综述：芽孢杆菌属在可持续农业中的生物肥料潜力

《Discover Plants》：Biofertilization potential of Bacillus spp. in sustainable agriculture

　　

背景：对可持续和环境友好农业实践的需求不断增加，加速了寻找化学肥料替代品的进程。微生物生物肥料，特别是植物生长促进根际细菌（PGPR），提供了一种在保持土壤健康的同时提高作物生产力的有前景策略。其中，芽孢杆菌属（Bacillus）因其生态多样性和功能多样性而受到广泛关注。主体：本综述全面评估了芽孢杆菌属在可持续农业中的生物肥料潜力。诸如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、巨大芽孢杆菌（B. megaterium）和解淀粉芽孢杆菌（B. amyloliquefaciens）等著名物种通过固氮、溶磷和钾动员促进了养分获取。此外，芽孢杆菌属产生植物激素、铁载体和挥发性有机化合物，刺激植物生长并增强对生物和非生物胁迫的耐受性。其内生孢子形成能力确保了高存活率、延长货架期以及在多种田间条件下的可靠性能，支持其作为生物肥料的商业应用。本综述还讨论了芽孢杆菌属与原生土壤微生物群之间的相互作用、它们对根际动态的影响，以及它们在改善土壤肥力和作物生产力中的作用。然而，田间表现不一致、制剂挑战和监管限制仍然是大规模采用的主要障碍。结论：基因组学、菌株改良和制剂技术的最新进展为增强基于芽孢杆菌的生物肥料的功效提供了新机遇。结合微生物学、农学和政策框架的综合方法对于在可持续农业系统和全球粮食安全中实现其全部潜力至关重要。

1 引言：现代农业面临人口增长与化学肥料环境代价的矛盾，微生物生物肥料，特别是芽孢杆菌属（Bacillus spp.），因其固氮（N₂ fixation）、溶磷（phosphate solubilization）、钾动员（potassium mobilization）、产铁载体（siderophore）和植物激素（如吲哚-3-乙酸，IAA）等特性，成为可持续农业的重要替代方案。芽孢杆菌还能通过诱导系统抗性（ISR）和抗微生物化合物增强植物对非生物胁迫（干旱、盐碱、高温）和生物胁迫的耐受性。其内生孢子（endospore）形成能力赋予其高存活率、长货架期和田间稳定性，但田间表现不一致、监管审批和农民认知不足仍是挑战。基因组测序、代谢组学和合成生物学为提升其功效提供了新方向，有助于实现联合国可持续发展目标（SDGs）中的零饥饿和陆地生命目标。

2 芽孢杆菌的多样性与分类

2.1 分类及用于生物肥料的关键物种：芽孢杆菌属（Bacillus）包含400多个有效种，分为两个主要分支：枯草芽孢杆菌分支（Bacillus sensu stricto，如B. subtilis、B. amyloliquefaciens、B. licheniformis、B. pumilus、B. velezensis）和蜡样芽孢杆菌分支（B. cereus sensu lato，如B. cereus、B. thuringiensis等）。分类从表型特征转向分子工具（16S rRNA基因测序、DNA-DNA杂交、多位点序列分析MLSA、全基因组测序），揭示了多系性并导致部分种被重新归入Paenibacillus、Lysinibacillus等属。农业上重要的物种包括：B. subtilis（溶磷、产生长素和赤霉素GA、抗真菌脂肽）、B. megaterium（高效溶磷、产植物生长调节剂和铁载体）、B. amyloliquefaciens（产表面活性素、伊枯草菌素、丰原素等抗病化合物）、B. pumilus（耐盐耐旱、诱导系统抗性）、以及非致病性B. cereus（固氮、影响根系结构）。菌株选择需考虑与目标作物的兼容性、生态适应性和田间表现，本地分离的土著菌株通常具有更好的定殖能力。

