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微生物肥料:“根”上大有用场

秦志伟

2015年03月18日10:07    来源:中国科学报    手机看新闻
原标题:微生物肥料:“根”上大有用场

图片来源:百度图片

近年来,我国微生物肥料产业取得了快速稳定的发展,但也存在整体水平低,技术创新不足等问题,在功能机理、优良菌种、高效优质产品及相关应用的关键技术上仍未有重大突破,这些都是影响行业发展的瓶颈难题。

在众多技术方案中,根际微生物与植物的关系不容忽视。根际是一个独特的环境,是受植物根系和根系分泌物直接影响的薄层土壤,植物和土壤微生物在这里发生着广泛复杂的相互作用。

中国农业科学院农业资源与农业区划所研究员张瑞福认为,从应用角度分析,研究植物与微生物在根际的相互作用对开发生物肥料和生物农药具有重要的意义。

农业发展呼唤微生物肥料

土壤是作物赖以生长的基地,而作物所需的营养元素主要是依靠土壤中生活的、每克土以亿计的微生物的作用。然而,目前的土壤问题让人担忧。

在粮食十一连增的背后,化肥、农药的使用量不断提升,牲畜粪便、秸秆等废弃物也大量增加,已造成了农村和农田的广泛面源污染和土壤肥力下降等严重问题,恶化了生态和城乡人民的生活环境。

中国农业在未来发展中面临着既要保持高产,又要减少面源污染之时,迫切需要可行的技术方案来降低农业生产中对化肥、农药的依赖,提高其使用效率。而如何提高其使用效率?

在此种情况下,发展新型肥料,增强土壤活力,以可持续提高作物产量显得尤为重要。

农业部微生物产品质量安全评估实验室和农业部微生物肥料质检中心主任李俊曾向记者介绍过,微生物肥料已成为植物营养与肥料中的重要组成部分,在提高养分转化利用率、维护植物健康成长、增产提质和保证可持续生产能力等方面具有不可替代的作用。

近年来,我国微生物肥料增长速度比较快,“每年有20%的增长,但总量还是偏小,不到肥料总量的3%。”张瑞福告诉《中国科学报》记者。

而欧美及南美的巴西、阿根廷等国家这一比例要高得多,“这与我国对微生物肥料的重视及我国农业可持续发展对微生物肥料的需要不匹配,尤其是在国家关注农业‘减肥减药’的新形势下。”张瑞福说。

他认为,农业生产上的化肥不合理使用,化肥过多会掩盖甚至抑制微生物的肥效,使农民认为微生物肥料效果不好,导致恶性循环。

此外,目前市场上微生物肥料所使用菌种性状不好,企业在研发时,对微生物肥料的核心要素——菌种的选育投入少,菌种来源杂乱,“造成微生物肥料产品质量参差不齐,影响了微生物肥料的推广。”张瑞福告诉记者。

根际微生物:植物的第二基因组

如何研究和开发新型肥料,并合理使用,成为我国农业发展的重要课题。

“对根际微生物和植物根系互作的研究,可以为微生物肥料开发中菌种的选择及提高微生物应用效果提供理论指导。”张瑞福说。

据了解,根际微生物对宿主植物类似于肠道微生物对人体的重要性,根际微生物在养分转化吸收、植物促生、污染物降解、有机质分解、土传病原菌抑制和植物健康维护、协助植物抵抗逆境等方面发挥重要作用。充分发挥根际微生物的有益作用是减少农用化学品投入(减肥减药)、支撑农业可持续发展的有效途径。

国际上目前倡导的农业“常绿革命”是对过去几十年“绿色革命”的进一步提升,绿色革命的主要特征是依靠育种技术和农用化学品投入增加粮食产量,而常绿革命倡导通过充分利用植物和微生物的有益互作促进作物增产,并提高产品品质。

目前微生物肥料普遍面临的共性问题是大田应用效果不稳定,张瑞福指出,其主要原因是环境因素复杂多样,对施入土壤中的微生物肥料菌株的存活、竞争、定殖及功能发挥影响巨大。

张瑞福介绍,优良菌种是微生物肥料的基础,由于土著微生物的竞争和土壤环境的复杂,微生物功能的发挥会受到影响,“在菌种筛选收集时,土壤适应性和宿主植物的匹配性要成为考虑因素。”张瑞福说。

事实上,微生物肥料菌株在植物根际的竞争定殖能力是微生物肥料功能稳定发挥的保障,所以对不同植物要选育在该植物根际竞争定殖能力强的菌株研发微生物肥料,比如利用某种植物的根系分泌物作为营养,生长速度快。

“菌种选育时,应以植物匹配性好、土壤适应性广为目标,微生物肥料菌种如果与植物匹配性能好,则该菌株的功能发挥受宿主植物影响较大。”张瑞福说。

在此基础上,受土壤环境影响就较小,从而研制地域广适性的作物专用微生物肥料,便于推广应用,因为农民对作物类型的判断要比对土壤类型的判断容易。

求突破 重推广

根际微生物种类繁多,张瑞福也指出了其中存在的问题:“绝大多数还未获得培养,所以对根际微生物群落组成和功能表达的认识还很片面,缺乏整体的认识。”

如何通过农业措施调控根际微生物群落,使其结构组成和功能发挥更能满足植物营养和健康需要,这些都是比较重要而具有挑战性的课题,“但目前已经有了很多有益的探索”。

据介绍,国际上对根际微生物研究非常活跃,已经通过高通量测序等技术探索根际微生物群落组成;宏基因组和转录组也应用于对根际微生物功能基因表达时空特征的描述;还有对根际微生物组成与植物根系分泌物组分的关联等研究,期望找到能诱导有益微生物到植物根际的根系分泌物组分,然后将其开发成“调控剂”;对根际微生物与植物互作的分子机制及信号也研究得非常深入。

事实上,科学家们提出应该把增强与有益微生物互作作为植物的育种目标之一,很多跨国公司如孟山都、杜邦、诺维信等都把利用根际有益微生物开发微生物肥料和微生物农药作为重要产品开发方向。

在我国,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所是我国微生物肥料研究的主要机构之一,上世纪七八十年代研制出很多国内广泛应用的微生物肥料产品,获得了多项国家奖励。

“我也从事多年根际微生物与微生物肥料研究,收集建立了根际促生菌菌种资源库,尤其是在增强促生菌根际定殖以及微生物与根系互作的机理与调控机制上做了很多工作。”张瑞福说,希望能找到增强促生菌根际定殖的调控信号,开发成微生物肥料的“增效剂”。

另外,张瑞福介绍,通过高通量测序与生物信息学等技术,对根际微生物群落组成的解析及功能表达等方面也做了很多工作。

“我们研制的一些微生物肥料也通过与企业合作共同推广。”张瑞福说。(秦志伟)

延伸阅读

根际包含着复杂的微生物类群,一克根际土壤含有106~1010个微生物。这个复杂的微生物群体对宿主植物的健康和生长发挥着重要的影响。根际是微生物定殖和发挥活性的重要区域,根系与土壤微生物之间的互作是特异的并处于共进化的压力下。根际微生物可以协助宿主植物抑制土传病,提高养分的有效性和吸收,以及通过提高宿主植物的免疫力抵抗生物和非生物逆境,从而促进植物的生长。反过来,植物为根际微生物提供根系分泌物作为生长基质与分子信号。

(责编:王凤一(实习生)、马丽)

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