能消化氫氣的土壤細菌是好菌!
豆科作物根際有能改良土壤或提高肥力的作用，有一種觀點認為是因為豆科植物根系具有產(chǎn)生氫氣的能力，從而滋養(yǎng)著一批能消化氫氣的細菌，這種細菌就是氫氧化菌，就是利用氧化氫氣獲得營養(yǎng)生存的細菌，這類細菌是土壤是否肥沃的重要基礎(chǔ)。有一篇2012年的綜述文章，對這個問題進行了比較全面的總結(jié)。
王瑾, 王喆之, 董忠民. 土壤氫氧化細菌促進作物生長機理研究進展[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報, 2012, 18(5):853-861.
摘要：本文綜述了近十年來國內(nèi)外關(guān)于豆科作物根際土壤促生菌中氫氧化細菌的研究進展,討論了根瘤釋放氫氣促進作物生長的可能機制.與豆科作物進行輪作、間作是提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量的一項傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式.對于這種耕作方式優(yōu)勢的機制研究,過去大多數(shù)主要集中在土壤氮(N)元素含量的提高.而近期研究表明土壤氫氧化細菌以豆科作物根瘤菌在固氮過程中釋放的氫氣為能量來源進行化能自養(yǎng)改變土壤微生物種群結(jié)構(gòu).一些土壤氫氧化細菌通過產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶和根瘤菌毒素抑制植物體內(nèi)乙烯的合成,促進作物生長.此外,本文進一步討論了利用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法研究氫氧化細菌促進作物生長的途徑.
土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中不可缺少的基礎(chǔ)，它不僅為農(nóng)作物生長提供基本環(huán)境，維持作物產(chǎn)量，還影響到環(huán)境質(zhì)量以及關(guān)系到動植物甚至人類的生存[1]. 二戰(zhàn)以后，為了應(yīng)對急劇增加的人口壓力，各國在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中利用大規(guī)模單一作物耕作而帶來一場綠色革命. 降低農(nóng)家肥應(yīng)用量，同時過量使用化學(xué)性氮肥最終導(dǎo)致土壤肥力逐年直線下降. 傳統(tǒng)意義上，土壤肥力主要來源于可測定的土壤中氮(N)、磷(P)、鉀(K)等無機元素的含量. 而現(xiàn)代意義上，土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的改變也決定著土壤肥力的高低. 相當(dāng)長的時間內(nèi)土壤的質(zhì)量或健康狀況都決定著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]. 為保證現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展就是要提高土壤的可持續(xù)利用，而如何改善土壤耕種環(huán)境就是擺在人們面前的一個至關(guān)重要的課題.豆科(Leguminosae)作物作為可食用的高營養(yǎng)健康農(nóng)作物，是人類食品中淀粉、蛋白質(zhì)、油脂的重要來源之一，經(jīng)濟價值僅次于禾本科. 更重要的是豆科作物與其根瘤固氮菌互利共生作用，不僅能夠?qū)⒋髿庵械牡獨廪D(zhuǎn)化為其自身所需要的氮肥，還能提高土壤中N元素含量而被廣泛應(yīng)用為飼料、綠肥和大地的覆蓋物等. 大量研究和實踐表明，將豆科作物與其他作物進行輪作、間作可明顯改善土壤質(zhì)量提高土壤肥力，并能促進下一茬農(nóng)作物生長，提高產(chǎn)量. 同時這種耕作方式的優(yōu)勢與土壤中具有促生作用的微生物活動密切相關(guān)[3]. 其中，氫氧化細菌作為土壤中一大類群發(fā)揮著重要作用. 