2.2 芽孢杆菌的生境与生态分布：芽孢杆菌广泛分布于土壤、根际、叶际、内生环境、水生环境、极端环境（热泉、盐碱地、沙漠、永久冻土）以及农业和人为环境。在土壤和根际中，它们参与养分循环和微生物群落动态；在叶际和内生环境中，它们形成共生或共栖关系，触发系统抗性；水生和海洋环境中的耐盐和耐冷菌株（如B. aquimaris、B. halodurans）产酶和代谢物；极端环境中的嗜热菌（如B. stearothermophilus）和嗜酸/碱菌具有独特酶和代谢物；农业系统中，有机改良和堆肥可富集芽孢杆菌，有机管理土壤中其数量高于常规管理。

3 芽孢杆菌的生物肥料机制

3.1 固氮：芽孢杆菌通过固氮酶复合体（dinitrogenase reductase和dinitrogenase）催化大气氮（N₂）转化为氨（NH₃），该过程需ATP和还原力，且对氧敏感。部分菌株（如Paenibacillus polymyxa、B. azotofixans）含有nif基因簇，在低氮、微好氧条件下表达。芽孢杆菌属于联合固氮，在根际或作为内生菌定殖，固定的氮通过排泄或细胞周转供植物利用。接种可提高玉米、水稻、小麦的氮含量和生物量。根际定殖由黏附因子、趋化性和群体感应介导，生物膜形成增强持久性，根分泌物中氨基酸和糖类刺激固氮酶基因表达。固氮常伴随产植物激素和溶磷等多功能活性，共接种可产生协同效应。

3.2 溶磷：磷是第二大必需营养元素，但土壤中大部分磷以不溶性钙、铁、铝磷酸盐形式存在。芽孢杆菌通过分泌有机酸（如柠檬酸、草酸、葡萄糖酸）降低pH并螯合阳离子（Ca²⁺、Fe²⁺、Al²⁺），释放可溶性磷；同时分泌酸性磷酸酶和植酸酶矿化有机磷（如植酸盐）。生物膜形成使菌株在根表面保持局部溶磷活性。接种溶磷芽孢杆菌（如B. megaterium、B. subtilis）可显著提高小麦、玉米、水稻、大豆的磷吸收效率、根长和产量，尤其在缺磷条件下。其孢子形成能力赋予制剂稳定性和长货架期，但田间效率受土壤pH、有机质、土著微生物竞争等因素影响。

3.3 钾动员：钾是大量元素，但土壤中大部分钾以不溶性矿物（如长石、云母）形式存在。钾动员细菌（KMB）如B. mucilaginosus、B. edaphicus、B. circulans通过分泌有机酸（柠檬酸、草酸、葡萄糖酸）和胞外多糖溶解钾矿物，释放K⁺。接种可提高玉米、番茄、小麦、水稻的钾吸收、根系发育和耐旱耐盐性。孢子形成特性使其适合商业化制剂，是化学钾肥的生态友好替代品，可与固氮菌和溶磷菌联合使用。

3.4 铁载体产生与铁获取：铁是必需微量元素，但在好氧、中性至碱性pH土壤中主要以不溶性Fe³⁺氧化物存在。芽孢杆菌分泌低分子量高亲和力铁载体（如bacillibactin、petrobactin、schizokinen），螯合Fe³⁺并转运至细胞，同时可直接或间接供植物利用。接种产铁载体菌株（如B. subtilis、B. amyloliquefaciens、B. cereus）可改善玉米、番茄、鹰嘴豆的铁营养，提高叶绿素含量和光合活性。此外，铁竞争可抑制病原真菌（如Fusarium、Pythium、Rhizoctonia），并诱导系统抗性（ISR）。孢子形成能力确保制剂稳定性，但效果受土壤类型、pH、微生物竞争和植物种类影响。

3.5 产植物生长促进激素：芽孢杆菌合成多种植物激素，如吲哚-3-乙酸（IAA）、赤霉素（GA，如GA₁、GA₃）、细胞分裂素、脱落酸（ABA）类似物以及通过产1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶降低乙烯水平。IAA以植物根分泌的色氨酸为前体，促进侧根形成和根表面积；GA促进茎伸长和早花；细胞分裂素维持叶绿素和延缓衰老；ACC脱氨酶减少胁迫诱导的乙烯积累，缓解盐、旱、重金属胁迫下的根系抑制。多激素协同作用促进生长和抗逆，但效果因菌株、植物和环境而异。

