综述：有益微生物在菜豆栽培中的应用：提高生产力的策略

《Brazilian Journal of Microbiology》：Use of beneficial microorganisms in bean cultivation: strategies employed to increase productivity

　　

摘要：菜豆（common bean）在全球人类营养中具有十分重要的意义，因为其籽粒是廉价的蛋白质来源，但由于氮肥以及病虫害防治产品等合成投入品的施用，其生产系统成本较高。促进生产系统可持续性并提高作物生产力的一个替代方案是利用植物促生根际细菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR）进行共接种（co-inoculation），以减少和/或替代氮肥及病虫害防治产品的使用。自2010年以来，巴西在应用根瘤菌（rhizobia）与PGPR联合接种于菜豆作物的研究方面在国际舞台上脱颖而出。目前，通过不同作用机制有效促进植物生长的微生物的应用在巴西已成为现实，其试验结果经过了多年研究的验证。尽管取得了这些进展，但要充分发挥菜豆作物共接种的潜力，仍存在有待克服的挑战。这些挑战包括：需要开发含有优良菌株和优化微生物联合体的更高效制剂，以及探索能够优化细菌根部定殖并最大化其对植物有益效应的接种方法。在本综述中，我们（研究人员）讨论了菜豆生产的历史、市售接种剂的类型和剂量，以及共接种效率和开发用于菜豆栽培的根瘤菌与PGPR联合体接种剂所面临的挑战。

菜豆的重要性和生产

菜豆是一种在全球多个地区种植的豆科作物，主要生产国包括巴西、缅甸和印度。其籽粒富含蛋白质、碳水化合物等人类营养所必需的营养成分，被许多营养学家视为完全食物。2014–2021年间，世界主要菜豆生产国依次为印度、巴西、缅甸、中国、坦桑尼亚、美国和墨西哥，产量分别约为550万、300万、290万、120万、120万、120万和110万吨。巴西是南美洲最大的菜豆生产国和消费国，作物在多种条件下种植。2022年，巴西全年菜豆种植面积约160万公顷，总产量250万吨。1997年至2017年间，全球菜豆种植面积从2600万公顷增至3700万公顷，增长30%，籽粒产量从1600万吨增至2900万吨，增长45%。然而，全球菜豆平均单产仅为1571 kg ha^?1，远低于品种超过3000 kg ha^?1的生产潜力，而高水平技术生产系统甚至可实现5000 kg ha^?1以上的产量。干旱、高温等环境胁迫、病害发生和土壤肥力低下是直接影响作物发育和产量的主要因素。巴西国内1985年至2022年间，种植面积减少66.2%（从480万公顷降至160万公顷），但产量增加3.2%（约8.2万吨），单产从514 kg ha^?1提高至1571 kg ha^?1，这归功于高技术水平商业化农场采用更高产品种、高效投入品及先进种植、土壤管理和病虫害防治技术。家庭农业占菜豆产量的70%，实施公共政策和新科技以提高家庭农业的种植面积和单产，可进一步增加国家粮食产量。然而，这些技术效果的发挥受区域、环境和社会经济条件的强烈影响，包括微生物菌株与宿主基因型的相容性、土壤理化性质、土著微生物群落、环境条件及田间管理措施等因素。

农业有益细菌：菜豆作物的生物固氮

菜豆被认为是具有低特异性、可“滥交”结瘤的植物，能与α-变形菌纲（alpha-proteobacteria）的根瘤菌属（Rhizobium）以及β-变形菌纲（beta-proteobacteria）的Paraburkholderia nodosa、P. tuberum、P. sabiae和Cupriavidus necator等多种细菌结瘤。常见的能结瘤的根瘤菌种包括R. tropici、R. etli、R. freirei、R. leucaenae、R. paranaense和R. altiplani。在巴西，目前批准用于菜豆接种剂生产和商业化的有三种根瘤菌：R. tropici的SEMIA 4077（= CIAT 899）和SEMIA 4088（= H12）菌株，以及R. freirei的SEMIA 4080（= PRF 81）菌株。CIAT 899菌株已在多国被认定为高效菌株。生物固氮（BNF）的效率受多种生物和非生物因素影响，包括商业菌株与土壤土著菌株间的竞争、与不同菜豆基因型生育期相关的根瘤衰老、植物-细菌互作，以及缺雨、高温和土壤肥力低下等环境因素。在巴西塞拉多（Cerrado）地区，菜豆生产仍面临挑战，生产依赖化肥尤其是氮肥的使用。研究表明，接种R. tropici可在某些品种（如BRSMG Uai）上实现与施用80 kg ha^?1尿素相当的产量，接近3000 kg ha^?1。Messias等人开展的试验显示，仅接种R. tropici（不施氮肥）的平均产量为3364 kg ha^?1，是巴西全国平均产量的三倍，且高于施用80 kg N ha^?1的处理（3338 kg ha^?1）。另有研究评估了蓝藻、根瘤菌和固氮螺菌（Azospirillum）共接种与氮肥配合的效果，发现R. tropici与R. freirei联合A. brasilense及Calothrix brevissima的共接种可提高籽粒产量。为保障通过BNF供氮的高产，生产者采用在播种沟施用六倍剂量R. tropici等做法，研究也建议在播种期或V4追肥期施用15–20 kg N ha^?1并配合R. tropici接种或R. tropici与A. brasilense共接种。但需注意播种期高剂量施氮会降低结瘤。

