Plant Growth Promoting Bacteria: Their Potential
in Sustainability of Agroecosystems

احمد غلامی ^{* 1}، سمیه نظارت² و آتنا بیاری²

1- عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شاهرود 2- کارشناس ارشد زراعت

* مکاتبه کننده: ahgholami@yahoo.com

 چکیده

انواعی از باکتری‏های خاکزی موجود در ریزوسفر که می‏توانند رشد گیاهان را تحریک نمایند در اصطلاح باکتری ‏های محرک رشد گیاه (PGPR) نامیده می‏شوند. مهمترین مرحله در برقراری ارتباط بین این باکتری ‏های سودمند و گیاه میزبان، کلونیزاسیون ریشه‏ها توسط باکتری ‏های PGPR است که بسیاری از عوامل زیستی و غیرزیستی می ‏توانند این ارتباط پیچیده را تحت تأثیر قرار دهند. پس از ایجاد کلونیزاسیون، باکتری‏ های محرک رشد گیاه با افزایش رشد گیاهچه، توسعه سیستم ریشه ای و افزایش مقاومت گیاه در برابر بیماری‏ها از طریق بهبود رشد و سلامت گیاه سبب افزایش عملکرد گیاهان زراعی می‏ گردند. این باکتری‏ ها از یک یا چند مکانیسم مختلف برای تحریک رشد گیاه استفاده می ‏کنند. تحریک رشد گیاهان با این مکانیسم‏ ها می‏ تواند به صورت مستقیم مانند بهبود تغذیه گیاهی یا غیر مستقیم مانند تأثیر بر سلامت گیاه با حذف عوامل بیماری زا انجام پذیرد. در این مطالعه عوامل زیستی و غیر زیستی موثر بر کلونیزاسیون باکتری‏ ها و نیز انواع مکانیسم‏های افزایش رشد گیاهان توسط این باکتری‏ ها مورد بررسی قرار گرفته است.

واژه‌های کلیدی: باکتری‏های محرک رشد و پایداری اکوسیستم‏های زراعی

مقدمه

 کودهای زیستی مواد نگهدارنده‏ای با انبوه متراکم یک یا چند نوع موجود مفید خاکزی و یا به صورت فرآورده متابولیت این موجودات می باشند که در ناحیه اطراف ریشه و یا بخش‏های داخلی گیاه تشکیل کلونی داده و رشد گیاه میزبان را با روش‏های مختلف تحریک می کنند (Singh and Kapoor, 1999).در بین ریزجانداران خاک که توانایی تبدیل شدن به کود زیستی را دارند می توان به باکتری‏های ریزوسفری اشاره نمود. به دلیل وجود ترشحات ریشه‏ای و مواد غذایی فراوان حضور و فعالیت جامعه زنده میکروارگانیسم‏ها در ریزوسفر بسیار چشمگیرتر از خاک اطراف این منطقه می باشد.

ارتباط باکتری‏های محرک رشد و گیاه میزبان

حرکت باکتری در خاک :برقراری ارتباط بین باکتری‏ها و گیاه میزبان در ابتدا نیازمند حرکت و جابه جایی آنها از محل تلقیح به سمت ریشه و اتصال به آن است. مطالعه باکتری‏ها نشان می دهد که حرکت فعال خود باکتری در قابلیت حرکت به سمت ریشه و کلونیزاسیون نقش مهمی ایفا می نماید (Toro et al., 1997). باکتری های Azospirillumمی توانند از فاصله 30 سانتی متری به صورت افقی خود را به مجاورت ریشه برسانند (Bashan and Holguin, 1994). اسچر و همکاران (نقل از Sarwar et al., 2000) نشان دادند که وجود بذر و یا ترشحات ریشه در محیط، جابه جایی سویه‏های مختلف Pseudomonas را به سمت ریشه سویا تحریک می نماید.

