综述：假单胞菌属（Pseudomonas spp.）作为植物根际促生细菌的作用机制：植物营养与生物防治

《Antonie van Leeuwenhoek》：Mechanisms of Pseudomonas spp. as plant growth promoting rhizobacteria: plant nutrition and biocontrol

　　

随着人们对农用化学品过量使用、抗性植物病原菌出现以及气候变率对作物生产力影响的担忧日益加剧，植物根际促生细菌（PGPR）作为可持续作物生产的潜力生物替代品受到广泛关注。假单胞菌属（Pseudomonas spp.）因代谢多样性显著、根际定殖能力强，且在促进植物营养吸收、提高抗逆性及抑制病害方面具有多重功能，成为研究最为深入的PGPR类群之一。这类革兰氏阴性细菌可通过多种直接与间接机制促进植物生长，包括生物固氮、刺激共存重氮营养型微生物固氮、溶磷作用、铁载体介导的铁获取、与病原菌竞争营养与生态位、分泌抗菌代谢产物，以及激活植物的诱导系统抗性（ISR）。组学技术的最新进展加深了研究人员对假单胞菌介导的植物营养供给与生物防治机制的理解，但现有认知仍呈碎片化分布，限制了对假单胞菌-植物互作关系的整体把握。本综述系统梳理了有益假单胞菌属菌株在养分活化、铁载体活性、抗菌代谢产物合成及诱导植物防御响应方面的研究进展，重点阐释上述机制如何协同提升植物生产力、抗逆性与抗病性，凸显了假单胞菌属作为可持续生物肥料与生物农药的应用潜力。

引言

根际是受植物根系直接影响和塑造的狭窄土壤区域，其动态特征由根系沉积驱动，为包括假单胞菌属在内的多样微生物群落提供了定殖环境。作为γ-变形菌纲中具有显著代谢多样性的类群，假单胞菌属革兰氏阴性细菌广泛分布于土壤、水生系统及各类宿主生物中，可利用种类繁多的有机底物获取能量，并对临床与农业环境中使用的多种抗菌药物具有天然耐受性。其合成大量生物活性次级代谢产物的能力进一步印证了生理与遗传层面的可塑性，使其能够在多样的生态位中繁衍生息。在农业生态系统中，假单胞菌属参与有机质分解、养分循环及植物-微生物互作调控等关键过程。根际中的多数假单胞菌菌株可作为PGPR，通过固氮、溶磷及分泌铁螯合铁载体等途径增强植物养分获取能力，还可触发诱导系统抗性，提升宿主植物对广谱环境胁迫与病原菌的抵御能力。值得注意的是，该属同时包含重要的植物病原菌，功能多样性跨度从促生到强致病性，这是由其代谢灵活性与遗传适应性所决定的。凭借生长速度快、根际定殖能力强、可产生促生长代谢产物及抗逆性佳等优势，假单胞菌属被视为农业生物技术的重要工具。已有研究表明，荧光假单胞菌（P. fluorescens）接种可显著提升鹰嘴豆的生长与产量，从甘蔗组织与根际分离的有益铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）菌株可增加植株鲜重与干物质积累，印证了特定菌株作为生物肥料与可持续增产剂的潜力。但目前对田间波动环境下这些有益互作的精确调控机制仍缺乏深入理解，本研究将系统解析假单胞菌优化植物营养与防控顽固植物病原菌的复杂机制策略。

