在我们的地球上，任何生物都无法独立生存。无论单细胞或多细胞生物，低等抑或是高等生物，都广泛存在与其他生物的共生关系(Symbiotics)，植物与微生物间也是如此。在长达4.5亿年的进化过程中，植物与微生物的关系不断演化，从最初的寄生，到最终达成与部分微生物间互惠互利的共生关系，双方互为“好伙伴”。典型代表如豆科植物与根瘤菌，豆科植物给根瘤细菌提供碳水化合物，根瘤细菌则供给植物氮素，促进作物生长。除此之外，被科研人员爱称为“小粉红”的PPFM，也是这类植物共生菌中的佼佼者。
这株“小粉红”，它从哪里来
PPFM(pink-pigmentedfacultativemethylotrophic)为一类粉色色素兼性甲基营养细菌，也叫做甲基杆菌。因为能够合成类胡萝卜素，所以PPFM菌落整体呈现粉红色。
▲PPFM的平板形态（左）与显微镜观察（右）｜图源：慕恩生物
PPFM广泛存在于自然界的土壤、水、作物甚至空气中。在作物上，它们可以形成生物膜，与植物的根、茎、叶表共生，也可以在植物的分生组织中生长，通常每克植物组织中可达到一万至百万个PPFM菌。由于长期生活在植物体的特殊环境里，PPFM与植物已形成了良好的互利共生关系：一方面植物为PPFM提供甲醇等一碳化合物作为食物(碳原)，同时PPFM产生的作物激素对于植物的健康生长发育至关重要。
PPFM，了不起的促生“多面手”
具体来说，PPFM能够为寄主植物提供生长素（IAA）、细胞分裂素（CK）等作物激素，并具有参与植物氮代谢、诱导植物系统抗性、促进种子发芽以及增加植物营养等多重功效。
▲PPFM的多重功效｜制图：慕恩生物
1、增加作物营养：固氮、溶磷、合成铁载体
由于植物没有办法直接使用大气中的氮，因此氮元素通常是最限制植物生长的营养物质之一。植物想要吸收氮，需要通过固氮过程将大气中的氮转化为氨，而这一点，通常只有存在固氮酶的一些原核生物能够做到。PPFM的基因组中具有固氮酶nifH基因(参与固氮的基因)，并可以通过诱导结瘤基因nodA基因在豆科植物根部诱导产生固氮根瘤(Kumaretal.)。根瘤是固氮细菌将大气中的氮转化为氨的专门器官。此外，PPFM中的如Methylobacteriummesophilicum和其他细菌，与植物氮代谢中的脲酶活性密切相关。脲酶(Urease)是一种催化尿素水解成氨和二氧化碳的酶，可以帮助作物吸收氮原。研究发现，PPFM产生的高活性脲酶，可以提升约20-40%的大豆种子发芽率(Douradoetal.)。
▲图源：Pixabay
土壤中另一种基础营养物质是磷元素。在中国土壤中，总磷浓度很高，但大部分以无机化合物的形式与钙、铁或铝结合，或者固定在有机物中，土壤中可溶性磷的浓度通常很低。例如植酸(植酸、肌肌醇六磷酸)，这是土壤中最丰富的有机磷化合物，但却不能被植物直接吸收。在植物根际，有大量的磷酸盐溶解细菌，它们可以将有机和无机不溶性磷酸盐转化为植物可吸收利用的形式。PPFM具有高效溶解无机磷酸盐的能力，参与植物的磷酸盐代谢，对于促进作物生长、增加植物生物量具有非常重要的意义。
此外，PPFM还具有铁载体合成能力。铁元素参与许多生命过程，对所有生命体都必不可缺。但在好氧环境中，铁元素主要以不溶性三价铁离子(Fe3+)的形式存在。铁载体是低分子质量的化合物，对铁有很高的亲和力，能够溶解土壤中的铁元素。PPFM能够通过合成铁载体来释放土壤中的铁离子，促进植物对铁元素的吸收利用，从而有效促进作物生长。
2、抑制病原菌：营养空间竞争、诱导系统抗性
作为植物内共生菌，PPFM与病原菌在寄主植物体内进行养分和空间争夺，能够起到生态占位作用，增强植物抗病能力。
另一方面PPFM可调控作物乙烯含量，乙烯是促进植物器官脱落和衰老的一种植物激素。PPFM可以通过减少植物激素乙烯前体ACC的积累，降低乙烯水平，从而减轻作物受到病原菌侵染后的病害症状(Yimetal.)。
▲PPFM与植物间的相互作用｜Douradoetal.
