簡介
genjiweishengwu
根際細菌
rhizospheremicroorganisms
植物根表及近根土壤中的微生物。根際一詞是希爾特納於1904年提出的，指植物的根表以及受根系直接影響的土壤區域。根際微生物在數量和質量上都與根際以外的微生物不同。根際微生物數量常比根際以外的微生物數量高几倍至幾十倍,個別的細菌群可高達上千倍(平板計數)。這兩者的數量比稱為根土比(R∶S),表示植物根系對微生物的影響程度，所以又稱根際效應。
根際微生物以為主，並且是革蘭氏陰性菌占優勢。常見的有假單胞菌、黃桿菌、產鹼桿菌、土壤桿菌和色桿菌等。根際中的革蘭氏陽性短桿菌、球菌、芽孢桿菌反而比根際以外少。真菌、放線菌的根際效應一般不明顯。原生動物於根際有增長，它們以細菌為食，數量高峰出現在細菌數量高峰之後。在表土以下的根際藻類很少。根際細菌中需要胺基酸營養的菌數大，生長速度快。根際中氨化細菌較多，根土比可在100以上,能積極分解根際有機氮化合物，但在根際中積累的無機氮化合物並不多，它們一方面被植物吸收，另一方面被微生物固定。根際內纖維分解菌也較少，分解根區脫落細胞的胞壁纖維素。如果有硝酸鹽存在，根際的相當強，反硝化細菌的根土比可在1000以上。自生固氮菌在很多植物根際數量較大，如在小麥及燕麥根際的圓褐固氮菌;在雀稗根際的雀稗固氮菌;在熱帶雜草俯仰馬唐根際的產脂固氮螺菌。後兩者還可進入植物根內，它們的固氮能力均較強。
植物根系的分泌物以及根系的脫落細胞，為根際微生物提供了營養。植物根分泌物有各種、有機酸、碳水化合物等，它們都是一般腐生性細菌利用的營養物質。植物種類、品系、年齡及生理狀況都影響根分泌物的質和量，因而也影響根際微生物的類群和數量，一般在植物初花期，根分泌物多，根際微生物數量最大。在植物生長後期，根際微生物結構也有變化，一般表現為真菌及放線菌的數量增多。
大多數根際微生物對植物無害，或對植物生長有促進作用。它們在根際的生命活動中，由呼吸作用放出二氧化碳或代謝產酸有助於難溶礦物質的溶解，增加植物對磷及其他礦質元素的吸收。此外，它們分泌的生長刺激素類物質（如吲哚乙酸，赤黴素等）還能促進植物生長。植物也分泌殺害或抑制微生物生長的物質，是造成不同植物的根際微生物組成和數量不同的原因之一。有些根際微生物分泌抗生素，可抑制植物病原微生物的繁殖。在植物根際也有土著性的病原微生物，它們或是引起植物病害，或是產生有毒物質，對植物生長不利。
相關實驗
1根際微生物研究方法進展
環境微生物的生物多樣性過去通常是用分離和培養技術加以研究的。近20年來，分子生態技術迅速發展，通過對環境16SrRNA基因進行的大量研究表明，微生物生物多樣性遠比用傳統方法估計的要高。微生物工作者驚奇發現環境中絕大部分微生物實際上從沒有得到過培養，這些未培養的微生物與已培養的種群在系統發育上存在很大差距。根際與其他生境一樣，用分子生態方法證明根際微生物不僅具有豐富的多樣性，而且含有大量未培養的微生物種群。但是儘管在包括根際在內的不同生境中發現了大量未培養微生物，對這些微生物在環境中的功能目前仍了解很少。大部分根際過程的微生物學機理尚不清楚。深入理解根際微生物生化過程和植物—微生物相互作用的機理仍然是根際微生物工作所面臨的重大挑戰。近年來分子生態方法已取得了一系列新的突破性進展，這些新方法使探索根際微生物不同個體的生態功能成為可能。