植物氮素供应

生物固氮

假单胞菌属可通过细胞与群落层面的多重互作机制提升植物可利用氮素水平。假单胞菌科的部分成员，尤其是重氮营养型菌株，可将大气中的氮气（N₂）还原为铵态氮（NH₄⁺），这种植物可直接利用的氮形态可富集于根际，惠及微生物与宿主植物。生物固氮是由原核生物催化的大气氮转化为氨（NH₃）的过程，后续进一步转化为铵态氮，使植物在氮限制生境中仍能维持生长。该过程依赖于基因组中的固氮岛（NFI），其携带编码固氮酶复合体的核心nif基因，负责催化固氮反应。每还原一分子氮气，铁蛋白需向钼铁蛋白传递8个电子，每个电子传递步骤消耗2分子ATP，因此理论上每分子氮气还原至少消耗16分子ATP，加上电子传递与氧保护生理过程的额外能耗，体内实际消耗更高。由于固氮酶的金属辅因子与电子传递组分易被氧气破坏，重氮营养型微生物通常仅在微好氧或无氧条件下进行固氮，或演化出氧保护策略。尽管生物固氮在细菌与古菌中广泛存在，但长期以来被认为不存在于假单胞菌属中，直到根际关联菌株施氏假单胞菌（P. stutzeri）A1501等菌株被鉴定并完成测序，才证实该属的固氮能力。比较基因组分析显示，不同假单胞菌物种的nif基因结构、数量与调控模式存在显著差异，反映了其对多样环境的进化适应。施氏假单胞菌DSM4166的全基因组测序鉴定到了与固氮、反硝化及根际定殖能力相关的遗传决定因子，提示假单胞菌的固氮性状可能通过基因水平转移获得。已有研究成功将肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）的nif基因导入恶臭假单胞菌（P. putida）MT20-3并实现功能表达，检测到固氮酶活性，结合根瘤菌共生固氮与结瘤基因可通过可移动遗传元件在不同菌株间转移的证据，表明nif基因在多样细菌宿主间进行功能性转移具有可行性，固氮岛这一假单胞菌中罕见的基因组特征可通过水平转移在不同菌株间扩散，其基因组背景能够高效组装与表达完整的固氮基因簇。假单胞菌的生物固氮活性受到严格调控：部分物种为适应长期缺氮土壤，组成型表达固氮基因；另一些物种则根据外界氮素水平 tight 调控nif基因表达。施氏假单胞菌A1501是目前公认的固氮细菌，携带已知最大的连续固氮岛（49 kb），由11个操纵子组成，受主调控因子nifA与σ⁵⁴因子共同调控，确保在根际波动条件下高效固氮。其固氮过程受AmtB-GlnK-NtrBC信号级联调控：氮限制条件下，nifA通过NtrC与GlnK激活；铵态氮充足时，GlnK通过NifL介导抑制。glnK缺陷突变体中，组成型表达的nifA可在铵态氮存在下恢复固氮酶活性，证实了GlnK在铵态氮感知中的核心作用。此外，固氮过程还整合入更广泛的Rpo/Gac/Rsm信号网络，RpoN共激活生物膜形成相关基因pslA与固氮基因nifA，而RpoS提供负反馈调控，根据养分可用性精细调节上述过程。鉴于无机氮肥过量使用的问题日益突出，这些机制虽多在实验室可控条件下验证，但在减少合成氮投入的农业应用中潜力巨大。已有研究显示接种产碱假单胞菌（P. koreensis）CY4与嗜虫假单胞菌（P. entomophila）CN11可显著提升甘蔗组织的氮浓度与累积量，证实其在氮限制条件下的固氮与促生能力；玉米与小麦接种恶臭假单胞菌Pf-5 X940后，营养与生殖组织的氮含量与生物量均显著增加，¹⁵N示踪进一步证实植株可吸收根际固定的大气氮。然而，将这些成果推广至田间仍面临挑战：土壤水分、温度与pH的波动会影响微生物存活与固氮酶活性；土著土壤微生物的竞争会限制引入菌株的建立与持久定殖；固氮酶的氧敏感性、根系碳供应的不稳定性及土壤氮水平的差异也会抑制原位固氮效率。此外，假单胞菌接种剂的大规模生产、制剂稳定性保障及在不同农业生态系统中的稳定田间表现仍是规模化应用的障碍。