本文從微觀方面綜述了豆科作物根際土壤中氫氧化細菌促生機理的研究進展，以期進一步豐富自古以來采用輪作、間作以達到增產(chǎn)目的生物學(xué)解釋，而且也為育種學(xué)家篩選優(yōu)良菌株提供一定理論基礎(chǔ). 1 輪作、間作發(fā)展及優(yōu)勢輪作是一種在同一田地上有順序的輪換種植不同作物或輪換采用不同復(fù)種方式的種植方式[4]，而間作是指在同一田地上，生長季節(jié)相近或相似的兩種或兩種以上作物按一定比例分行或分帶種植[5]，二者都是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)栽培方法. 早在2 000多年前的漢朝，輪作與間作已有萌芽，并在魏晉南北朝時期得到廣泛發(fā)展[6]. 二者優(yōu)勢相似，不僅可以通過不同作物根系的形態(tài)組成差異改善土壤結(jié)構(gòu)[7~9]，增加土壤蓄水量及緩沖能力[9]，有利于作物對營養(yǎng)的吸收利用[10].此外，實施輪作、間作也能打破病蟲害在作物連作中的循環(huán)[9~11]，降低各類合成型殺蟲劑對土壤和農(nóng)作物造成雙重損害，起到生態(tài)防治的作用等優(yōu)點. 尤其是與豆科作物輪作、間作的復(fù)種方式已經(jīng)廣泛地用于糧田和菜田上. 非豆科作物與豆科作物進行輪作、間作不僅能促進非豆科作物增加產(chǎn)量，提高單位面積土地經(jīng)濟收益[12~13]，保證糧食安全環(huán)保，而且由于豆科作物根瘤菌的固氮作用，使土壤中N元素含量增加[7~9]，進而減少化學(xué)性氮肥如銨態(tài)、硝態(tài)和酰胺態(tài)氮肥的大規(guī)模使用，節(jié)省能源. 輪作、間作制度在包括歐洲各國、美國、加拿大、澳大利亞等發(fā)達國家在內(nèi)的世界各國被廣泛采用[13~17].隨著豆科作物與其根部的根瘤菌共生固氮作用的發(fā)現(xiàn)，一直以來許多研究者認為這種與豆科作物的輪作、間作的效益主要是來自豆科作物根部的殘留氮的作用. 而最近的研究表明：非豆類作物的增產(chǎn)中只有大約25%可歸結(jié)于改善后土壤中殘留的氮肥營養(yǎng)，而大部分增產(chǎn)作用還不能用已有的理論解釋[13, 18~21]. Dong等自2 001年以來通過大量的實驗和理論推論計算，提出了一個新的氫肥理論[22]. 理論認為不含吸氫酶的根瘤菌在固氮過程中釋放的氫氣可促進其根際植物促生細菌(Plant Growth-promoting Rhizobecteria，PGPR)，尤其是氫氧化細菌的群落生長，進一步促進作物生長.2 豆科作物根瘤菌與氫氣2.1 固氮過程中氫氣產(chǎn)生關(guān)于氫氣的產(chǎn)生與固氮關(guān)系的研究始于上世紀(jì)40年代初.Wilso等首先報道固氮菌在固氮過程中通過固氮酶催化作用將電子傳遞給質(zhì)子產(chǎn)生氫氣，即每固定1個N2分子至少產(chǎn)生1個氫氣分子[23]. 而在氮底物較低時，或者說固氮酶處于“氮饑餓”的條件下，會釋放更多的氫氣分子，釋放積累的還原力和ATP [24]. (至今為止，生物產(chǎn)氫仍然是這種釋放還原力的觀點)
研究表明，在大田條件下，豆科作物每還原1個 N2分子，固氮酶產(chǎn)生大約1.5個氫氣分子，因此氫氣是固氮酶催化的固氮反應(yīng)的副產(chǎn)物，消耗固氮反應(yīng)33%的能量[25]. 計算表明每公頃大豆在結(jié)果期間每天可釋放超過5 000 L的氫氣，而固氮反應(yīng)過程中用于氫氣生產(chǎn)的能量大約為植物凈光合作用的5%~7% [26]._ 豆科作物的共生固氮菌依據(jù)是否具有氫酶(uptakehydrogenase，HUP)活性可以分為兩大類：一類是具有氫酶活性的固氮菌(HUP+)，它可以回收利用產(chǎn)生的氫氣并從中獲得能量;另一類是缺乏氫酶活性(HUP-)的固氮菌，使固氮反應(yīng)中產(chǎn)生的的氫氣未經(jīng)吸收直接擴散至根瘤表面后進入土壤. 有研究顯示HUP+是固氮效率更高的固氮菌[27].