کلونیزاسیون و ارتباط با ریشه:باکتری‏های مختلف در صورتی می توانند بر گیاه اثر گذاشته و رشد آن را تحریک نمایند که پس از قرار گرفتن در موقعیت مناسب ریزوسفر، سطح ریشه و یا بخش‏های داخلی ریشه را کلونیزه نمایند (Glick, 1995). تفاوت در pH خاک، پتانسیل آبی و فشار جزئی اکسیژن از جمله تغییراتی است که از طریق ترشحات گیاه بروز می نماید. برای اتصال باکتری به ریشه دو مرحله مختلف در نظر گرفته می شود: مرحله اول، اتصال ضعیفی است که توسط پروتئین‏های باکتری صورت گرفته و فاز جذب نام دارد (Van Overbeek et al., 2002). مرحله دوم فاز اتصال به ریشه نامیده می شود که 16-8 ساعت پس از تلقیح رخ داده و از مرحله اول قوی تر است و به کمک ترکیبات چربی و قندی موجود در فضای بین سلولی در باکتری صورت می گیرد. این دو مرحله مستقل از یکدیگر عمل می نمایند.

 عوامل موثر بر کلونیزاسیون ریشه

عوامل محیطی: شدت جذب باکتری‏ها به اجزای خاک، به نوع خاک ( pH خاک، میزان مواد آلی، محتوای رس و تعداد کاتیون‏های چند ظرفیتی) و ویژگی‏های باکتری (نقطه ایزوالکتریک، برخی ضمائم سلولی و تولید پلی مرهای خارج سلولی مانند پلی ساکاریدها) بستگی دارد. گاماک و همکاران (Gammack et al., 1992) نشان دادند که وجود باکتری‏های تلقیح شده با درصد رس، محتوای مواد آلی و نیتروژن خاک همبستگی مثبت داشت. این در حالی است که بین بقا و درصد شن و نیز مقدار CaCO₃ همبستگی منفی مشاهده شد.

ترشحات ریشه گیاه :ترشحات ریشه گیاه مخلوط پیچیده‏ای از ترکیبات شیمیایی و آلی است که از طریق ریشه‏ها به خاک تراوش کرده و اثرات مختلفی در خاک ایجاد می کند (Jaeger et al., 1999). بین 40 تا 90 درصد کربنی که از اندام‏های هوایی به ریشه منتقل می شود از آن خارج و در ریزوسفر قرار می گیرد که اساس جریان کربن در ریزوسفر را تشکیل می دهد
(Lynch and Whipps, 1990).

ویژگی‏های باکتری :توانایی باکتری‏های وارد شده به محیط از طریق تلقیح، برای رقابت با سایر موجودات به منظور کسب عناصر غذایی از جمله دیگر عوامل موثر در موفقیت کلونیزاسیون است. گونه گیاهی می تواند بر ترکیب موجودات ریزوسفری تأثیر داشته و تنوع و بقا گونه‏ها را تحت تأثیر قرار دهد (Lemanceau et al., 1995).

اثرات مفید باکتری‏های محرک رشد بر گیاهان :تحریک رشد گیاهان توسط باکتری‏های ریزوسفری می تواند به دو روش مستقیم و غیرمستقیم رخ دهد. در روش مستقیم باکتری‏ها از طریق تثبیت نیتروژن اتمسفری، افزایش قابلیت دسترسی عناصر غذایی در ناحیه ریزوسفر، افزایش سطح تماس ریشه، تولید تنظیم کننده‏های رشد و بهبود همزیستی‏های مفید با گیاه میزبان در مراحل مختلف رشد، اثرات سودمند خود را نشان می دهند (Glick, 1995).

تثبیت بیولوژیکی نیتروژن:اصلی ترین انواع تثبیت کننده نیتروژن مربوط به باکتری‏های اندوفیتی مانند ریزوبیوم است که در شرایط برقراری همزیستی با گیاه میزبان (به ویژه تیره بقولات) می تواند اثرات متقابل باکتری‏ها و گیاهان را به خوبی نشان دهند (Glick, 1995). علاوه بر انواع باکتری‏های همزیست تثبیت کننده نیتروژن، انواع آزادزی و یا همیاری نیز وجود دارند که می توانند به طور مستقیم در توان تولید گیاهان مداخله نموده و رشد آنها را افزایش دهند (Jacoud et al., 1998).