刺激共存重氮营养型微生物固氮及增强豆科植物结瘤

假单胞菌还可通过刺激根际邻近微生物群落的生物固氮，间接提升根际氮素有效性。例如荧光假单胞菌F113分泌的2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG）可诱导巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）S245的nif基因表达，水稻共接种这两种菌可使单位氮投入的籽粒产量提升37%。除影响自由生活重氮营养型微生物外，荧光假单胞菌还可促进豆科植物如鹰嘴豆的结瘤，通过增加根瘤菌的共生固氮量改善植物氮营养。这些效应可能通过多种互补机制实现：分泌吲哚-3-乙酸（IAA）等植物激素刺激根毛发育与侵染位点形成；增强根瘤菌的信号传导与定殖能力；分泌纤维素酶等酶类促进根系侵染；通过1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶（ACC脱氨酶）活性降低乙烯水平，缓解胁迫以促进结瘤。多项研究显示，苜蓿共接种根瘤菌与假单胞菌可使植株生物量最高提升至单接根瘤菌的1.5倍，根瘤数量翻倍；蚕豆共接种根瘤菌、肠杆菌属菌株与假单胞菌SV23可增加根瘤数量；大豆共接种慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）与PGPR假单胞菌可使生长、结瘤与固氮量较单接处理最高提升81%；饲用山羊豆与菜豆中也观察到类似的促生与促结瘤效应。但也有研究显示特定菌株组合会降低大豆根瘤数量，表明假单胞菌对结瘤的影响具有菌株与宿主依赖性。少数假单胞菌分离株还具有独立于传统根瘤菌的结瘤能力，例如分离自刺槐根瘤的假单胞菌Ch10048携带与Lotus mesorhizobium相近的nodA基因；苜蓿根瘤中分离的假单胞菌GLU4携带nodC基因，可诱导非固氮根瘤，提示其通过基因水平转移获得了部分共生遗传元件。此外，假单胞菌常作为根瘤内生菌与主要根瘤菌共存，虽多数无法独立启动结瘤，但可显著影响共生固氮效率，例如百脉根中接种假单胞菌与中慢根瘤菌可降低无效根瘤的比例，说明这些内生菌可根据宿主-根瘤菌组合调控共生结果。这类非结瘤菌株的具体入侵途径仍在研究中，推测可能通过表皮损伤处的裂隙侵入，或借助共生根瘤菌启动的侵染线“搭便车”进入根瘤。

假单胞菌属的溶磷作用

有机酸分泌

磷是植物生长必需的大量元素，但土壤中多以难溶性形态存在，无法直接被植物吸收。假单胞菌溶解无机磷酸盐的核心机制是分泌低分子量有机酸，将其释放至根际后降低局部pH值，促进磷酸钙、磷酸铝、磷酸铁等难溶磷酸盐矿物的溶解。这一过程通过质子释放、金属阳离子螯合或配体交换实现，将矿物表面的正磷酸根离子释放出来。有机酸的生物合成由葡萄糖的胞外氧化代谢驱动，关键周质酶葡萄糖脱氢酶（Gcd）与葡萄糖酸脱氢酶（Gad）介导该通路。不同假单胞菌菌株分泌的有机酸种类存在差异，溶磷效率也因此不同。除有机酸分泌外，许多假单胞菌还通过靶向有机磷库的酶促机制补充这一策略。

酶活性

假单胞菌还可通过分泌胞外酶，尤其是磷酸酶，矿化土壤中的有机与无机磷化合物。这种酶促转化可将难降解的有机磷组分转化为植物可利用的正磷酸盐。大量研究证实假单胞菌可合成大量酸性与碱性磷酸酶，使其在宽pH范围内均能保持活性。例如已鉴定的一种广泛分布的耐磷酸盐碱性磷酸酶（PafA），不同于受终产物抑制的多数磷酸酶，PafA在不同环境条件下均能保持活性，可持续从土壤有机质的磷酸单酯中释放正磷酸盐，使假单胞菌在养分波动的土壤生境中仍能维持磷矿化过程。此外，假单胞菌可通过催化累积的矿物磷库转化，活化土壤遗留磷，释放植物可利用形态的磷。这些发现共同印证了假单胞菌作为磷循环关键驱动者的生态意义，其稳健的酶生产能力确保了持续的磷供应。

