第三章生防微生物

第三章生防微生物 吴云锋

第一节根际微生物

1．微生物 微生物作为农业生态系中必不可少的成员，广泛分布于土壤、根际、根表、根内，及地上部分各种器官的表面和内部。 • 根际（rhizosphere）：也称为根围、根圈、根域，是指土壤中紧密环绕根的区域。 • 根际微生物（rhizosphere microorganisms）：由于植物根系经常向周围的土壤分泌各种外渗物质，因此，在根际活动着大量的微生物，由于根围微生物多而活跃，构成了根围特有的微生物区系，根际微生物以无芽孢杆菌居多。

2. 分布 土壤具有微生物生长繁殖所需要的一切营养物质及各种条件，因此土壤是微生物良好的生活场所，有“微生物的天然培养基”之称。地球上"最早的居民"是微生物。无论是繁华的现代城市、富饶的广阔田野、还是人迹罕见的高山之巅、辽阔的海洋深处，从1万米深、水压高达1140个大气压的太平洋底到8.5万米高的大气层；从炎热的赤道海域到寒冷的南极冰川；从高盐度的死海到强酸和强碱性环境，到处都有微生物。

地球表面存在大量的微生物

土壤微生物（Soil microbe）

温泉水微生物 Animals Plants

水体微生物

雪域高原微生物

(苏联)东方号站 南极冰川微生物

Mine Drainage 矿山水 Bacteria in Antartic ice cores

好氧性 • 异养细菌 4 人类 • 假如把地球演化到今天的历史浓缩到一天，地球诞生是24小时中的零点， • 地球诞生零点， • 地球的首批居民--厌氧性异养细菌早晨7点钟 • 好氧性异养细菌午后13点左右， • 鱼和陆生植物晚上22点； • 人类一天的最后一分钟才出现。 3 鱼和陆生植物 1 首批居民— 厌氧性异养细菌

尽管人类对微生物的利用已有几千年的历史，现代微生物学也经历了一个多世纪的发展，但至今，为人们所认识的微生物种类仍仅占自然界中微生物总数的1%～5%，人类生产和生活中开发利用的则更少。因此，微生物可能是地球上最大的、尚未有效开发利用的自然资源。尽管人类对微生物的利用已有几千年的历史，现代微生物学也经历了一个多世纪的发展，但至今，为人们所认识的微生物种类仍仅占自然界中微生物总数的1%～5%，人类生产和生活中开发利用的则更少。因此，微生物可能是地球上最大的、尚未有效开发利用的自然资源。 • 目前已知的细菌不足6000种（估计在30000种以上），真菌不足80000种（估计在1500000种），目前为人类所了解的数目约占总数的5％；仅有约1%保存于世界各地菌种中心，并被开发利用。

一个国家对生物资源掌握得越多、研究得越深入、利用得越充分，就越能掌握自己国家的未来发展。科学家们普遍相信，至少20%以上的昆虫肠道系统或体内均可分离出多种单一宿主的绝对寄生微生物。因此，在昆虫种类数目未清楚前，所有微生物种类的数量都可能被低估。随着人类对生命过程认识的加深，生物技术已成为实现社会可持续发展的最有潜力的技术手段。当前的生物技术以微生物技术为核心，在环境整治、可再生能源生产和人类健康保障等方面正发挥着不可替代的作用。微生物的生存环境和生命策略的多样性，使之成为人类寻求解决环境、能源和健康等问题的最佳材料。 • 据估计，发达国家微生物产品的年产值约占国民生产总值的6%~10%，每年仅向全球药业市场提供的原材料就有500亿美元而；在中国，其产值目前约占3%。

植物生长与微生物活动的关系 植物 PLANTS 植物残体 PLANT RESIDUES 植物根系 PLANT ROOTS 微生物 Microbial Bacteria Fungi 原核生物 Protozoa 线虫 nematodes

微生物根系活动MICROBIAL ACTIVITY Parent material, time, topography, climate, vegetation, fauna 植物 PLANTS 植物残体 PLANT RESIDUES 植物根系 PLANT ROOTS 微生物 Microbial Bacteria Fungi 原核生物 Protozoa 线虫 nematodes