 مقدار نیتروژن تثبیت یافته در رطوبت خاک کمتر از 25 درصد ظرفیت زراعی کاهش می یابد(Rao, 1976). علاوه بر عوامل فوق، شدت نور، غلظت اکسیژن و pH بر فعالیت آنزیم نیتروژناز و در نتیجه، تثبیت نیتروژن موثر است.

تولید تنظیم کننده‏های رشد: تولید انواع مختلفی از تنظیم کننده‏های رشد گیاهی توسط باکتری‏های محرک رشد یکی از مهمترین روش‏های تأثیر PGPR بر بهبود رشد گیاهان گزارش شده است (De Salamone et al., 2001).

اکسین ها: تخمین زده شده است که 80 درصد باکتری های ایزوله شده از ریزوسفر قادر به تولید IAA هستند
(Patten and Glick, 1996). حضور IAA و ترکیبات مرتبط در محیط رشد بسیاری از باکتری های محرک رشد اثبات شده است. مطالعات نشان داده است که باکتری های PGPR از طریق سنتز هورمون اکسین قادر به تحریک رشد گیاه می باشند.

سیتوکینین ها:انواع میکروارگانیسم‏ها قادرند سیتوکینین را از پیش ماده آدنین (ADE) تولید نمایند
(Nieto and Frankenberger Jr., 1989b). تولید سیتوکینین از آدنین و الکل ایزوپنتیل (IA) در حضور Azotobacter و Pseudomonas در محیط کشت به اثبات رسیده است (Nieto and Frankenberger Jr., 1989a). کاربرد توام ADE، IA و Azotobacter تأثیر معنی داری بر رشد ذرت در مقایسه با شاهد نشان داد که بیانگر توانایی باکتری در تبدیل ADE+IA به سیتوکینین قبل از جذب از طریق ریشه گیاه است (.Nieto and Frankenberger Jr., 1991).

جیبرلین ها: شواهد تولید GA توسط باکتری‏های محرک رشد بسیار کم است (Rademacher, 1994)، هرچند که برخی از مطالعات بیان می کنند که میکروارگانیسم های تولید کننده این هورمون قادر به تحریک رشد گیاه میزبان خود از طـریق سنتز GAs فعال آزاد شده، هستند. گوتیرز- مانرو و همکاران (Gutierrez-Manero et al., 2001) انواعی از GA را شناسایی نمودند که Bacillus sp.تولید کرده و تأثیر مثبتی بر طویل شدن ریشه و اندام‏های هوایی در Alnus glutinosa داشت.

اتیلن :بسته به میزان غلظت، فرآیندهای فیزیولوژیکی طبیعی و مرحله رشدی گیاه، این ترکیب می تواند اثر تحریک کنندگی و یا بازدارندگی داشته باشد. تحقیقات گلیک و همکاران (Glick et al., 1998) نشان داد که برخی از انواع باکتری‏های محرک رشد، آنزیم ACC deaminaseرا تولید می کنند. این آنزیم ACC پیش ماده تولید اتیلن در گیاهان به شمار می رود. به این ترتیب فعالیت ACC deaminase کاهش تولید اتیلن در ریشه را به همراه داشته و لذا رشد ریشه بیشتر می شود.

افزایش دسترسی گیاه به فسفر:اگرچه انواع باکتری‏های حل کننده فسفات (به ویژه جنس‏های باسیلوس و سودوموناس) به طور طبیعی در خاک یافت می شوند ولی تعداد و جمعیت آنها برای رقابت با سایر باکتری‏های موجود در ریزوسفر کافی نیست (Richardson, 2001). بعلاوه باکتری‏های درگیر در محلول سازی فسفر می توانند با روش هایی چون قابلیت دسترسی به عناصرغذایی مانند آهن و تولید مواد محرک رشد، عملکرد و رشد گیاه را تحت تأثیر قرار دهند (Richardson, 2001).