Hurek等提出測定環境微生物新陳代謝中的關鍵基因能提供微生物群體的功能信息。例如固氮基因特別適合於進行固氮微生物的系統發育分析。建立功能基因文庫可揭示根際微生物的功能多樣性。mRNA實時定量分析則可預測功能基因的表達水平。Martin等認為功能基因組學正在使生物機理研究有了突飛猛進的進展。功能基因組學是分析有機體的所有遺傳物質，並將遺傳信息與有機體的形態和功能聯繫起來。通過以基因組學為基礎，在不同水平上分析轉錄組學、蛋白組學和代謝組學，有可能使生物共生關係的機理研究取得突破性進展。但是基因組學在共生菌根菌、細菌—真菌—植物多級營養關係的研究上還面臨著許多技術上的困難。將有機體之間的相互作用在分子層面上進行剖析，不僅需要對單個基因進行了解、還需要對多個基因的相互作用和表達進行研究。基因組學必須要面對這些相互作用的複雜性、面對根際微生物及其共生體隨根際生物、物理、化學條件而發生適應變化的複雜性。目前，DNA晶片技術已在植物和基礎微生物學研究方面得到廣泛套用，但在根際微生物生態領域的套用尚屬起步階段。Sanguin等用16SrRNA基因晶片技術觀測玉米根際的細菌群體結構。他們設計了包含200個正核苷酸探針(片段長為20鹼基)的DNA晶片，測試玉米根際和根外土壤的微生物群體，當以19個農桿菌(Agrobacterium)序列為目標時，根際DNA的雜交水平明顯高於根外土壤；但當用廣譜性探針時，儘管有12個探針的雜交水平高於根外土壤，41個探針的雜交水平卻明顯低於根外土壤。SHINANO等亦報導了用於探測根際微生物群體的DNA晶片研製工作，通過用人工細菌組合，發現一些細菌，如伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)和芽孢桿菌(Bacillus)，很容易被DNA晶片檢測到，但另一些細菌如農桿菌、根瘤菌(Rhizobium)和亞硝化螺菌(Nitrospira)卻難以測到。這些研究表明用DNA晶片技術有可能對根際微生物群體結構和功能進行高通量分析，但是技術本身尚有許多有待完善的地方。
在探索根際微生物功能的研究中，另一個新的方法是將穩定同位素標記技術與分子生態技術相結合。這是一個很有套用前景的方法，在研究植物—土壤生態系統物質流對根際微生物群落結構和功能的影響方面大有用途。根際碳流是土壤微生物生物多樣性的主要驅動力。如何將根際碳流與微生物生物多樣性聯繫起來一直是根際研究的一個重要命題。Radajewski等首次報導穩定性同位素探針在環境微生物生態中的套用，此技術為測定微生物底物利用和功能研究提供了強有力手段，特別適合於根際生物過程的研究。技術要點是首先向受試環境供應13C標記底物，然後從環境提取核酸，用超速離心將核酸分成重核酸(13C標記)和輕核酸(非13C標記)若干部分。用分子生態技術分析13C標記和非標記的核酸，用系統發育分析方法確定‘活躍’和‘非活躍’微生物的種類。此技術可避免實驗室培養而直接原位探測微生物種類的功能。目前此技術已經套用於探測有機污染物的生物分解。Prosser等認為此技術可用於原位探測參與根際碳流的‘活躍’微生物群落。Lu等用此技術測定了水稻根系的產甲烷古生菌和產乙酸細菌群落。
2微生物生物多樣性和生態功能
2.1植物—微生物相互作用
在陸地生態系統中，植物是第一生產者，土壤微生物是有機質的分解者。植物將光合產物以根系分泌物和植物殘體形式釋放到土壤，供給土壤微生物碳源和能源；而微生物則將有機養分轉化成無機養分，以利於植物吸收利用。這種植物—微生物的相互作用維繫或主宰了陸地生態系統的生態功能。根據碳同位素示蹤研究，禾穀類作物一生中，約有30％～60％光契約化產物轉移到地下部，其中40％～90％以有機和無機分泌物形式釋放到根際。Lynch和Wipps將所有從根釋放的物質定義為根際澱積，其成分和數量受植物種類、年齡、土壤生物、化學和物理因子的影響。