植物发育益处：农业关注的作用机制

植物促生根际细菌（PGPR）通过直接和间接多种机制促进植物生长和保护，兼具生物肥料（biofertilizers）、生物刺激素（biostimulators）和生物防治（biocontrollers）功能。直接作用机制包括生物固氮、溶磷和植物激素（主要是生长素、赤霉素、细胞分裂素）及1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶（可降低乙烯水平）的产生。间接作用机制包括铁载体（siderophores）产生、通过形成生物膜增强植物抗性的物质、氢氰酸、细菌素和抗生素的产生来减轻植物病原菌的危害。它们还能分泌挥发性代谢物、产生胞外多糖、渗透调节物质和抗氧化剂，帮助植物抵御病害和耐受非生物胁迫。

生物肥料

生物肥料型PGPR通过提供或增加植物发育所必需的营养元素吸收、维持生理过程、改善植物表现并减少合成肥料需求而得名。氮（N）是植物最重要的营养元素，根瘤菌属、固氮螺菌属、固氮菌属（Azotobacter）等固氮细菌可将大气中的N₂还原为氨（NH₃）供植物利用。磷（P）是第二重要的营养元素，但土壤中大部分磷以非活性形式存在，PGPR可通过将不溶性磷酸盐转化为可溶性离子来增磷有效性。能溶磷的菌属包括农杆菌属（Agrobacterium）、芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、根瘤菌属、无色杆菌属（Achromobacter）和伯克霍尔德菌属（Burkholderia），其机制包括分泌葡萄糖酸、琥珀酸、乳酸和柠檬酸等有机酸降低土壤pH，或在酸性土壤中通过铵（NH₄⁺）同化产质子提高pH来溶解铝磷酸盐和铁磷酸盐。铁（Fe）与叶绿素生物合成、光合作用和呼吸作用相关，能产生儿茶酚型、羟肟酸型和羧酸型铁载体的菌属包括固氮菌属、芽孢杆菌属、泛菌属（Pantoea）、根瘤菌属、假单胞菌属、伯克霍尔德菌属、肠杆菌属（Enterobacter）、克雷伯菌属（Klebsiella）和固氮螺菌属。铁载体除改善植物营养外，还通过螯合土壤铁抑制植物病原菌并降解环境中的农药。硫（S）与半胱氨酸和甲硫氨酸的组成相关，钾（K）与植物生理表现、呼吸和养分转运直接相关，芽孢杆菌属、伯克霍尔德菌属、节杆菌属（Arthrobacter）、假单胞菌属、肠杆菌属、农杆菌属和根瘤菌属等细菌可通过产酸、质子产生、螯合和交换反应将不溶性钾转化为植物易吸收的可溶性钾。

生物刺激素

PGPR还可通过合成模拟植物激素的植物生长调节分子发挥生物刺激素作用，改善发育并优化植物适应逆境胁迫的生理响应。典型菌属包括固氮螺菌属、假单胞菌属和芽孢杆菌属，它们能产生生长素（吲哚-3-乙酸，IAA）、细胞分裂素、赤霉素、乙烯（ACC脱氨酶）、脱落酸、茉莉酸和独脚金内酯。生长素参与维管组织细胞分裂和根系发育，细胞分裂素作用于形成层活性、细胞分化和顶端优势并促进根瘤菌等固氮菌的定殖，赤霉素可改善种子萌发过程、地上部发育并参与生殖阶段、花芽数量增加和叶片衰老调控。