王若楠 邱小倩 刘 亮 杨金水 李宝珍 袁红莉

中国农业大学生物学院 北京 100193

腐植酸代表着地球上最主要的有机碳库，参与诸多生态过程的调控，如土壤碳氮循环、植物和微生物生长、重金属转化运输及稳定土壤结构等[1]。“绿水青山就是金山银山”是习近平总书记生态文明思想的重大理念，在新时代背景下，腐植酸作为绿色环保肥料，因其具有增强土壤活力、促进植物生长和提高化肥利用率、减少化肥使用量等多重优势而受到广泛关注。大量研究表明，施加腐植酸，可以提高玉米、大豆、黄瓜和大蒜等多种作物的产量[2～5]。详细机制解析发现，腐植酸主要可以通过影响植物初级和次级代谢以及其对养分的吸收，从而调控植物的生长发育，同时腐植酸还能缓解不同环境压力对植物的胁迫，增强植物的抗逆性[1]。

植物生长环境中存在多种多样的微生物，附着在植物表面（称为“附生微生物”）或者定殖于植物内部（称为“内生微生物”），这些微生物群体是植物生长和抗病的关键决定因素[6～8]。如菌根真菌和植物的根系共生，可以帮助植物根部吸收矿质营养，促进植物生长；如根际促生菌Pseudomonas simiae WCS417可以诱导植物的系统免疫，抵抗土著病原菌的侵染；内生菌Burkholderia phytofirmans PsJN可以促进多种植物的生长及其对逆境胁迫的耐受能力[9～11]。腐植酸除了可直接调控植物生长发育，还可通过调控植物根际和内生微生物的数量、结构及功能，间接实现对植物生长的调节[2，12]。

本研究综述了国内外腐植酸影响植物微生物的研究进展，归纳了腐植酸影响植物微生物的关键结构特征，为系统了解腐植酸对植物微生物区系的调控作用及充分发挥腐植酸-微生物-植物互作的优势，实现在农业生产中科学利用腐植酸和作物优质高产提供一定的参考。

1 腐植酸对根际微生物的影响

植物生长发育与土壤中的微生物关系密切。大量研究证实，施加腐植酸，在作物增产的同时可以增加土壤总微生物（细菌、真菌和放线菌）的数量，提升土壤微生物活性，例如，腐植酸可以富集氨氧化菌及硝酸盐氧化菌，促进氮循环；通过竞争抑制番茄青枯病病原菌，增强植物抗病性[13～15]。

在土壤微生物中，处在植物-土壤物质交换最活跃界面的根际微生物，无论是从物质循环、能量流动还是信息传递的角度，其变化都直接影响植物的养分吸收和生长发育[16]。据研究报道，根际微生物主要参与3大功能类群：（1）将有机物转化为无机物供植物吸收营养；（2）产生维生素、抗体、激素和信号分子等促进植物生长；（3）起到生物修复的作用[10，17，18]。目前已有大量研究从微生物群落结构变化层面证实了腐植酸对根际微生物的影响，如生防放线菌与腐植酸钾配施可以调整丹参植株根际微生态平衡，改善微生物区系[19]。

下面将从腐植酸对营养吸收和污染物降解功能微生物的影响方面进行阐述。

1.1 腐植酸对丛枝菌根真菌的影响

约80%～90%的植物会被丛枝菌根真菌Arbuscular Mycorrhizal Fungi（AMF）定殖，这可以帮助植物从土壤中获取氮、磷、硫等营养成分以及一些微量元素，对植物生长发育起着关键作用[9]。M. Gryndler等[20]在水培条件下，研究了土壤腐植酸对近明球囊霉Glomus claroideum BEG23菌丝生长及菌根形成的影响，发现腐植酸促进了该菌在玉米根部的定殖及其根外菌丝的合成，说明腐植酸是土壤中刺激菌根真菌生长发育的成分之一，参与促进植物与菌根真菌的共生。

1.2 腐植酸对氮循环微生物的影响

氮循环是生物地球化学循环的重要组成部分，土壤微生物在其中发挥着不可替代的作用。参与氮循环的微生物包括：固氮菌、氨化菌、硝化菌和反硝化菌[21]。腐植酸可以通过抑制土壤脲酶活性来影响氨的释放速度，从而影响氨氧化微生物的群落结构；抑制因尿素加入而导致的土壤硝化势的增加，从而降低氨被氧化成亚硝酸和硝酸的速度及降低通过反硝化转化成氮气而造成的氮损失，最终能够使更多的氮被植物吸收利用[22，23]。陈静等[24]发现腐植酸能够加剧土壤微生物活动，尤其能使土壤自生固氮菌的数量显著增加，生物固氮作用得到加强，为作物提供丰富的氮素营养。此外，腐植酸还具有黄酮类似物的功能，能够提高大豆根瘤菌Bradyrhizobium liaoningense CCBAU05525的细胞密度，促进其结瘤基因及固氮相关基因的表达，从而使接种B. liaoningense CCBAU05525大豆的结瘤数、根瘤鲜重、固氮酶活分别提高19.4%～30.5%、25.4%～36%、15%～30%[25]，并且腐植酸可以增加参与氮循环微生物的丰度[26]。以上研究表明，腐植酸可以通过调节根际参与氮循环微生物的丰度、基因表达及代谢活动，从而实现植物对氮素营养的利用。