3．类群 （1）土壤中生活的生物： • 土壤微生物 • 微小的植物 • 动物等。（2）土壤微生物的种类（ major groups of soil microorganisms）：主要有6种。 • 细菌Bacteria • 真菌Fungi • 放线菌Actinomycetes • 病毒Viruses • 线虫Nematodes • 酵母Yeast。

其它生物还有： • 藻类Algae • 原生动物Protozoa • 螨类Mite Populationscontributes to development of the total community These groups + higher animals interact in soil to catalyze the biogeochemical processes occurring therein 土壤微生物种类繁多，数量极大，其中以土壤表层或耕作层中及植物根附近微生物数量较多。土壤越肥沃，微生物种类和数量越多。根际微生物的种类受植物的种类和植物的发育阶段所影响。

土壤微生物数量(Amount of soil microorganisms): • Bacteria：exists in soil at densities of 108 to 109 colony-forming units per g dry soil • Actinomycete: 107 to 109 propagules per g dry soil • Fungal and Protozoan: 106 propagules each per g dry soil

（1）细菌 土壤中数量最多的微生物。占土壤微生物总量的70%～90％，田间土壤中一般为106～108个/cm3，其中上层15厘米的土壤中，细菌鲜重为1500—3700公斤/公顷。

土壤细菌soil bacteria 革兰氏阴性菌Gram- 假单胞菌Pseudomonas 根瘤菌Rhizobium, （大豆根瘤菌Bradyrhizobium japonicum）固氮菌Azotobacter 亚消化单胞菌Nitrosomonas 硝化甘油菌Nitrobacter 农杆菌Agrobacterium 革兰氏阳性菌Gram + 节杆菌属Arthrobacter 芽胞杆菌Bacillus 梭菌属Clostridium

细菌种类 1. 芽孢杆菌Bacillus subtilis 2. 大肠杆菌Escherichia coli 3. 棒状杆菌Corynebacterium

内生芽胞杆菌Endospore-bearing bacteria 杆状菌Bacillus 梭菌属Clostridium

4. 假单胞菌Pseudomonas aeruginosa 5. 阴沟肠杆菌Enterobacter cloacae

乳酸菌Lactobacillus Bordetella pertussis

葡萄球菌Staphylococcus 链球菌Streptococcus sobrinus 葡萄球菌Staphylococcus 螺原体SpirillumBorrelia burgdorferi

蓝藻细菌Cyanobacteria

（2）放线菌 是土壤中另一类主要的微生物类群，数量仅次于细菌，占微生物区系总量的13～14%。放线菌多存在于偏碱性的土壤中，大部分土壤放线菌属于链霉菌科的三个属： • 链霉菌属（Streptomyces） • 小单孢菌（Micromonospora） • 诺卡氏菌属（Nocardia）土壤或根围中的链霉菌大多数种都归于链霉菌属。放线菌虽然数量比细菌少，但由于其菌丝体的体积比单个细菌大几十倍甚至几百倍，所以在土壤中的生物量也相近于细菌。

放线菌Actinomycetes

（3）土壤真菌 数量排第三位。土壤中的真菌各种类型都有，以半知菌类为最多，主要分布于土壤表层中。

Fungi bacteria 真菌和细菌（Fungi and bacteria） Culturable and unculturable

有机营养型或异养型微生物：只利用现成有机物质的微生物。有机营养型或异养型微生物：只利用现成有机物质的微生物。 • 无机营养型或自养微生物：一些靠二氧化碳和碳酸盐自食其力的微生物。微生物具有极强的抗热、抗寒、抗盐、抗干燥、抗酸、抗碱、抗缺氧、抗压、抗辐射及抗毒物等能力。

微生物的呼吸： 有的喜欢吸氧气，是好氧性的；有的则讨厌氧气，属于厌氧性的；还有的在有氧和无氧环境下都能生存，叫兼性微生物。（4）藻类由于藻类主要是自养型，所以它同腐生物的竞争力较弱，在根围的数量较低。土壤中的藻类数量远远少于上述各类。主要有：绿藻、硅藻等。土壤中的原生动物都是单细胞异养型的，主要是纤毛虫、鞭毛虫、根足虫等，次要是纤毛虫、鞭毛虫、根足虫等。