圖1氫氣處理裝置
HUP體系保證了固氮酶在過量氧氣和氫氣抑制濃度下的活性，在氫氣回收的過程中傳遞電子生成ATP，保證了因釋放氫氣而散失的能量得到回流[28~29].Conrad等對土壤中氫氣的氧化做了深入的研究，得知土壤是氫氧化的主要場所，證明土壤中氫氧化細菌的存在，表明土壤中氫氣被氫氧化細菌吸收利用，因此根瘤釋放的氫氣與土壤中細菌接觸后會迅速發(fā)生氧化反應(yīng)[30~32]. 同時對氫氣氧化酶化學(xué)動力學(xué)(Km和Vmax)做了相關(guān)研究. Dong等在實驗室模擬大田土壤氧化氫氣的過程，采用持續(xù)通氫氣裝置進行氫氣處理(圖1)[26]. 其原理是利用直流電控制兩根惰性電極電解水產(chǎn)生氫氣，電流量的大小決定了陰極氫氣的產(chǎn)量. 將產(chǎn)生的氫氣與一定流速的空氣混合后可得到已知濃度的氫氣，將混合后的氣體通入裝有土壤的試管中，測量了16 d內(nèi)土壤對氫氣的吸收率，結(jié)果表明在前7 d中氫氣吸收率增長緩慢，但從d 8開始吸收率突然增大，直至d 13逐漸保持水平. 此吸收曲線類似于微生物生長曲線. 在對土壤進行3周的氫氣處理時，他們同時還檢測了氫氣、氧氣和二氧化碳三者的濃度的變化，根據(jù)檢測到土壤對氫氣、氧氣和二氧化碳的吸收數(shù)值計算出來自氫氣的電子約有60%被用于還原氧氣最終生成水，剩余的40%的電子則被用于還原二氧化碳最終產(chǎn)生有機化合物. 由此可知，釋放的氫氣所攜帶的能量中60%被氫氧化細菌作為能量而被消耗，其余的40%能量用于固定二氧化碳，提高了土壤的有機含量(圖2).
3 氫氣促生作用與機理研究
HUP+固氮菌較高的固氮效率不但為作物節(jié)約光合作用產(chǎn)生的能量，而且提高了作物自身吸收N元素的能力. 但在進化過程中固氮效率較低的HUP-固氮菌并沒有被淘汰，即使是在同一物種中的進化中. 例如大豆既有與HUP+固氮菌生成的HUP+根瘤，也有與HUP-固氮菌生成的釋放氫氣的根瘤. 并且在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，HUP-更被育種學(xué)家及農(nóng)戶普遍選擇使用[33]. 這表明HUP-更有助于作物生長，暗示HUP-固氮菌釋放的氫氣可能有益于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量.Dong等提出的“氫肥理論”說明了豆科作物固氮過程中產(chǎn)生的氫氣對作物的生長具有促進作用，補充了輪作、間作獲益的科學(xué)解釋;氫氣處理過的土壤一般可使植物莖葉或根的干重增加10%~30%或更高[22]. Dong等在溫室條件下，分別用氫氣處理后土壤和空氣處理后土壤種植無根瘤的大豆、大麥和油菜，空氣處理后土壤作為對照組，經(jīng)6周后，大豆和大麥的干重與對照相比分別增加了14%和18%，種植5周的油菜干重也比對照增加了18%;另外將春小麥種植于經(jīng)氫氣處理30 d的土壤中，30 d后與對照相比干重提高了32%;甚至，只用5% 氫氣處理的土壤與95%空氣處理的土壤混合后種植春小麥，也能使春小麥的干重較對照增加21%;而且取自不同地方的土壤在經(jīng)氫氣處理后同樣也能表現(xiàn)相應(yīng)的促生作用[34]. Dong等分別從草坪，大田和花園中取來3種樣土，經(jīng)氫氣處理7周后種植大麥，38 d后，大麥的干重較對照增加17%~47%;甚至僅用經(jīng)氫氣處理過的少量土壤接種仍具有促生作用[34]. 在大田試驗中，Dong等在大麥和春小麥的每粒種子下放置3~5 mL 氫氣處理過的土壤，7周后發(fā)現(xiàn)大麥和春小麥平均每株作物的分蘗數(shù)較對照分別增加36%和48%[34]. 由此說明，在大田條件下，混入經(jīng)氫氣處理過的土壤能夠顯著改善土壤肥力，促進作物生長. Dean等選擇JH47(HUP-)和JH(HUP+)兩種菌株接種大豆[35]. JH47是在JH的氫酶基因中插入Tn5轉(zhuǎn)座子，使其氫酶基因沉默，釋放氫氣. 在大田條件下，第一年將這兩種菌株分別接種大豆，經(jīng)檢測JH47接種大豆的土壤氫氣吸收率較JH組明顯增加;第二年將大麥分別種植在這兩種土壤中，種植在JH47接種大豆的土壤中大麥的分蘗數(shù)、穗數(shù)以及產(chǎn)量也較后者顯著提高.