1.3 腐植酸对污染物降解菌的影响

微生物修复技术因其成本低、无二次污染和适于大面积应用的优势受到研究者的广泛关注，如球形红假单胞菌Rhodobacter sphaeroides可以应用于镉和锌重金属污染土壤的修复，镰刀真菌Fusarium ZH-H2能够促进高分子量多环芳烃的降解[27，28]。而腐植酸除其本身可与污染物直接作用如固定重金属外，还可以刺激土壤微生物活性达到对污染物的降解修复。如Chen等[29]通过添加腐殖质类似物蒽醌2，6-二磺酸（anthraquinone-2，6-disulfonate，AQDS），提高土壤中地杆菌Geobacter sp.及活化二价铁的微生物的丰度，从而加速对五氯苯酚的转化，修复氯化物污染土壤。在石油烃污染土壤中添加腐植酸，可以促进石油烃的降解，对微生物群落组成和数量有显著影响，其中革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对腐植酸的响应更敏感[30]。上述结果说明，腐植酸也可通过改变土壤特定功能微生物的丰度和活性，转化污染物，从而达到修复土壤污染的目的。

2 腐植酸对植物内生菌的影响

植物内生菌与宿主植物长期协同进化，两者间存在基因交换，有利于扩大植物的适应范围，赋予内生菌新的功能[31，32]。研究表明，腐植酸类物质可以促进内生固氮菌Herbaspirillum seropedicae在玉米根部的定殖[33]。腐植酸一方面通过促进植物侧根的萌发，形成的植物自然裂缝促进内生菌的定殖；另一方面由于其具有大分子的稳定性及内部疏水性，又可以作为有益菌的保护伞，使得有益菌存活时间更长，定殖几率大大增加。此外，对甜叶菊的研究发现，黄腐酸能定向地提升有益菌、降低致病菌的相对丰度，可以加速甜叶菊生长代谢有益菌，如鞘氨醇单胞菌Sphingomonas和甲基杆菌Methylobacterium的相对富集，同时显著降低欧文氏菌Erwinia等潜在致病菌的相对丰度[12]。这也说明，筛选高效促生内生菌配合腐植酸同时使用，可以提高内生菌的竞争能力，促进植物生长。目前关于植物内生菌已有较多报道，证实它们对植物具有促生和抗逆的作用[34]。但是腐植酸影响植物内生菌群落结构及功能的研究相对较少，值得进一步深入探索，有利于挖掘微生物新资源和腐植酸的科学高效利用。

3 腐植酸影响植物微生物的关键结构特征

腐植酸通过影响植物微生物的区系结构变化实现其对植物生长发育的调控，这种调控作用是由腐植酸的来源、分子量、官能团及施用浓度等多种因素共同决定的。研究腐植酸的结构特征对进一步阐明腐植酸调控微生物与植物间互作机制至关重要。

Edoardo等[2]和 Puglisi等[35]采用高效排阻色谱法将腐植酸根据不同分子量大小进行分级纯化，通过气相色谱-质谱联用仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）和核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技术对腐植酸结构进行表征，发现施加腐植酸处理玉米根际微生物群落结构均发生了改变，亲水性的和低芳香性的腐植酸会通过改变玉米根系分泌物中糖和有机酸的组成，进而影响玉米根际微生物群落结构，其中丁二酸和苹果酸在决定根际微生物多样性中发挥关键作用。

在植物根际的病原微生物会引发植物病害，是制约作物产量和品质的关键因素。研究发现，来自土壤的腐植酸及其中的黄腐酸能够显著抑制真菌病原菌的生长，结构解析及相关性分析发现腐植酸的脂肪碳与黄腐酸的羟基和羧基活性组分与其抑菌活性呈正相关[36]。14种不同材料中提取出的腐植酸，硫基和烷基碳含量高的腐植酸抑菌活性更高[37]。上述研究说明，结合新型分析技术，深入解析腐植酸结构与其调控植物微生物功能的关系，将有助于定向高值化腐植酸产品的开发和应用。

4 展望

腐植酸功能多样，能通过调节植物根际微生物及内生菌的群落结构来促进植物的生长发育，在农业生产的各个领域都有广泛的应用前景。然而，腐植酸对植物微生物区系的影响及其影响微生物与植物间“对话”的具体机制尚未得到充分解析，未来可从以下4个方面开展研究工作。

（1）目前，腐植酸对参与植物微量元素吸收，调控植物激素分泌和逆境响应等功能微生物的影响未见报道，未来可广泛关注腐植酸对众多根际功能微生物的影响。

（2）腐植酸类物质众多的结构官能团赋予其良好的活性，但其结构变化和所发挥功能之间的具体关系尚未明确，诸如此类的应用基础仍需进行深入研究。

（3）随着现代腐植酸相关研究技术和分析方法的不断发展，腐植酸对植物根际/内生功能微生物的促进作用及致病菌的抑制效果，已经得到广泛验证，可进一步结合高通量测序技术，宏蛋白组和代谢组学手段研究腐植酸调控下植物微生物区系的动态变化和功能演替，并从植物表型入手探究其对腐植酸刺激的响应机制，深入揭示腐植酸-微生物-植物互作关系。

（4）随着腐植酸应用目标要求的逐渐提高和研究内容的逐渐深入，腐植酸在农业生产中的高效应用还需要进行诸多的探索和研究，也有待于在一些新领域进行新产品的拓展和开发，从而实现腐植酸在农业及其他领域的高值化应用。