根際微生物是受植物影響最大的土壤微生物群體。與根外土壤比，可溶性根系分泌物為微生物提供了豐富的有效性碳源。Piutti等研究了玉米根際微生物群體的季節性變化，在營養生長階段，根際微生物活性和細菌豐度明顯高於根外土壤，但在植物生殖生長階段，由於根系可溶性碳的釋放下降，根際效應隨之消失，可培養細菌的生物多樣性也明顯下降。Zolotilina等觀察到沙漠野生植物的根際細菌種類比根外土壤多1.5～3陪，根際微生物數量在不同植物間有明顯差異。Costa等用PCR-DGGE方法對16SrRNA和18SrRNA基因進行多態分析，發現細菌的DGGE指紋在根際和根外土壤有很大差別，根際微生物群體在不同植物間亦有很大差異。Marschner等用相似方法研究了根距、土壤pH、植物類型和共生菌根菌對根際細菌群體結構的影響。發現在玉米根際，離根2mm土壤的細菌群體明顯不同於2mm以外土壤；在高梁根際，根系有機酸分泌引起的土壤pH變化影響了細菌群體結構；白羽扇翩豆的根際細菌群體結構也與有機酸分泌作用密切有關。Sharma等用PCR-DGGE方法研究了在中歐地區3種主要豆科作物根際微生物的生物多樣性，發現發酵性細菌(Firmicutes)是所有豆科作物根際豐度最高的細菌種群，其次是變形桿菌(Proteoabcteria)；作物種類對根際土壤細菌種類的影響十分明顯，如豌豆根際缺少β-變形桿菌，而蠶豆根際缺少γ-變形桿菌；羽扇豆和豌豆根際的細菌結構比較接近，而與蠶豆根際的細菌結構差異較大。Deube1等研究了土壤pH和P供應狀況對3種作物(大麥、豌豆、甘蔗)根系微生物的影響，3種作物根系分泌物的差異導致了根際微生物群體功能的差異。以上這些研究表明根系分泌物的質和量對根際微生物群體結構和生態功能有很大影響。
根際微生物生物多樣性不僅受植物種類、年齡等因子影響，而且也受地上部生物多樣性的影響。Kowalchuk等研究了地上部—地下部生物多樣性的耦聯作用。他們認為地上部—地下部的耦聯作用隨根距離的增大而減弱；地上部生物多樣性對土壤微生物結構的影響只在根際有明顯反映；若將根際微生物分成植物根緊密結合型(如固氮細菌、菌根菌和內生細菌等)和非緊密結合型(如硝化細菌)兩類，植物生物多樣性對緊密結合型微生物的影響顯著大於非緊密結合型。他們還專門研究了植物種類對未培養微生物如乳桿菌(Acidobacterium)和疣微菌(Verrucomicrobium)的影響，發現植物對這些細菌有高度的選擇性。這個研究表明植物生物多樣性對根際微生物、特別是緊密結合型微生物的生物多樣性有很大的調控作用。植物間作套種能增加地上部的生物多樣性，這不僅可改善地上部生態功能，還可促進根際生物多樣性。Hiddink等在3種土壤上測試黑小麥和三葉草間作對微生物群體的影響，發現間作降低了黑小麥的發病指數。16S和18SrRNA基因分析表明黑小麥和三葉草單作時，其根際微生物群體有很大差異；但間作後一些三葉草根際特有的微生物出現在黑小麥根際。這些結果表明間作可改變根際微生物群體結構並影響植物健康。
另一個影響根際微生物生物多樣性的重要因子是生活在根際內的其他生物體、如菌根菌和原生動物等。Paul和Finlay研究了森林土壤外生菌根菌對細菌生物多樣性的影響。他們採集油松根系的兩種菌根菌類型，用DGGE技術分析發現與兩種菌根菌結合的細菌群體有明顯差異。他們認為森林土壤菌根菌的演體變化可能影響了細菌群體結構，從而影響了森林土壤的生物地球化學過程。Jansa等將3個菌根菌接種到韭蔥和蒺藜狀苜蓿兩類植物，發現單獨接種時，3種菌根菌均能很好定植根系，但當混合接種時，真菌間發生了競爭。這些研究表明根際記憶體在目前還很不清楚的生物間協作和競爭關係，這些關係顯然會影響根際不同生物體的群體結構和功能。
2.2植物有益細菌生物多樣性
根際存在著許多對植物有益的細菌群落，包括生防細菌、能生產植物生長激素的細菌和固氮菌等。在農業生態系統中，充分利用這些細菌的生物學潛力將有助於減少化肥和農藥投入、促進植物生長、減輕環境污染，實現農業可持續發展。