L1 L2 L1 Cnb L1 相互作用 Complexity Interactions

The lichen Peltula Unidentified lichen Microcoleus vaginatus N2 N2 与地衣共生藻类地木耳Nostoc

4．作用 • 根据对植物的作用，根际微生物(rhizosphere)分为：3类（1）有害微生物：占8%～15% （2）中性微生物：占80%～90% （3）有益微生物：占2%～5% 有益微生物的种类包括： • 共生物：根瘤菌、某些放线菌和菌根真菌。 • 腐生物：它们有些促进对矿质营养的吸收和利用，或者产生激素促进植物生长，或者可抑制寄生和非寄生病原菌的微生物。由于这类能直接或间接地促进植物生长的细菌又被称为根际促生菌〔Plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR〕。有些生防菌能减轻病害，故称为根围促健菌〔Plant health-promoting rhizobacteria，PHPR〕。

PGPR细菌包括： 假单胞杆菌属(Pseudomonas)：荧光假单胞菌土壤杆菌属(Agrobacterium) 欧文氏杆菌属(Erwinia) 伯克氏杆菌属(Burkholderia) 芽孢杆菌属(Bacillus)。沙雷氏菌(Serratis spp.) Arthrobactor Alculigenes Rhizobactium 20多个属的根围细菌。放线菌木霉菌

PGPR的作用： （1）定殖于植物根系, 优先占领根际；（2）抗生素、嗜铁素等直接作用于病原菌，抑制根际有害微生物（DRMO）。 PGPR能抑制DRMO产生氰化物，从而促进马铃薯的生长发育, 多年连作效果更为明显。PGPR海洋放线菌MB 97和海洋细菌BAC 9912 , 则能抑制大豆紫青霉菌产生毒素Rubratoxins，MB97还能产生刺激大豆生长的次级代谢产物, 克服大豆连作障碍, 从而促进重茬大豆的生长发育, 提高大豆的产量和品质。（3）产生IAA等植物生长调节剂，促进植物生长发育；（4）诱导植物抗病性（ISR）。

毛细管 Capillarity 土壤颗粒 Soil particles, 有机质 organic matter Mucigel 根毛Root hair CO2 O2 H2O H2O 根分泌物 Root exudates 根际/根表 rhizosphere/rhizoplane

在植物根际微生态系统中，植物有益微生物和有害微生物是相互制约的。在植物根际微生态系统中，植物有益微生物和有害微生物是相互制约的。 • 土壤微生物可以降解土壤中的有机成分，先将有机质降解成腐殖质，然后变成各种化合成分，最终变成基本的土壤成分。有机物是土壤微生物生存的必要条件，各种各样的有机物在土壤中生存、繁衍和死亡。

根尖Root tip 根内微生物根毛Root hair 大多数根际、根表细菌很活跃 Most bacteria in the rhizosphere/rhizoplane are active

5．影响因素 由于土壤具备里各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以土壤是微生物生活的良好环境。 • （1）土壤质地土壤质地：包括土壤的物理结构及其理化性状。耕作土壤：矿物质占95％以上，有机质占5％。我国南方的红壤土、黄壤土以及高山地区灰化土、森林土均为碱性土，其余广大地区为中性土。沙漠地区多为碱性土。微生物的原生质的pH接近中性，大部分微生物在中性条件下生长良好。土壤细菌、放线菌在中性偏碱土壤中生长良好，pH5以下停止生长。真菌喜欢在弱酸性土壤中生长， pH约为3.0，真菌占优势。真菌在偏碱土壤中停止生长或死亡。

土壤组成

+ Plant cover, + Soil depth - + Water 50-70% Field capacity 25-35oC, mesophiles喜温的 Aerobiosis 好氧的 Following tillage Reduced or no tillage Carbon input Distance from plant root Substrate removal Bad conditions: Cold, pollution, flooding, drought - 微生物活动Microbial activity

Fungal hyphae Mycorrhizae Silt Root Clay Sand Mite Clt Wt 5 mm Fgl NMt Bacteria 100 mm Actinomycetes Organic matter 25 mm

Structure The manner in which soil particules are assembled in aggregate forms Aggregates are the products of the，interactions of the soil mineral components,the microbial and plant communities, and of the soil ecosystem history

第三章 生防微生物