3.6 诱导系统抗性（ISR）：ISR是由有益微生物（如芽孢杆菌）触发的防御机制，通过茉莉酸（JA）和乙烯（ET）信号通路调控，区别于依赖于水杨酸（SA）的系统获得抗性（SAR）。芽孢杆菌分泌环脂肽（surfactin、fengycin、iturin）、挥发性有机化合物（VOCs，如acetoin、2,3-butanediol）和铁载体作为诱导子，激活植物防御基因，积累过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶等酶类。ISR通过“priming”机制使植物在受到病原攻击时快速响应，能量高效，且不直接杀灭病原。例如，B. subtilis诱导的ISR可增强番茄对灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）和黄瓜对丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）的抗性，同时提升对干旱、盐碱等非生物胁迫的耐受性。孢子形成特性支持商业化应用，但田间效果受土壤、气候和植物基因型影响。

4 芽孢杆菌生物肥料的制剂与应用

4.1 载体材料与货架期：载体是支撑菌株存活和递送的关键，理想载体应无毒、低成本、高持菌量、易操作。常用载体包括泥炭、蛭石、木炭、褐煤、农家肥、锯末、堆肥等。泥炭因高有机质和持水性广泛应用，但环境问题促使探索椰糠、滤泥、生物炭等替代品。液体制剂因易施用、兼容滴灌系统和长货架期（>12个月）而受欢迎。芽孢杆菌的孢子形成特性使其制剂货架期优于非孢子菌（如Pseudomonas、Azospirillum），固体制剂在6-12个月内保持10⁷-10⁹ CFU/g。封装技术（藻酸盐、壳聚糖、生物可降解聚合物）可保护细胞并控制释放，改善定殖和活性。

4.2 施用方法：包括种子包衣、土壤接种和叶面喷施。种子包衣用粘合剂（阿拉伯胶、糖浆、羧甲基纤维素）混合菌剂，确保种子萌发后根际立即定殖，促进幼苗活力和养分吸收。土壤接种以干粉、颗粒或液体形式直接施入土壤，适用于深根作物，可与灌溉系统结合。叶面喷施用于输送生物活性代谢物（如脂肽、酶）至地上部分，抑制叶部病原并诱导系统抗性。不同方法各有优势，需根据作物和条件选择。

4.3 与其他农业投入品的兼容性：芽孢杆菌生物肥料常与化肥、农药、其他微生物菌剂联用，需评估兼容性。多数芽孢杆菌对尿素、磷酸二铵、钾肥等化肥耐受性较好，可降低化肥用量并提高吸收效率。与农药（尤其是广谱杀菌剂）的兼容性差异大，封装和惰性载体可缓冲有害作用，部分菌株能降解农药残留。与其他PGPR（如Azospirillum、Rhizobium、Pseudomonas）共接种通常表现协同，但需避免拮抗。

5 芽孢杆菌与土壤及根际微生物群的相互作用

5.1 对微生物多样性的影响：芽孢杆菌的引入可调节土壤微生物群落结构，通过产抗生素、酶和铁载体抑制病原菌，为有益微生物创造生态位，从而增加微生物丰富度和均匀度。例如，B. subtilis的铁载体通过竞争铁抑制病原，同时促进非病原铁高效微生物生长。芽孢杆菌促进养分循环，增加Pseudomonas、Azospirillum、Rhizobium、放线菌等有益菌丰度。但高竞争性菌株可能暂时抑制土著种群，通常生态系统会达到新平衡，最终提高多样性指数。16S rRNA基因测序和宏基因组学揭示芽孢杆菌应用可增强微生物网络复杂性和功能冗余。

5.2 与化肥、农药及微生物菌剂的共施：与化肥共施时，芽孢杆菌的孢子形成特性使其耐受高浓度化学胁迫，并提高养分利用效率，减少化肥用量。与农药共施时，需评估杀菌剂等对菌株的影响，封装和载体可改善存活，部分芽孢杆菌具降解农药能力。与其他菌剂（如Rhizobium、Azotobacter、Pseudomonas）共施通常促进固氮、溶磷和抗病，但需注意生态位竞争。