螢光假單孢菌(fluorescentpseudomonas)的一些基因型是最常見的生防細菌，它們能生產抗生素氰化氫(hydrogencyanide，HCN)和2,4-二乙醯基藤黃酚(2,4-diacetylphloroglucino1，Ph1)，對許多病原菌有抑制作用。在兩種根腐病程度不同的土壤中，Ramette等用分子手段分析了HCN合成基因的多態性，發現螢光假單孢菌有很多遺傳突變型，土壤Fe的有效性可調節螢光假單孢菌的抗生素生產能力。Sverce1等從新老葡萄園(951年和1603年)和葡萄—菸草輪作土壤分離螢光假單孢菌，並進行HCN和Ph1基因的多態分析，發現葡萄根際的HCN和Ph1基因型假單孢菌數高於菸草根際，老葡萄園土壤的HCN和Ph1基因型高於新葡萄園土壤；輪作降低了HCN和Ph1基因型相對於總假單孢菌數的比例；根系分泌物似乎促進了一些生防細菌的發展。Bergsma-Vlami等也研究了植物種類(小麥、甜菜、馬鈴茹和百合)對內生假單孢菌生物多樣性和抗生素生產的影響，發現除百合根系外，其他植物均支持了大量生防假單孢菌的生長；用DGGE對ph1D基因進行多態分析發現500個分離菌株可分成7個基因型；某些基因型有很高的植物專一性，但主要基因型沒有植物專一性；小麥根際抗生素的生產能力比其他植物根際強。這些研究表明寄主植物種類對生防菌的成分、動態和活性有一定調節作用。
固氮細菌能將大氣N2轉變成氨態氮，是重要的植物有益細菌。固氮細菌可分成共生固氮菌和非共生固氮菌。Zakhia等從20個豆科植物分離到100多個共生固氮的根瘤菌；部分根瘤菌具有耐鹽、耐乾旱特性。Sarita等試圖用nodC基因作為分子標記物，從土壤中提取DNA直接進行根瘤菌生物多樣性分析，但nod基因的專一性有待進一步提高。Rothballer等用多克隆抗體方法原位測定了草螺菌(Herbaspirillum)在植物根系的定植能力，發現草螺菌分別在7天和14天后進入芒根皮層細胞和根中局細胞，掃描電鏡觀察到這些細菌定植在根細胞間空隙。Ofek等報導在蠶豆根系，側根上有大量草螺菌定植，但在主根上沒有這些固氮細菌。Nagarajan等從不同草根分離到8個固氮螺菌(Azospirillum)，發現它們的抗鹽能力有明顯差異。Heijden等發現將根瘤菌接種到草原植物後，根瘤菌不僅增加了植被生物量，還促進了植被生物多樣性。共生關係可能增加了生態系統對稀有資源的有效利用，從而影響生態系統的生產力和生物多樣性。顯然，根際固氮細菌對環境有不同適應性，其生物多樣性有待開發利用。
伯克霍德氏菌(Burkholderia)是一類廣泛分布土壤細菌，對植物的影響既有促進作用也有抑制病害的作用。Levy等將伯克霍德氏菌定植到豆科植物刺槐種苗，發現伯克霍德氏菌增加了刺槐的發芽率，電鏡觀察發現伯克霍德氏菌在刺槐苗根內外都有生長。白羽扇翩豆從排根釋放大量有機酸而增強自身吸P能力，UNNO等用植物難以利用的植酸鹽作為專性介質，在白羽扇翩豆根際分離到300個植酸鹽利用細菌，16SrRNA基因分析表明這些細菌屬於伯克霍德氏菌。Peix等報導在豌豆的根際和根外土壤存在溶磷細菌，在一個測試土壤，根際溶磷細菌數高於根外土壤。
2.3真菌生物多樣性
菌根菌與大部分陸生植物形成共生關係：植物向菌根菌供應光合產物，而菌根菌則增強植物從土壤吸收難利用性養分的能力。Opelt等從3個不同土壤中分離到4320個真菌。這些真菌可根據形態分成26類，其中青黴(Penicillium)、木霉(Trichoderma)、Plectosporium和擬青黴(Paecilomyces)豐度最高。群體結構呈現季節性變化，根際的真菌生物多樣性高於根外土壤。Oros-Sichler等用DGGE指紋分析研究了甜菜根際真菌群體的生物多樣性，發現甜菜品種對根際真菌的生物多樣性大於土壤類型的影響。Kamal發現菌根菌接種可顯著減少土著真菌的生物多樣性。他們將菌根菌接種到甘蔗根系後，可分離的土著真菌從22種減少到9種，有意思的是，減少的土著真菌大都屬於致病性真菌。Lumini等報導長期施用化肥後，水稻根系失去了菌根菌共生，但經5年連續施用有機肥後，水稻根系又恢復了菌絲體形成。可以看出，根際真菌的生物多樣性不但受植物影響，還受外來真菌定植和田間肥料管理等不同因子的影響。