افزایش مقاومت نسبت به تنش ها: ساریج و همکاران (Sarig et al., 1988) گزارش کردند که بوته های سورگوم تلقیح یافته با آزوسپیریلوم به میزان کمتری تحت تاثیر تنش خشکی قرار گرفتند. همچنین کاربرد ماده تلقیح موجب افزایش پتانسیل آبی برگ‏ها و کاهش دمای کانوپی در مقایسه با گیاهان تلقیح نیافته شد. بنابراین افزایش عملکرد سورگوم در گیاهان تلقیح یافته به بهبود استفاده از رطوبت خاک وابسته بود. سرئوس و همکاران (Creus et al., 1998) اثرات تلقیح  A. brasilense SP245 را بر روابط آبی در 2 رقم گندم مطالعه کردند. آنها دریافتند که آزوسپیریلوم رشد گیاهچه های گندم را در شرایط تاریکی و تنش شوری افزایش داد.

 تولید ویتامین ها:محققین گزارش کردند که ازتوباکتر، آزوسپیریلوم و سویه های ریزوبیوم قادر به سنتز برخی و یا تمام ویتامین های گروه B محلول در آب شامل نیاسین، اسید پنتوتنیک، تیامین (B₁)، ریبوفلاوین (B₂)، سیانوکوبالامین (B₁₂)، پیریدوکسین (B₆) و بیوتین در محیط کشت مشخص شده هستند.

کنترل زیستی:تأثیر باکتری‏های محرک رشد بر زندگی گیاه به طور غیرمستقیم با کاهش آسیب عوامل بیماری زای گیاهی نیز صورت می پذیرد. این عمل یا با اثر آنتاگونیستی باکتری بر عوامل بیماری زای خاکزی و یا از طریق القای مقاومت سیستمیک در برابر عوامل بیماری زای اطراف گیاه رخ می دهد (Haas and Defago, 2005).

تولید آنتی بیوتیک ها: عمده مطالعات بر روی باکتری‏های ریزوسفری با توانایی تولید آنتی بیوتیک‏ها در مورد P.  fluorescens انجام شده است. به طوری که مشتقات فنازین به عنوان اولین آنتی بیوتیک‏های شناسایی شده در کنترل زیستی، از این باکتری جداسازی شده اند. اثر تولید فنازین توسط P. chlororaphis برای مقابله با انواع قارچ‏ها توسط برخی محققین تأیید شده است (Chin-A-Woeng, 2000).

تولید سیدروفورها :اتصال سیدروفور تولید شده توسط باکتری‏ها به یون Fe³⁺ و تشکیل کلات آهن، این عنصر غذایی را از دسترس انواع عوامل بیماری زای گیاهی خارج کرده و به این ترتیب رشد گیاه مورد حمایت قرار می گیرد
(Kloepper et al., 1988). P. fluorescens با تولید چنین ترکیبی می تواند به عنوان عامل کنترل کننده Pythium uttimum عمل کند
(Ramesh Kumar et al., 2002).

حذف عوامل بیماری زا:مکانیسم دیگری که می تواند در کنترل زیستی نقش مهمی ایفا کند، از بین بردن عوامل بیماری زای گیاهی خصوصا برخی از قارچ‏ها است. انحلال دیواره سلول عامل بیماری زا با ترشح آنزیم‏های مختلفی چون پروتئازها، کیتانازها و گلوکانازها انجام می شود. P.stutzeri کیتیناز و لامیناریناز ترشح می نماید که قادر است میسیلیوم قارچ Fusarium solani را حل کند (Ramesh Kumar et al., 2002).

کنترل زیستی با القای مقاومت سیستمیک :بر این اساس افزایش مقاومت به کمک یک عامل القاء کننده و پس از سرایت عامل بیماری زا، مقاومت سیستمیک القاء شده نامیده می شود. تلقیح گیاهان با انواع باکتری‏های محرک رشد به ویژه جنس Pseudomonas می تواند مقاومت سیستمیک گیاهان در برابر انواع عوامل بیماری زا را افزایش دهد.