铁载体合成

铁载体是微生物分泌的高亲和力铁螯合小分子，用于获取环境中的稀缺铁素。假单胞菌产生的铁载体主要包括绿脓菌素（pyoverdines，PVD）与假单胞菌素（pseudobactins），是其生态适应性的核心。相关基因的遗传架构保守且具有可塑性：荧光假单胞菌SBW25携带至少31个分布在7个基因组区域的基因，参与绿脓菌素的合成与摄取；恶臭假单胞菌WCS358中至少有15个基因分布在5个基因簇中，包括非核糖体肽合成酶（NRPS）基因ppsD，共同协调假单胞菌素358的组装。铁载体的生物合成始于细胞质内的非核糖体肽合成酶途径，在周质中完成组装，随后通过PvdRT-OpmQ ATP依赖型外排系统分泌至胞外。成熟铁载体在胞外环境中特异性螯合三价铁（Fe³⁺），形成的复合物被外膜上的TonB依赖受体（如FpvAI与FpvB）识别，利用TonB-ExbB-ExbD内膜复合物提供的能量转运至周质。与部分铁载体通过化学降解释放铁不同，假单胞菌采用精密的回收机制：内膜还原酶FpvG将Fe³⁺还原为Fe²⁺，后者对配体的亲和力显著降低，解离后通过ABC转运蛋白FpvDE转运至细胞质。解离后的脱铁铁载体（apo形式）被FpvF稳定，并通过PvdRT-OpmQ泵回收至胞外继续参与铁捕获。铁载体的合成受到铁有效性与环境胁迫的严格调控：多数物种遵循铁摄取调控因子（Fur）依赖的抑制模型，部分菌株则采用独特机制，如荧光假单胞菌中的胞外功能（ECF）σ因子FpvI可激活fpvR以调控铁摄取。在根际环境中，这一过程不仅提升微生物自身的铁获取能力，还可通过铁螯合间接改善植物的铁吸收，尤其在石灰性碱性土壤中效果显著。此外，铁载体合成还可缓解非生物胁迫：金属耐受菌株在镉胁迫下仍能维持铁载体与ACC脱氨酶的产生，降低植物对有毒金属的吸收，改善生理表现。在退化土壤中，铁载体通过促进铁活化与增强微生物竞争力，帮助植物适应环境。除铁稳态功能外，假单胞菌铁载体还是间接溶磷的重要驱动力：通过螯合Fe³⁺等金属阳离子，破坏土壤中的不溶性磷酸盐复合物，释放可被植物吸收的正磷酸根（PO₄^3?）。这种兼具铁载体与磷活化功能的特性，结合有机酸与磷酸酶的分泌，使假单胞菌成为生物肥料开发的理想候选。最终，这些多重机制可减少农业对合成化肥的依赖，提升环境可持续性。

假单胞菌属的生物防治潜力

假单胞菌因代谢多样性、可合成多种抗生素、促进植物生长、增强养分吸收及降解土壤毒素，被视为高效的生物防治剂（BCA）。其在农业土壤中的广泛分布及对土传病原菌的高效抑制作用，使其成为生物防治策略的核心组分。假单胞菌的生物防治作用主要通过三大机制实现：营养与生态位竞争实现的排他性竞争、抗菌作用介导的直接拮抗，以及诱导宿主植物产生系统抗性。

根际定殖与生态位竞争力

根际是微生物竞争营养与空间的热点区域，假单胞菌在此环境中表现优异，尤其在养分限制条件下，脂多糖的合成等特化性状为其提供了优势。菌株如荧光假单胞菌WCS417R表现出强健的根定殖能力与内共生倾向，O-抗原多糖的结构变异使其能够适应特定生态位。此外，运动性、趋化性与高效的碳源利用能力是其占据空间优势、抑制病原菌的关键。基因组的塑性，包括重组酶驱动的基因组重排，进一步增强了其定殖能力。在铁限制土壤中，假单胞菌分泌的高亲和力铁载体可螯合铁素，使竞争病原菌因缺铁而生长受限。铁载体对微生物群落存活与适合度的提升具有直接与间接的双重作用，可增强生物防治的效果。研究显示，荧光假单胞菌Mst 8.2产生的铁载体可显著抑制立枯丝核菌（Rhizoctonia solani），使小麦病害发生率降低70%；荧光假单胞菌Lp1的铁载体可抑制黄曲霉、弯孢霉属与镰刀菌属等多种真菌病原菌；假单胞菌ZUM80产生的假单胞菌素也对病原菌具有显著抑制作用。这些抑制效应与根际竞争力密切相关，同时还有其他机制共同参与病原菌的抑制过程。

抗生素与抗真菌化合物合成

抑病土壤中常富集可产生多样抗真菌次级代谢产物的假单胞菌。其中2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG/Phl）是研究最为深入的抑病土壤决定因子之一。产DAPG的假单胞菌可有效防控烟草黑根腐病等多种根部病害，其活性与根际定殖能力紧密关联。研究发现抑病土壤的小麦根际可活跃合成Phl，而非抑病土壤则几乎检测不到该物质，印证了其生态相关性。玉米根际群落中Phl合成基因的丰度也显著高于大田土壤。除DAPG外，许多假单胞菌生物防治剂还依赖吡咯菌素、硝吡咯菌素、吩嗪等广谱抗真菌代谢产物，共同抑制病原菌生长并调控微生物群落结构。乌拉圭对700株荧光假单胞菌分离株的大规模筛选鉴定到多株对终极腐霉（Pythium ultimum）与立枯丝核菌具有强体内抑制活性的菌株，且这些菌株不会干扰苜蓿等豆科植物的共生固氮，体现了其与有益植物-微生物互作的兼容性。