3轉基因生物環境安全
3.1轉基因植物的生物安全
植物轉基因技術正在迅速發展，許多農業和環境問題有可能通過植物轉基因技術得以解決。如馬鈴薯生產常遇到病害發生，傳統育種方法和田間管理始終難以解決病害問題，發展以生物防治為目的的轉基因馬鈴薯可能為此提供一個有效途徑。再比如植物生物修復是一項受人關注的環境修復技術，但超積累植物往往生物量低而達不到修複目的。利用轉基因技術可能既能促進植物超積累能力、又能提高生物產量。但發展轉基因植物的一個重要問題是轉基因植物可能帶來的生態負效應。目前關於轉基因植物對植物和動物的影響有許多研究，但轉基因植物對土壤微生物群體的影響卻研究較少。對土壤生態系統，最令人擔憂的後果是轉基因植物可能激發或抑制非目標微生物種類，使土壤微生物群體結構發生變化，最終導致生態系統功能的改變。Baumgarte等評價了Bt轉基因玉米對土壤微生物群體的影響。Bt毒素能防止玉米毛蟲的侵害。轉基因玉米連續種植3年後，作者用分子手段分析土壤總細菌、放線桿菌(Actinobacteria)、α-變形桿菌和假單孢菌的生物多樣性，發現儘管玉米品種、生育期、和土壤田塊均對微生物群體結構產生一定影響，玉米的轉基因特性卻沒有產生明顯影響；但玉米收穫後，作物根莖殘體仍含有較高Bt毒素。因此，對Bt轉基因玉米的環境評價還應包括收穫後的殘體影響。Andreote等研究了轉基因菸草和桉樹對根面和根際細菌群體的影響，發現轉基因菸草減少了根際放線菌(Actinomycetes)豐度，而轉基因桉樹使甲基桿菌(Methylobacterium)細菌消失了。Santomassimo等用盆栽和田間試驗測定了幾個轉基因植物對根際細菌群體結構的影響，DGGE指紋分析表明所有轉基因植物的根際細菌群體明顯不同於非轉基因植物的根際群體。Villanyi等用BIOLOG方法研究表明，Bt轉基因玉米使根際微生物群體的功能發生了變化。
3.2轉基因微生物的生物安全
將一些有用基因導入到根際微生物，促進這些微生物在生物防治、生物固氮和有機污染物的生物修復中發揮更大作用，是目前環境生物技術令人注目的發展方向。這些技術可能在保護環境、促進低投入持續農業的發展中發揮巨大作用。但和轉基因植物一樣，基因工程細菌在釋放之前，必須進行環境生態安全評價。Mark等認為安全評價至少應包括對土著假單孢菌、共生固氮菌和菌根菌等植物有益微生物群體的影響，對轉基因工程菌的安全評價可用其野生型作對照。
一些螢光假單孢菌株能產生2,4-二乙醯基藤黃酚(Ph1)，常被用作生防細菌。但Ph1產量受複雜的轉刻因子和後轉刻因子調控，一個相應的基因工程技術是通過修飾這類因子，增強Ph1生產。歐洲已經研製並準備釋放幾個螢光假單孢菌的基因工程菌，Girlanda等和Mark等對這些工程菌進行安全評價後聲明這些工程菌對土著細菌群體的影響與它們的野生型相似。相似地，Viebahn等以惡臭假單孢菌(pseudomonasputida)株WCS358r為母本，構建了兩株工程菌，以提高抗生素吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylicacid，PCA)和2,4-二乙醯基藤黃酚的生產效率。他們將菌種以小麥種子包衣形式釋放到土壤，進行連續4年試驗，然後用DGGE進行微生物群體指紋分析，發現工程菌和非工程菌對土壤微生物群體的影響有差異，工程菌對子囊菌(Ascomycetes)的幾個屬產生了特殊影響。螢光假單孢菌株Q8r1-96已被用作小麥全蝕病的生防菌。Blouin等將PCA合成基因導入Q8r1-96構建一組新工程菌，這些新工程茵以種子處理方式釋放到小麥田間。工程菌在單獨接種時，其根際定植和存活能力與Q8r1-96相同，但當工程菌與Q8r1-96同時接種時，Q8r1-96抑制了工程菌在根系的定植。所以，增加抗生素的生產並不一定能增加工程菌在根際的定植能力。
巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilence)不僅能固氮，而且能生產Auxin等植物生長激素。Luyten等將IAA(吲哚乙酸)合成基因IPDC導入固氮螺菌，以增加ipdC基因拷貝數，增加IAA合成，促進植物生長。他們將工程菌接種到菜豆後，評價了工程菌對植物根系土著根瘤菌的影響。Baudoin等也構建了ipdC基因高表達工程菌，他們進行多個工程菌和非工程菌的接種對比試驗，發現工程菌對土著細菌群體的影響隨實驗條件而變。多數情況下，工程菌的影響並不顯著。
有機污染的根際生物修復技術要求所用的生物降解細菌既要有強的根際定植能力，又要在根際高水平表達降解基因。螢光假單孢菌株F113是一個生防菌株，能有效定植不同植物的根際。以前的研究表明某些F113突變型能表達多氯聯苯(PCB)降解基因，但基因表達水平很低。中華根瘤菌(Sinorhizobiummeliloti)有一個nodbox4因子能調節nod基因的高水平表達，Villacieros等將從伯克霍德氏菌克隆的bph基因操縱子融合到中華根瘤菌的nodbox4/nodD1組合帶，然後再導入F113基因組，建立新突變體F113L::1180，此工程菌既保留原有的生防和根際定植能力，又表達bphC高水平活性，具備優秀的生物修復潛力。但其環境生態副作用尚待進一步研究。
4污染環境的微生物生物修復
4.1重金屬污染
自然選擇導致生物體適應進化，如長期生活在污染環境的植物和微生物會形成對污染物的抗性。菌根菌能改善土壤質量和植物生長，接種對污染物有抗性的菌根菌將有利於更好保護植物免受污染侵害。Turnau等從污染土壤分離菌根菌，將獲得的菌根菌接種到蔬菜，降低了植物對重金屬的吸收，減少了污染土壤種蔬菜的健康危險性。Adriaensen等比較了污染和非污染森林土壤根際共生菌根菌對重金屬的抗性。耐性菌種能有效保護樹木對養分的吸收，而敏感型菌種在重金屬濃度升高時生長受到抑制，對樹木的養分供應顯著減少。他們認為樹木在重金屬污染土壤的生長適應性可能來自於共生菌根菌的遺傳變異。砷(As)污染灌溉水是孟加拉國最嚴重的環境問題。Ahmed等從孟加拉國As污染土壤分離到不同菌根菌和根瘤菌，在5個As水平土壤進行接種試驗。菌根菌增加了植物高度、植物生物量、總葉數、根莖P濃度和固氮酶活性，同時降低了根莖As含量。這些結果表明根際共生能改善植物N、P吸收，同時減少植物As毒害。Barea等在Pb、Cd、Ni污染土壤分離和鑑定主要細菌和真菌種屬，得到豐度最高的真菌為VA菌根真菌(glomusmosseae)、豐度最高的細菌為芽孢短桿菌(Brevibacillus)。將VA菌根真菌接種到三葉草作物根系增加了植物根、莖幹物重和植物N、P含量，同時降低了植物莖的含Cd量；而接種芽孢短桿菌則增加了土壤脫氫酶、磷酸酶、β-糖解酶和植物生長素的活性，這些酶活性對植物根系生長有促進作用。他們認為接種對重金屬污染有抗性的微生物將在改善植物抗性和生物修復上有良好套用前景。Tugarova等研究了重金屬對2個固氮螺菌(Sp245和Sp7)的影響。Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)降低了2個菌種的IAA生產，降低了它們對植物生長的促進作用。但Sp7對重金屬有一定抗性，其抗性可能與重金屬誘導的聚羥基丁酸酯(Polyhydroxybu-tyrate)合成有關。