點評：氫肥概念的本質(zhì)，就是認為氫氣能把土壤中依靠氫氣生活的細菌養(yǎng)肥養(yǎng)多，這種細菌對提高土壤的肥沃程度，提高作物產(chǎn)量有很大幫助。給土壤吸入氫氣固然可以，但操作起來比較困難。給土壤澆灌氫水才是最簡單的方法，未來可能是農(nóng)業(yè)新技術(shù)的重要方向。
氫氣處理后的土壤能夠促進作物的生長，已有一些研究證明是由于土壤中細菌的作用. Conrad等多年實驗表明土壤中氫氧化細菌的存在，并且進一步證實土壤是氫氣氧化的主要場所[31]. McLearn等研究表明，在經(jīng)氫氣處理過的土壤中，細菌是吸收氫氣的主要部分[36]. Irvine等將36 mg/L的苯菌靈分別加入氫氣處理土壤和空氣處理土壤中，氫氣處理土壤中春小麥干重仍顯著高于后者;但使用50 mg/L鏈霉素和50 mg/L青霉素混合物處理兩份樣土后，氫氣處理土壤中的春小麥干重與空氣處理土壤中的春小麥干重相當(dāng)[37]. 這說明土壤中有促生作用的部分是細菌而不是真菌. 由此可見，氫氧化細菌作為植物促生菌家族(PGPR)中的一大類發(fā)揮著重要的作用. 由于氫氣的作用，土壤中氫氧化細菌種群發(fā)生改變，而這種變化可能就是氫氣促進作物生長的原因. 因此，對植物生長根際促生菌(PGPR)中氫氧化細菌的研究將成為解釋豆科作物在輪作、間作中發(fā)揮優(yōu)勢的一個重要方面.4 氫氧化細菌的獲得及其鑒定4.1 分離及篩選對氫氧化細菌的分離，最早采用封閉系統(tǒng)內(nèi)通入80%氫氣、10% 二氧化碳和10% 氧氣混合氣體的配氣法[38]. 這種方法局限性很多，最重要是不能很好地模擬土壤微生物生長環(huán)境而造成某些氫氧化細菌不能被分離，同時高氫氣濃度也具有一定的安全隱患. Dong等通過分析大田土壤環(huán)境，推算出大田土壤中的氫氣濃度在1 000×10-6以下[26]. 因此他們將氫氣與空氣混合以較為接近大田條件的濃度為前提，采用新的接近自然的開放系統(tǒng)分離氫氧化細菌[39~40]，此系統(tǒng)能保持各種氣體具有穩(wěn)定濃度，達到模擬根際周圍氫氧化細菌的最適生長環(huán)境的目的，可使其種群數(shù)量迅速增加. 常規(guī)細菌分離技術(shù)通常采用表明平滑的瓊脂培養(yǎng)基，但這與土壤中的物理化學(xué)條件相差甚遠. 因此，Maimaiti等在分離氫氧化細菌時將少量滅菌細土撒在平滑的培養(yǎng)基上，這樣更利于細菌繁殖[39]. 同時，他們首次采用此裝置在礦質(zhì)鹽固體培養(yǎng)基(MSA)分離出19種氫氧化細菌. 這些細菌在適當(dāng)?shù)臍錃?、氧氣和二氧化碳濃度下以氫氣作為唯一能源，二氧化碳作為碳源生長. 陳興都等采用同樣的方法也分離出20株氫氧化細菌[41]._氫氧化細菌篩選方法主要有4種[38, 42~43]：1)TTC法試驗篩選氫化酶的細菌;2)氫氧化細菌的化能自養(yǎng)能力：3)DNA雜交試驗檢測氫化酶基因的存在;4)測定細菌的吸氫能力，根據(jù)氫氣的減少量測定氫化酶的存在. 然而分離出的單菌落約有65%~90%都能夠降低TTC的合成，顯示陽性結(jié)果，但其中只有30%~65%的單菌落有氧化氫氣的能力;少于30%分離的單菌落可以在有氧條件下利用氫氣氧化提供能量進行自身化能自養(yǎng)生長;DNA雜交試驗檢測氫化酶基因的方法也難于檢測具有氫氧化活性的細菌，因為很難判斷攜帶氫化酶基因的細菌是否能夠表達此基因并發(fā)揮功能. 