افزایش همزیستی‏های مفید با گیاه میزبان :این باکتری‏ها با سایر میکروارگانیسم‏های ریزوسفر نیز می توانند حالت سینرژیست و یا تشدید کننده اثرات مفید داشته باشند. در بررسی‏های مختلف مشخص شده است که عمده ترین عامل مؤثر در کمک باکتری‏های محرک رشد به همزیستی ریزوبیوم و بقولات ناشی از ترشح هورمون‏های گیاهی (به ویژه IAA) و در نتیجه افزایش رشد ریشه است.

جمع بندی

 به منظور دستیابی به افزایش تولید گیاهان کشاورزی در واحد سطح اقدامات زیادی نظیر مصرف بیشتر کودهای شیمیایی و سموم صورت گرفته است. نتیجه این فعالیت‏ها در طی سال های اخیر بحران آلودگی های محیط زیست و به ویژه آلودگی منابع خاک و آب بود که زنجیره وار به منابع غذایی انسان‏ها راه یافته و سلامت جوامع انسانی را مورد تهدید قرار داده است. به این منظور تلاش های گسترده ای با هدف یافتن راهکارهای مناسب برای بهبود کیفیت خاک، محصولات کشاورزی و حذف آلاینده‏ها آغاز شده است. کاهش این مخاطرات زیست محیطی و در عین حال افزایش عملکرد گیاهان زراعی نیازمند بکار گیری تکنیک‏های نوین زراعی است. از جمله این تکنیک ها، بررسی و ارزیابی جامعه زنده و فعال خاک به منظور شناسایی ریزموجودات خاکزی سودمند و استفاده از آنها به عنوان کودهای زیستی است. این تولیدات زیستی در برخی موارد به عنوان جایگزین و در اکثر موارد به عنوان مکمل کودهای شیمیایی می توانند پایداری تولید را در نظام‏های کشاورزی تضمین کنند.

 منابع مورد استفاده

Bashan, Y. and G. Holguin. 1994. Root-to-root travel of the beneficial bacterium Azospirillum brasilenset. Appl. Environ. Microbiol 60(6): 2120-2131.

Chin-A-Woeng, T. F. 2000. Root colonization by phenazine-1-carboxamide-producing bacterium Pseudomonas chlororaphis PCL1391 is essential for biocontrol of tomato foot and root rot. Mol. Plant. Microbe. Interact. 13(12): 1340-1345.

Creus, C. M., R. J. Sueldo and C. A. Barassi. 1998. Water relations in Azospirillum-inoculated wheat seedlings under osmotic stress. Can. J. Bot. 76: 238–244.

De Salamone, I. E. G., R. K. Hynes and L. M. Nelson. 2001. Cytokinin production by plant growth promoting rhizobacteria and selected mutants. Can. J. Microbiol. 47: 404–411.

Gammack, S. M., E. Paterson, J. S. Kemp, M. S. Cresser and K. Killhan. 1992. Factors affecting the movement of microorganisms in soils. Soil. Biol. Biochem.7: 263- 305.

 Glick, B. R. 1995. The enhancement of plant growth by free-living bacteria. Can. J. Microbiol. 41: 109–117.

Glick, B. R., M. Donna Penrose and L. Jiping. 1998. A model for the lowering of plant ethylene concentrations by plant growth-promoting bacteria. Journal of Theoretical Biology 190 (1): 63-68.

Gutierrez-Manero, F. J., B. Ramos-Solano, A. Probanza, J. Mehouachi, F. R. Tadeo and M. Talon. 2001. The plant-growth promoting rhizobacteria Bacillus pumilus and Bacillus licheniformis produce high amounts of physiologically active gibberellins. Physiol. Plant. 111: 206–211.

Haas, D. and G. Defago. 2005. Biological control of soil-borne pathogens by fluorescent pseudomonads. Natur. Rev. Microbiol. 3(4): 307-319.