此外，PPFM还可以通过诱导系统抗性(ISR,Inducedsystemicresistance)来保护寄主植物。PPFM释放的挥发性有机化合物和植物细胞壁降解酶(如糖苷酶、纤维素酶或内切葡聚糖酶、半纤维素酶和果胶酶)，可以作为诱导ISR因子，诱导植物生长和保护植物免受病原体侵害。使用PPFM处理的植物与未处理的对照植物相比，内生菌群落也表现出了不同的变化，再次证明PPFM不仅可以抑制病原菌的生长，而且能够影响植物微生物群落的建立。
3、生物修复：提高植物重金属耐受度
由于现代农业生产中化肥和农药的超量使用，导致土壤中重金属浓度逐年增长。与有机污染物不同，金属不可降解，会在环境中停留相当长的一段时间，而当金属在土壤中高浓度存在时，会极大地影响植物的生长代谢。能够耐受重金属的微生物，可以通过絮凝作用和重金属固定化作用，对受污染的水进行生物修复，从而提高植物的耐受性，甚至在细菌-植物相互作用过程中增加植物的生物量。PPFM这类甲基营养属的微生物巨大潜力之一，就体现在它们对多种重金属{如镍(Ni)、镉(Cd)、钴(Co)、锌(Zn)、铬(Cr)、砷(as)、铅(Pb)和汞(Hg)}的高剂量耐受性上。研究发现，PPFM（Methlobacteriumoryzae）可以通过降低镉(Cd)和镍(Ni)的吸收和促进植株生长，来提高西红柿植株对镉(Cd)和镍(Ni)的耐受度(Kumaretal.)。
4、显著促进作物生长：单用或联用
PPFM能够通过分泌吲哚乙酸（IAA）、细胞分裂素（CK），刺激细胞分裂或植物伸长；通过分泌1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶(ACC)，降低乙烯在植物根部的积累，进而减少落花落果。
在使用上，PPFM可单独在叶面喷雾使用，或与溶磷细菌(BurkholderiapyrorociniaCBPB-HOD)或固氮细菌(AzospirillumbrasilenseCW)结合使用，均可以提高植株的芽长或根长，安全、高效、无害地增加作物产量。而且，与其他有益微生物的共同使用，还可以提高土壤氮化酶、脲酶和磷酸酶活性。例如，将PPFM与偶氮螺旋菌共使用，可显著提高脲酶活性。
在大田条件下，对大豆植株进行了PPFM与日本白斑菌共同使用，并在叶面喷洒PPFM，结果发现，处理的大豆根瘤数量显着增加；在一个含有芽孢杆菌、假单胞菌和偶氮螺旋菌的复合微生物群菌剂，与PPFM共同喷施于种子上以及N、P肥料的土壤再进行棉花种植实验中，PPFM可以有效提高棉花作物的产量(Kumaretal.)。
▲图源：Pixabay
全球范围，“小粉红”大显身手
目前，对于PPFM与植物共生、并促进植物生长的研究，已经在世界多个国家的实验室里得到广泛验证。
而全球范围内，仅有NewleafSymbiotics、Symborg以及FarmersBio-fertilizersAndOrganics三家公司将PPFM作为产业化商品开发。它们被应用于大田作物拌种以及叶面喷施，对于提高作物固氮能力、提升叶绿素含量、保花保果、增加作物产量等多个方面，反响热烈。
在国际上得到广泛研究应用的PPFM，为何在中国却难觅踪迹？从优秀菌株到大规模产业化之间，还有多少路要走？
敬请期待PPFM专题系列（下），看慕恩生物如何将了不起的”小粉红”，开发为作物花果期强效“保护伞”！
[1]DouradoMN,CamargoNevesAA,SantosDS,AraújoWL.Biotechnologicalandagronomicpotentialofendophyticpink-pigmentedmethylotrophicMethylobacteriumspp.BiomedResInt.;:
[2]KumarM,TomarRS,LadeH,PaulD.Methylotrophicbacteriainsustainableagriculture.WorldJMicrobiolBiotechnol.Jul;32(7):.
[3]MadhaiyanM,AlexTH,NgohST,PrithivirajB,JiL.Leaf-residingMethylobacteriumspeciesfixnitrogenandpromotebiomassandseedproductioninJatrophacurcas.BiotechnolBiofuels.Dec21;8:.
[4]YimW,SeshadriS,KimK,LeeG,SaT.EthyleneemissionandPRproteinsynthesisinACCdeaminaseproducingMethylobacteriumspp.inoculatedtomatoplants(LycopersiconesculentumMill.)challengedwithRalstoniasolanacearumundergreenhouseconditions.PlantPhysiolBiochem.Jun;67:95-.
王科晶——农业微生物筛选部研发经理
台湾大学植物科学院硕士，长期从事作物生长调控以及农业微生物防治菌株筛选应用研究。