因此，實踐表明氧化氫能力的測定結(jié)果較可靠，其他結(jié)果可能給出假陽性的結(jié)果.4.2 基本特征及分類地位Maimaiti等分別從氫氣處理土壤、大田大豆根瘤(HUP-)附近土壤以及溫室大豆根瘤(HUP-)附近土壤中共分離出19株氫氧化細菌[40]. 然而由于氫氧化細菌不是一個分類學(xué)單位而是由系統(tǒng)學(xué)上完全不同的種類組成[43~45]，它的命名來自生理上的概念，是一種不需要有機碳，在有氧的環(huán)境中氧化氫氣進行無機化能營養(yǎng)的細菌[38, 43, 46]. Maimaiti等將它們根據(jù)Holt細菌分類手冊(The Bergey’sManual of Determinative Bacteriology)分別從形態(tài)、培養(yǎng)狀態(tài)以及生理生化特征測定等方面進行分類，結(jié)果表明，這19株菌株分別屬于噬細胞菌屬(Flavobacterium)、假單胞菌屬(Burkholderia)和產(chǎn)堿菌屬(Variovorax)[47]. 同時，Maimaiti等對其中一些菌種做了16SrRNA序列測定，將序列錄入NCBIGenebank數(shù)據(jù)庫，序列號從DQ256485到DQ256491，并與已知序列進行比對分析同源性，確定更詳細的分類歸屬[40]. 陳興都等從采自陜西關(guān)中地區(qū)的HUP-大豆植株根際土壤中分離出20株氫氧化細菌，并測定其基本特征[41].20株氫氧化細菌中既有革蘭氏陽性菌又有革蘭氏陰性菌，菌落形態(tài)小且圓，顏色分3種，乳白色、無色和淡黃色. 他們分別從19項實驗測定了這20株氫氧化細菌的生理生化特性，如氧化酶活性、過氧化氫酶活性、甲基紅試驗、淀粉水解、纖維素水解等.4.3 群落研究由于氫氧化細菌的獨特特征和大多數(shù)土壤細菌的不可培養(yǎng)性，土壤氫氧化細菌的分離極其困難，至今在國內(nèi)外的結(jié)果仍不是很多[40, 48~49]. 然而應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)例如指紋圖譜能夠在土壤中探測出某些氫氧化細菌的種群變化以解釋其促生作用. 目前已經(jīng)有許多分子鑒定方法應(yīng)用于微生物群落分析中，例如變性梯度凝膠電泳(DGGE)和溫度梯度凝膠電泳(TGGE)[50]、單鏈構(gòu)象多態(tài)性(SSCP)[51]、末端限制性片段長度多態(tài)性(T-RFLP)[44]、隨機擴增多態(tài)DNA(RAPD)[52]和熒光原位雜交技術(shù)(FISH)[53]等. Zhang等應(yīng)用T-RFLP技術(shù)分別分析了3種樣土即實驗室氫氣處理土壤、溫室以及大田豆科植物根際土壤中細菌的16S rRNA，得知氫氣在土壤中的氧化過程改變了土壤中根際微生物的群落結(jié)構(gòu)[44].Zhang等將氫氣處理后的土壤細菌16SrRNA指紋變化與之前Maimaiti等分離出的19個氫氧化菌株的16S rRNA比對，但這19個單菌落的種群并沒有明顯變化，說明T-RFLP技術(shù)不僅檢測出不同處理下土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的變化，而且能從分子基礎(chǔ)探測新的微生物種群. Stein等使用FISH技術(shù)分析了氫氣處理后土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)的變化與土壤吸收氫氣和固定CO2能力的關(guān)系[53].