Jacoud, C., D. Faure, P. Wadoux and R. Bally. 1998. Development of a strain specific probe to follow inoculated Azospirillum lipoferum CR T1 under field conditions and enhancement of maize root development by inoculation. FEMS Microbiol. Ecol.27: 43–51.

Jaeger, C. H., S. E. Lindow, W. Miller, E. Clark and M. K. Firestone. 1999. Mapping of sugar and amino acid availability in soil around roots with bacterial sensors of sucrose and tryptophan. Appl.Enviorn.Microbiol. 65: 2685-2690.

Kloepper, J. W., R. Lifshitz and A. Novacky. 1988. Pseudomonas inoculation to benefit plant production. Anim.Plant. Sci. 60-64.

Lemanceau, P., T. Corberand, L. Gardan, X. Latour, G. Laguerre, J. M. Boeufgras and C. Alabouvette. 1995. Effect of two plant species, Flax (Linum usitatissinum L.) and Tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) on the diversity of soilborne populations of fluorescens pseudomonads. Appl. Environ. 61: 1004- 1012.

Lynch, J. M. and J. M. Whipps. 1990. Substrate flow in the rhizosphere. Plant. Soil. 129: 1-10.

Nieto, K. F. and W. T. Frankenberger Jr. 1989a. Biosynthesis of cytokinins produced by Azotobacter chroococcum. Soil. Biol.Biochem. 21: 967-972.

Nieto, K. F. and W. T. Frankenberger Jr. 1989b. Biosynthesis of cytokinins in soil. Soil. Sci. Soc. Am. J. 53: 735-740.

Nieto, K. F. and W. T. Frankenberger Jr. 1991. Influence of adenine, isopentyl alcohol and Azotobacter chroococcum on vegetative growth of Zea mays. Plant. Soil. 135: 213-221.

Patten, C. L. and B. R. Glick. 1996. Bacterial biosynthesis of indole-3-acetic acide. Can. J. Microbiol. 42: 207-220.

Rademacher, W. 1994. Gibberellin formation in microorganisms. Plant Growth Regul. 15: 303–314.

Ramesh Kumar, N., V. Thirumalai Arasu and P. Gunasekaran. 2002. Genotyping of antifungal compounds producing plant growth-promoting rhizobacteria, Pseudomonas fluorescens. Cur. Sci. 82: 12- 25.

Rao, V. R. 1976. Nitrogen fixation as influenced by moisture content, ammonium sulphate and organic sources in a paddy soil. Soil. Biol. Biochem. 8: 445-448.

Richardson, A. E. 2001. Prospects for using soil microorganisms to improve the acquisition of phosphorus by plants. Aust. J. Plant. Physiol. 28: 897–906.

Sarig, S., A. Blum and Y. Okon. 1988. Improvement of the water status and yield of field-grown grain sorghum (Sorghum bicolor) by inoculation with Azospirillum brasilense. J. Agric. Sci. 110: 271–277.

Sarwar, K. S., M. Rahman and S. Khan. 2000. Grain filling rate and nutrient uptake of rice as influenced by bacterial inoculation. Bull. Inst. Trop. Agric. Kyushu Univ. 23: 27–33.

Singh, S. and K. K. Kapoor. 1999. Inoculation with phosphate solubilizing microorganisms and a vesicular arbuscular mycorrhizal fungus improves dry matter yield and nutrient uptake by wheat grown in a sandy soil. Biol. Fertil. Soils 28: 139–144.

Toro, M., R. Azcon and J. M. Barea. 1997. Improvement of arbuscular mycorrhizal development by inoculation of soil with phosphate solubilizing rhizobacteria to improve rock phosphate bioavailability (32P) and nutrient cycling. Appl. Environ. Microbiol. 63: 4408–4412.

Van Overbeek, L.S., M. Cassidy, J. Kozdroj, J. T.Trevors and J. D. van Elsas. 2002. A polyphasic approach for studying the interaction between Ralstonia solanacearum and potential control agents in the tomato phytosphere. J.Microbiol. Meth. 48: 69–86