不同於有機污染物，重金屬難以被土壤微生物降解，因此重金屬污染的一個重要修復途徑是通過超積累植物浸提去除土壤中重金屬。提高植物浸提效率是植物修復技術的關鍵。發達的植物根系往往有利於植物吸收土壤重金屬，因此在根際接種能促進植物根系生長的細菌，將有助於提高植物修復效率。Bosco和Picard從重金屬超積累植物香蓍草根系分離到200個產auxin細菌。通過rDNA擴增和限制片斷分析，發現產auxin細菌的生物多樣性豐富，其中一組豐度較高的螢光假單孢菌屬在整個植物生長季節都能檢測到，有潛在的純化和套用價值。增加植物對重金屬的移動性是提高植物浸提效率的另一有效途徑，促進根系和根際微生物對重金屬螯合物的分泌作用有助於達到這一目的。Puschenreiter等從Ni超積累植物遏藍菜分離和鑑定外生和內生細菌，發現其中一個內生甲基桿菌iEⅡ1能耐高濃度Ni、生產鐵運載體(Siderophores)、並促進植物生長，其接種套用價值有待進一步開發。菌根菌能增強植物對P和其他養分的吸收能力，As和P有相似的化學性質，因此菌根菌接種有可能提高超積累植物對As污染土壤的修復效率。Sy1via和Alagely把從污染土壤中分離的菌根菌接種到超積累植物蜈蚣草，發現菌根菌接種顯著增加了植物As吸收和植物含As量。
4.2有機物污染
由於工業、農業和城市污染，一些土壤的持久性有機污染物如多環芳烴類濃度不斷升高。根際生物修復技術因其高效低耗而受到普遍歡迎。但是對植物如何激髮根際生物降解的機理目前了解很少，對降解微生物的種類、根際生態過程、降解基因和降解途徑的多樣性也只有零星了解。一般認為根系分泌物促進根際微生物的生長和代謝過程，從而加強有機物的生物降解。如Mackova等將3種不同植物種在多氯聯苯長期污染的土壤上，6個月後，土壤多氯聯苯含量顯著降低，其中菸草土壤的多氯聯苯降低最多，他們發現植物顯著增加了土壤細菌總數，其中菸草和龍葵植物顯著增加了多氯聯苯降解細菌數。根際共生菌根菌有助於植物養分吸收，增加植物生長和根系生物量。Leyva1等認為菌根菌接種促進多環芳烴降解的原因是菌根菌增加了根系生物量、促進了根際降解細菌的生長。他們將VA菌根真菌接種到工業污染土壤和多環芳烴加富土壤，發現多環芳烴濃度在菌根菌接種的土壤低於非接種土壤，多環芳烴濃度隨著根距增加而增加。
根際不僅分泌一般性有機物，而且可能產生特殊化合物，作為降解細菌的底物，促進降解細菌生長。Leigh等通過實驗室和溫室根箱試驗證實從樹根釋放的芳香類化合物可作為多氯聯苯降解菌的底物，激發它們的生長。所以一般在多年生植物土壤上，多氯聯苯降解菌的豐度較高。他們在5類植物根際研究多氯聯苯降解菌的動態，發現植樹土壤的多氯聯苯降解菌顯著高於非植樹土壤。豐度最高、多氯聯苯降解潛力最大的細菌是G+的紅球菌(Rhodococci)。他們還發現某些樹種特別能激發多氯聯苯降解細菌的生長。樹根化學組成和周轉速率可能起重要作用。
在不少情況下，根際和根外土壤含有大量能降解有機污染物的細菌，但是有機污染物常常與土壤顆粒和有機物質結合在一起，其生物有效性很低。所以在實施微生物生物修復時，首先必須提高有機污染物的生物有效性。有些植物根際能產生鼠李糖脂(rhamnolipids)和生物表面活性劑，這些物質可增加有機污染物的溶解性和移動性，從而促進微生物降解。
植物和微生物還可能進行協同代謝過程，如植物釋放某種特殊底物，誘導在降解過程中起重要作用的雙氧酶或其他酶的合成。Rugh等將18種植物種在多環芳烴處理土壤上，發現與對照比，植物顯著增加了多環芳烴的生物降解，總細菌數和菲(Phenanthrene)降解菌也顯著增加；分離到的降解菌比對照土壤的降解菌有更強的降解能力。Francova等從污染土壤分離到2個細菌：睪酮假單孢菌(Comamonastestosteroni)B-356和伯克霍德氏菌LB400。用幾種多氯聯苯衍生物測試細菌的分解能力和代謝產物，發現多氯聯苯降解產生過渡產物氯苯酸，菸草和山葵等植物具有氯苯酸降解能力，所以植物和微生物可聯合加強多氯聯苯的降解。但大多數情況下，污染物的降解往往有一組微生物聯合進行，對這些微生物組合如何在根際進行空間分布並聯合代謝目前尚缺乏研究。微點取樣方法結合分子生物學技術可能為原位測定微生物群體、研究基因表達提供新的途徑。