5 氫氧化細菌促生作用及機理研究Maimaiti等對分離出的19株氫氧化細菌進行春小麥幼苗促生檢測，與對照相比，其中17個菌株可使春小麥種子的胚根在2 d內(nèi)與對照相比伸長增加57%~250%;當(dāng)用分離出的5株菌分別作用擬南芥幼苗時，其葉片數(shù)、根及莖的干重都明顯較對照增加，其總體生物量增加了11%~27%[40]. 陳興都等將分離出的20株氫氧化細菌進行小麥促生檢測，結(jié)果顯示其中11株可使小麥胚根與對照相比伸長增加111%~397%[41].氫氧化細菌的這種促生機制有可能是調(diào)節(jié)乙烯在植物體內(nèi)合成的結(jié)果. 乙烯是作為一種重要的植物自身分泌的激素，在各個方面影響植物的生長發(fā)育[54]，有研究報道在許多豆科作物中，乙烯過多會減少根瘤的產(chǎn)生，而根瘤的減少會影響豆科作物固氮效應(yīng)[55]，同時乙烯也會抑制非豆科植物根的伸長[56]，使其不能更多地吸收利用土壤中的營養(yǎng)物質(zhì). 1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC)是乙烯合成的前體(圖3)，許多PGPR可誘導(dǎo)產(chǎn)生ACC脫氨酶，將ACC分解為丁酮酸和氨[57]，ACC水平降低導(dǎo)致植物體內(nèi)乙烯含量的減少，從而促進幼苗的生長[40~41] . Maimaiti等已經(jīng)報道6株氫氧化細菌，5株為產(chǎn)堿菌屬(Variovorax)，株為噬細胞菌屬(Flavobacterium)，均具有ACC脫氨酶活性[40]. 陳興都等對分離出的11株具有明顯促生能力的氫氧化菌株做了ACC分解實驗，結(jié)果表明僅有1株具有ACC脫氨酶活性[41]. 此外，Hunter等報道了由豆科作物根際細菌產(chǎn)生的根瘤菌毒素(Rhizobitoxine)也是一種抑制乙烯生成的化學(xué)物質(zhì)[55].Sugawara等研究表明根際生物素主要作用ACC合成酶，切斷了ACC的合成路徑，最終減少乙烯的產(chǎn)生(圖3)[58]. Maimaiti等發(fā)現(xiàn)其分離的氫氧化細菌中產(chǎn)堿菌屬(Variovorax)、噬細胞菌屬(Flavobacterium)和假單胞菌屬(Burkholderia)均有根瘤菌毒素的活性[40].在檢測氫氧化細菌作用春小麥促生實驗中，小麥的分蘗數(shù)明顯增加，此種性狀是受到其體內(nèi)內(nèi)源激素調(diào)控的結(jié)果.研究表明，細胞分裂素(Cytokinin，CTKs)在側(cè)枝的發(fā)生和衰亡過程中起到重要的作用[59]，CTKs作為第二信使參與生長素調(diào)控的休眠過程，CTKs在根部合成后運輸至腋芽并在生長素(Indole Acetic Acid，IAA)的調(diào)控下影響側(cè)芽發(fā)生[60].李春喜等研究發(fā)現(xiàn)不同品種間及同一品種不同種植密度間小麥分蘗節(jié)中IAA、(ZR+Z)含量有顯著差異，且內(nèi)源IAA、(ZR+Z)的含量尤其是二者間的比值與分蘗數(shù)的多少有密切關(guān)系[61]. 外施細胞分裂素也會增加植物側(cè)芽的發(fā)生[62]. 已有一些PGPR已經(jīng)被證實可以產(chǎn)生植物調(diào)節(jié)激素，如生長素、細胞分裂素和赤霉素等[63~68]. 此外，異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(Isopentenyltransferases，ipt)是細胞分裂素合成重要的限速酶，能催化異戊烯基焦磷酸和單磷酸腺苷的分解，產(chǎn)生作為細胞分裂素前體的異戊烯基單磷酸腺苷(Isopentenyl AMP，iAMP). 