诱导系统抗性（ISR）

诱导系统抗性是假单胞菌在远离定殖位点的组织增强植物免疫的核心机制。其信号通路具有高度多样性：荧光假单胞菌EP1与恶臭假单胞菌5–48等菌株可在甘蔗与橡树等多种宿主中激活ISR，赋予其对炭疽病菌（Colletotrichum falcatum）与栎树枯萎病菌（Ceratocystis fagacearum）等强侵袭性真菌的抗性。除直接的微生物-植物互作外，挥发性有机物（VOCs）也发挥关键的信号作用，如氢氰酸（HCN）、二甲基二硫、2,3-丁二醇与1-十一烯等。例如，产氯假单胞菌（P. chlororaphis）O6产生的2,3-丁二醇可诱导烟草的系统免疫。橄榄油根际的两株有益内生假单胞菌PICF6与PICF7可通过释放包含抗真菌VOCs与促生长VOCs的挥发组，靶向抑制轮枝菌属（Verticillium spp.）病原菌，并为橄榄植株提供潜在增益。与芽孢杆菌诱导的ISR通常依赖茉莉酸（JA）与乙烯信号不同，部分铜绿假单胞菌菌株可直接在根际合成水杨酸（SA），激活SA依赖的防御反应。最新研究揭示了激素通路介导的防御权衡：部分根际假单胞菌菌株可诱导ISR、系统易感性（ISS）或对叶部病原菌无影响。例如假单胞菌CH267将JA/SA平衡偏向JA介导的植食者防御，增强对粉纹夜蛾（Trichoplusia ni）的抗性，但以SA依赖的抗细菌免疫为代价；而ISR诱导菌株WCS417可突破典型的JA/SA拮抗关系，同时启动两种防御通路的预激活。近期研究还发现了III型分泌系统（T3SS）在ISR中的新功能：传统上与致病性相关的边缘假单胞菌（P. marginalis）ORh26的T3SS是其诱导甜菜对丁香假单胞菌（P. syringae）pv. aptata产生系统抗性所必需的，该菌株可激活过氧化物酶与苯丙氨酸解氨酶的活性，上调NPR1与MYC2等核心防御调控因子，而T3SS缺陷突变体则无法引发这些响应。这一发现揭示了T3SS在有益植物-微生物互作中此前未被认知的功能，凸显了ISR信号的复杂性。综上，假单胞菌的生物防治效能并非单一性状的结果，而是激进的生态位竞争、多样代谢武器库与宿主免疫精密调控三者协同的产物，这使其在可持续农业中可替代合成农用化学品。

结论与未来展望

假单胞菌属是代谢多样性最显著、功能最丰富的PGPR类群之一，对农业系统中的植物营养提升、抗逆性增强与病害抑制具有重要贡献。本综述系统梳理了有益假单胞菌通过固氮、促进关联重氮营养型微生物固氮、溶磷、铁载体介导的铁获取、营养与生态位竞争、抗菌代谢产物合成及激活诱导系统抗性促进植物生长的机制。这些机制协同提升了养分有效性、强化了植物防御响应并抑制了植物病原菌，支撑了可持续作物生产。尽管对假单胞菌-植物互作机制的理解已取得显著进展，但仍存在若干未解决的关键挑战：不同田间条件下假单胞菌效应的稳定性仍较差，主要受土壤性质、气候因子、作物基因型、微生物竞争及农业管理措施差异的影响；根际定殖、持久定殖、代谢活性及植物-微生物组互作的调控网络仍未完全阐明。解决这些局限是将机制研究成果转化为可靠、可规模化农业应用的前提。未来研究应优先采用整合的多组学与长期田间验证的系统层面方法，深入解析根际中假单胞菌功能的复杂调控网络，推动开发高效稳定、适配特定生境的生物接种剂。同时必须开展严格的安全性评估，因为该属部分成员具有致病潜力，严谨的菌株筛选与风险评估是确保假单胞菌相关技术在可持续农业中安全有效应用的关键。