菌。Blouin  等将  PCA  合成基因导入  Q8r1-96  构建一组新工程菌，这些新工程茵以种子处理方式释放到小麦田间。工程菌在单独接种时，其根际定植和存活能力与  Q8r1-96  相同，但当工程菌与  Q8r1-96  同时接种时，Q8r1-96  抑制了工程菌在根系的定植。所以，增加抗生素的生产并不一定能增加工程菌在根际的定植能力。

　　巴西固氮螺菌(  Azospirillum  brasilence  )不仅能固氮，而且能生产  Auxin  等植物生长激素。Luyten  等将  IAA  (吲哚乙酸)合成基因  ipdC  导入固氮螺菌，以增加  ipdC  基因拷贝数，增加  IAA  合成，促进植物生长。他们将工程菌接种到菜豆后，评价了工程菌对植物根系土著根瘤菌的影响。Baudoin  等也构建了  ipdC  基因高表达工程菌，他们进行多个工程菌和非工程菌的接种对比试验，发现工程菌对土著细菌群体的影响随实验条件而变。多数情况下，工程菌的影响并不显著。

　　有机污染的根际生物修复技术要求所用的生物降解细菌既要有强的根际定植能力，又要在根际高水平表达降解基因。荧光假单孢菌株  F113  是一个生防菌株，能有效定植不同植物的根际。以前的研究表明某些  F113  突变型能表达多氯联苯(  PCB  )降解基因，但基因表达水平很低。中华根瘤菌(  Sinorhizobium  meliloti  )有一个  nodbox4  因子能调节  nod  基因的高水平表达，Villacieros  等将从伯克霍德氏菌克隆的  bph  基因操纵子融合到中华根瘤菌的  nodbox4/nodD1  组合带，然后再导入  F113  基因组，建立新突变体  F113L::1180，此工程菌既保留原有的生防和根际定植能力，又表达  bphC  高水平活性，具备优秀的生物修复潜力。但其环境生态副作用尚待进一步研究。

4  污染环境的微生物生物修复

4.1  重金属污染

　　自然选择导致生物体适应进化，如长期生活在污染环境的植物和微生物会形成对污染物的抗性。菌根菌能改善土壤质量和植物生长，接种对污染物有抗性的菌根菌将有利于更好保护植物免受污染侵害。Turnau  等从污染土壤分离菌根菌，将获得的菌根菌接种到蔬菜，降低了植物对重金属的吸收，减少了污染土壤种蔬菜的健康危险性。Adriaensen  等比较了污染和非污染森林土壤根际共生菌根菌对重金属的抗性。耐性菌种能有效保护树木对养分的吸收，而敏感型菌种在重金属浓度升高时生长受到抑制，对树木的养分供应显著减少。他们认为树木在重金属污染土壤的生长适应性可能来自于共生菌根菌的遗传变异。砷(As)污染灌溉水是孟加拉国最严重的环境问题。Ahmed  等从孟加拉国  As  污染土壤分离到不同菌根菌和根瘤菌，在5个  As  水平土壤进行接种试验。菌根菌增加了植物高度、植物生物量、总叶数、根茎  P  浓度和固氮酶活性，同时降低了根茎  As  含量。这些结果表明根际共生能改善植物  N、P  吸收，同时减少植物  As  毒害。Barea  等在  Pb、Cd、Ni  污染土壤分离和鉴定主要细菌和真菌种属，得到丰度最高的真菌为  VA  菌根真菌(  glomus  mosseae  )、丰度最高的细菌为芽孢短杆菌(  Brevibacillus  )。将  VA  菌根真菌接种到三叶草作物根系增加了植物根、茎干物重和植物  N、P  含量，同时降低了植物茎的含  Cd  量；而接种芽孢短杆菌则增加了土壤脱氢酶、磷酸酶、β-糖解酶和植物生长素的活性，这些酶活性对植物根系生长有促进作用。他们认为接种对重金属污染有抗性的微生物将在改善植物抗性和生物修复上有良好应用前景。Tugarova  等研究了重金属对2个固氮螺菌(  Sp245  和  Sp7  )的影响。Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)降低了2个菌种的  IAA  生产，降低了它们对植物生长的促进作用。但  Sp7  对重金属有一定抗性，其抗性可能与重金属诱导的聚羟基丁酸酯(  Polyhydroxybu-tyrate)合成有关。   (责任编辑：泉水)

搜索

热门标签:

根际微生物研究进展(2)