共生菌根菌能促進植物生長和植物抗脅迫能力，常被用於植物生物修復技術。Sainz等研究了有機氯農藥對根際菌根菌的影響，發現有機氯農藥對菌根菌在根表面的定植範圍沒有影響，但顯著降低了根際土壤菌根菌的孢子數和菌絲體密度，說明內生菌根菌可能受到植物保護，免受農藥的毒害。Volante等研究了菌根菌對單環芳烴降解的影響，把3個VA菌根真菌接種到菲蔥，16天后，根際單環芳烴濃度降低到加入量的2％～40％，而在非接種對照植物中，16天后仍有75％～95％單環芳烴持留。在3種真菌中，G.margarita對降解單環芳烴最有效。Girlanda等從工業污染土壤分離了6個真菌，用土培和砂培試驗表明無論菌根菌單獨或與植物共生時，均具有較強多環芳烴降解潛力。
開發基因工程菌是微生物生物修復技術的重要手段。目前一個廣為研究的技術是將生防功能和生物降解功能集裝在同一工程菌株。如一些螢光假單孢菌擁有一系列基因，控制著生防化合物和植物生長激素的合成，把生物降解基因導入這類細菌將大大增強此類工程菌的套用前景。Boronin和Kochetkov將多環芳烴降解基因導入螢光假單孢菌，產生一組突變體，有些變種的多環芳烴降解能力顯著增強。他們再將重金屬(如Ni、Co、Zn、Cd)阻抗質粒導入上述工程菌，構建新一組突變體，發現其中一個突變體的耐Co能力比原種高出6倍，但沒有降低生防功能和多環芳烴降解能力。在另一個試驗，Kochetkov等將2個含降解基因的質粒導入到4個假單孢菌種，這4個菌種以及它們的突變型呈現不同的生長動力學和質粒穩定性。轉化後，pOV質粒的鄰苯二酚雙氧酶活性高於PAS216質粒，但這些菌種呈現相似的萘(naphthelene)雙氧酶活性和水楊酸酯水解酶活性。將帶質粒的菌種接種到油菜種子，萘的存在促進了植物生長，而在高萘條件下，對照植物很快死亡。此試驗表明生防菌與降解質粒重組可更有效促進多環芳烴污染土壤的生物修復。對高度水溶和揮發性有機污染物(如xenobiotics，異源生物毒素)，植物修復技術往往難以達到預期目的，因為在生物降解前，大部分污染物就已經從植物釋放到大氣。Barac等報導了用接種內生工程菌以提高植物修復作用的可能性。許多內生菌在根際能找到相似菌種。他們測試了2個洋蔥伯克霍德氏菌(Burkholderiacepacia)菌株，一個為內生菌，另一個來自根際。將pTOM甲苯降解質粒導入到2個菌株，發現修飾的內生菌能有效降解甲苯、減少植物毒性、減少甲苯從葉子的揮發，但修飾的根際伯克霍德氏菌只輕微改善了甲苯的降解能力。此試驗表明開發內生工程菌可作為提高植物修復作用的一個有效手段。
5結語
分子生物學技術的套用正在極大地推動著根際微生物研究的迅速發展。16SrRNA和功能基因的調查分析已經揭示根際存在大量未培養微生物和豐富的生物多樣性。植物對根際微生物生物多樣性的影響已從不同層面得到更深的認識。分子生態方法亦為評價轉基因生物的生態負效應提供有力手段。轉基因生物工程技術正在使調控根際生態過程成為可能。但是根際環境隨著土壤類型、植物種類和生育階段存在很大時空變異，根際微生物的生物多樣性和功能受土壤、植物等多重因子的複合影響。原位測定根際微生物生物多樣性、了解微生物生物多樣性與生態功能的關係、探索土壤-植物-微生物的互作關係仍然需要研究手段的深入發展。目前環境基因組學方法正在迅速套用於相對簡單的微生物生態系統，如河流、海洋等。這個方法不僅能更準確展示微生物的生物多樣性，而且能綜合揭示微生物群體的生態功能。分子生態技術與穩定同位素技術相結合的方法亦是原位測定微生物群體結構和功能的有力手段。隨著這些方法在根際微生物研究的套用和發展，根際微生物的基礎和套用研究一定能在不遠的將來獲得重大進展。