6 芽孢杆菌生物肥料在作物生产中的效益

6.1 产量提升与抗胁迫能力：芽孢杆菌通过溶磷、钾动员、固氮等改善养分供应，促进根系生长和生物量积累，显著提高小麦、水稻等谷物产量。同时，通过积累渗透保护剂（脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、海藻糖）、增强抗氧化酶（过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶）活性、上调胁迫响应基因，增强对干旱、盐碱、极端温度的耐受性。诱导系统抗性（ISR）使植物对病原快速响应，减少病害损失。

6.2 土壤健康改善：芽孢杆菌通过养分循环（固氮、溶磷、钾动员）提高土壤肥力，促进有机质分解和腐殖质形成，改善土壤结构和通气性。其代谢活动增加微生物多样性和生物量，抑制土传病原。产胞外多糖（EPS）促进土壤团聚体和保水能力，增强抗旱和抗侵蚀能力。产酶（磷酸酶、脱氢酶、纤维素酶）催化有机物分解，指示土壤活性。

6.3 环境与经济优势：环境方面，减少化肥和农药使用，降低淋溶和水体富营养化，减少温室气体排放；通过生物防治和诱导系统抗性减少化学农药；促进土壤健康和生物多样性。经济方面，降低生产成本，尤其对小农户；提高作物产量；孢子形成特性确保制剂稳定性和长货架期，减少储存损失；病害抑制和环境适应性增强降低产量波动；产生无残留作物，利于进入有机和高端市场，提高市场价值。

7 挑战与局限性

7.1 田间效能与环境变异性：田间表现不一致受温度、土壤类型、pH、水分、土著微生物竞争等环境因素影响。高温可能降低孢子萌发率或改变根分泌物，土著微生物可能竞争排斥引入菌株。缺乏标准化的施用技术、剂量和时机，以及农民对微生物产品认知不足，导致实验室与田间效果差距大。

7.2 监管与质量控制问题：许多国家（尤其南方国家）监管框架不完善或执行不一致，缺乏全球统一的注册、测试和批准标准。产品质量参差不齐，部分产品微生物数量不足或不存活。菌株鉴定和遗传稳定性缺乏监控，可能导致功能丧失或标示错误。新菌株的审批流程长且成本高，阻碍创新。生物肥料常被归入农业投入品大类，缺乏独立法律身份。

7.3 菌株选择与遗传稳定性：需筛选具有多重促生性状（固氮、溶磷、产激素、生防）的菌株，并确保其在生产、储存和应用中保持遗传稳定性。反复传代、胁迫或孢子形成过程中的突变可能导致有益性状丢失。需通过16S rRNA测序、RAPD或全基因组分析进行定期验证。菌株必须非致病且环境安全，基因组分析可排除毒力或抗生素抗性基因。

8 未来展望：基因组学、宏基因组学和转录组学可识别功能基因，设计针对特定作物、土壤或气候的高效菌株。多菌株联合体（不同芽孢杆菌种或与其他有益微生物如Pseudomonas、Azotobacter、菌根真菌）可增强协同效应。在气候智慧型农业中，芽孢杆菌通过ACC脱氨酶、渗透调节和诱导系统耐受性帮助作物适应干旱、盐碱等胁迫。学术界、产业界和政府的合作对弥合研究与应用差距至关重要。

9 结论：芽孢杆菌生物肥料因多样化的促生活性（养分溶解、产激素、抗逆、生防）成为化学投入品的可持续替代品。不同菌株功能特异，能提高作物生产力、土壤肥力和根际健康。其孢子形成能力增强制剂稳定性和田间适用性。然而，田间表现不一致、环境变异性、制剂挑战和有限的大规模验证仍是商业化的主要障碍。未来应聚焦于菌株特异性表征、微生物组互作、先进制剂技术和多地点田间研究，以提高其可靠性和农业有效性。