内生菌对植物抗干旱胁迫能力的影响研究进展

曹凯 李远婷 安登第 张瑞

（新疆师范大学生命科学学院　新疆特殊环境物种保护与调控生物学实验室，乌鲁木齐　830054）

内生菌对植物抗干旱胁迫能力的影响研究进展

曹凯 李远婷 安登第 张瑞

（新疆师范大学生命科学学院新疆特殊环境物种保护与调控生物学实验室，乌鲁木齐830054）

随着我国经济的发展和人口的增加，人们对水资源的需求不断增加，许多地区出现不同程度的干旱半干旱现象，土地干旱直接制约着我国农作物的产量。提高农作物的抗旱性是我国农业发展亟待解决的难题。植物内生菌分布于没有外在感染症状的健康植物组织内，并与宿主植物协同进化，其增强宿主植物抗逆性的特性引起了研究者的重视，并使之成为了新的研究热点。主要综述植物内生菌对植物抗干旱能力的影响。

植物内生菌；干旱胁迫；抗性

人类对内生菌（Endophyte）的研究起始于19世纪中叶，最早由De Bary（1886年）提出植物内生菌的概念，之后大约100年间，科学家先后在几种牧草中发现了内生真菌，但对植物内生菌并没有进行更深入的研究［1］。直到1993年，Stierle［2］报道了从短叶紫杉的树皮中分离出一株内生真菌（Taxomyces andreanae）能产生紫杉醇（Taxol），科学家们对植物内生菌的研究才开始广泛起来。植物内生菌几乎存在于目前所有已研究过的植物中，具有分布广种类多等特点。

植物内生菌是指那些在其生活史的一定阶段或者全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的微生物（多数为真菌或细菌），且被感染的宿主植物（至少是暂时）无明显的病害作用。尽管其在宿主体内的生物量不多，但可以通过自身代谢产物或产生各种化学物质，借助于信号传导作用对宿主植株施加影响。内生菌与植物之间的共生关系对植物抗病虫害、抗干旱有显著的影响，这一现象成为国内外学者广泛关注的热点。

随着经济发展和人口增加，人们对水资源的需求也不断增加，再加上存在对水资源的不合理开采和利用，很多国家和地区出现不同程度的缺水问题。在我国尤其是干旱和半干旱地区，缺水问题一直是限制农业生产的最主要因子之一。如何通过提高作物的抗旱性来增加粮食产量、节约资源和改善环境，已成为我国农业持续高效发展的重大课题。对植物内生菌的研究可望为植物的抗旱性研究提供新的思路，因此人们对于内生菌对植物抗旱性的影响及其在农业上的应用潜力日益关注［3］。

1 植物内生菌的多样性

植物内生菌主要包括植物内生真菌、植物内生细菌和植物内生放线菌［4-6］，目前对于内生放线菌的研究还比较少。

目前已经从上百种植物中发现了内生菌，其中仅与290多种禾本科植物共生的内生真菌就约33个种，且从非禾本科植物的内生真菌中也已鉴定出了7个新属，约20多个新种［7-9］。多数内生真菌属于子囊菌纲（Ascomycetes），包括盘菌纲（Discomyetes）、核菌纲（Pyrenomyetes）和腔菌纲（Loculoascomyetes）的许多种类及其一些衍生菌［10］。

相较于内生真菌，内生细菌在植物中的数量要少许多，据不完全统计，已从小麦、柠檬、棉花、水稻、番茄、马铃薯和柑桔等近30种植物中分离出了近60个属的内生细菌，其中约有2/3为革兰氏阴性细菌［11，12］。这些内生细菌多是土壤微生物，常见的属有芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、肠杆菌属（Enterobacter）等，同时也发现了很多新种［10］。