目前已被分離出的ipt酶基因大多來自微生物，編碼全長為720bp，不同微生物或菌種之間ipt酶基因有一定差異，但仍具有很高的同源性. 已有一些研究證明在植物中過表達ipt酶基因可以提高CTKs含量，增加生物量，延緩植物衰老[69~70].因此，氫氧化細菌促進分蘗可能是由于部分菌株產(chǎn)生CTKs或產(chǎn)生異戊烯基轉(zhuǎn)移酶而增加作物體內(nèi)細胞分裂素濃度從而發(fā)揮作用.由此可見，土壤微生物與植物之間有著密不可分的關(guān)系，植物的生長影響著根際土壤微生物的種群變化，而土壤微生物分泌的活性物質(zhì)也同樣調(diào)節(jié)著植物的生長發(fā)育. 已有報道指出，有些豆科作物根際土壤促生菌不僅能夠提高非豆科作物生物量，還能增強其自身對逆境的適應(yīng)抵抗能力[71~73].
點評：氫氣氧化菌如何促進土壤改良的分子機制，雖然有不少研究，但仍然不是非常清楚。不過機制雖然很重要，但效果好，環(huán)境安全才是使用的重要條件。氫氣農(nóng)業(yè)應(yīng)用只要符合經(jīng)濟原理，應(yīng)用不是問題。
6 展望
將豆科植物根際具有促生作用的氫氧化細菌引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅能夠維持土壤肥力，保證現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，而且又起到增產(chǎn)效益，滿足人類日益增長的糧食需求[74]. 然而國內(nèi)外對于氫氧化細菌的相關(guān)特性研究尚未深入展開，主要由于HUP-豆科作物根際土壤中氫氧化細菌不易分離，其培養(yǎng)方法、種群結(jié)構(gòu)分析和鑒定工作也尚存在不足，相關(guān)報道也較少. 對具有促進作物生長作用的氫氧化細菌的分離仍是菌種開發(fā)的關(guān)鍵. 面對土壤微生物的多樣性和其生理功能的復(fù)雜性，在絕大多數(shù)土壤細菌均由于分離條件不適而不能得到有效分離的現(xiàn)實下，應(yīng)通過分析土壤細菌生理代謝及群落結(jié)構(gòu)，模擬其生存生態(tài)環(huán)境，對培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件等做進一步改善，以便于篩選獲得具有促生作用的細菌.豆科作物根際微生物促進作物生長的本質(zhì)和原理還只是在猜測階段，更多的促進作物生長的機理仍待揭示. 每1 g農(nóng)田土壤中大約含有108~109個細胞，有研究推測僅細菌就約有6000~7 000種，然而其中99%以上從未被分離培養(yǎng)[75]，因此未被研究. 利用分子生物學(xué)技術(shù)研究土壤微生物基因組是提出根瘤對土壤微生物種群結(jié)構(gòu)影響的有效方法[76]. 同時，新一代高通量測序的廣泛應(yīng)用或許可以全面展示土壤微生物種群的表達基因[77]. 通過測定不同逆境處理下土壤中所有RNA序列(包括mRNA和非編碼RNA)，與Genebank比對拼接后，在獲得基因序列的基礎(chǔ)上，研究基因功能及結(jié)構(gòu)，不僅能夠獲得土壤微生物在不同逆境脅迫下轉(zhuǎn)錄組的微觀變化規(guī)律，而且為在RNA水平上研究豆科作物根際微生物的基因表達奠定基礎(chǔ). 同時也為進一步研究豆科作物根際土壤微生物對其他作物生長促生作用的機理提供分子基礎(chǔ)，幫助育種學(xué)家篩選有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基因，利用根際微生物的基因表達調(diào)節(jié)促進農(nóng)業(yè)作的生長，進而提高產(chǎn)量.