近些年来关于内生放线菌的报道也逐渐增多，1992年，Saarcchi等［13］对意大利近30种植物根部进行表面消毒分离培养出了大量放线菌。此外，还从赤杨根际及根瘤中分离出一个Amycolata的新种（A. alni）［14］。我国也报道了从香蕉、棉花等植物中分离出内生放线菌［15-17］。目前已被描述的放线菌约有180个属，4000多种［18］。主要的属有链霉菌属（Streptomyces）、弗兰克氏菌属（Frankia）、游动放线菌属（Antinoplanes）、链轮丝菌属（Streptoverticillum）、小单胞菌属（Micromonospora）和诺卡氏菌属（Nocardia）等［6］，弗兰克氏菌被作为固氮菌广泛研究。目前已报道近200个树种具有与弗兰克氏菌共生结瘤固氮的能力［19］。

2 植物内生菌对植物抗干旱能力的影响

2.1 提高渗透调节物质的含量和抗氧化活性

植物在干旱环境下，如同受到了渗透胁迫，其机体细胞主动积累溶质，从而降低渗透势和水势，以维持膨压，进行渗透调节。当植物受到干旱胁迫时，其代谢过程中产生活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的途径与ROS清除系统之间的平衡被破坏，ROS的合成速率远大于降解速率，使ROS在细胞中积累，过量时引发膜脂过氧化作用，而其产物丙二醛（MDA）也会严重损害细胞膜系统。在轻度胁迫时，ROS清除系统酶的活性增加，缓解ROS造成的伤害，使植物的抗氧化能力提高［20-22］。因此，提高渗透调节物质的含量和增加抗氧化活性，是内生菌对宿主植株抵御干旱等逆境的重要手段。

植物中积累的渗透调节物质主要有两类：一是外界环境进入细胞中的无机离子，如K+、Cl-等；二是在细胞内合成的有机溶质，如脯氨酸、可溶性糖等。清除ROS的抗氧化系统主要包括：一是抗氧化酶类，如过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽还原酶（GR）等；二是非酶类抗氧化剂，如还原型谷胱甘肽（GsH）、抗坏血酸（AsA）、生物碱等。

很多研究表明，内生细菌可以通过改变渗透调节物质含量和抗氧化活性使宿主植株更好地适应干旱环境。Saravanakumar等［23］测定了植物内生细菌在干旱胁迫下通过诱导绿豆植物中水胁相关蛋白和酶的活性以增强其抗旱性，研究发现，接种P. fluorescens Pf1不仅能增加绿豆苗的活力指数、鲜重和干重，而且相比较未接种（E-）的绿豆苗，接种（E+）的绿豆苗有更好的CAT和POD活性，并积累更多的脯氨酸，能够更好地抵御水分胁迫。Vardharajula等［24］选用耐受干旱的Bacillus spp.菌株测定其在干旱胁迫下对玉米生长的影响，经过研究，Bacillus spp.菌株一方面通过增加脯氨酸等游离氨基酸和可溶性糖的含量，减少电解质的泄漏，影响渗透调节；而另一方面却降低APX、CAT、GR的活性，但最终表现出的生理反应仍可减轻干旱胁迫对植株造成的不利影响。Armada等［25］发现内生细菌通过增加K+含量、抑制气孔导度、控制植株芽部脯氨酸的积累，促进薰衣草生长，并且与GR和APX的下降相关联，使E+薰衣草植株更好地适应干旱，且E+薰衣草植株比E+丹参植株有更高的茎根比、更低的气孔导度及更高的APX和GR活性，植物低茎根比和高的气孔导度是控制内生细菌改善植株营养生理和代谢物质活性的重要因素，从而导致E+薰衣草植株适应干旱的能力更强。由此可见，内生细菌对植物体内渗透调节物质的含量和抗氧化系统能力的影响具有差异性，因内生菌的种类、植物的种类和干旱胁迫程度而异。

而在很多植物中，与之共生的内生真菌也通过提高渗透调节物质的含量来增加宿主的抗旱性。Bae等［26］认为干旱诱导可可叶中许多氨基酸的浓度增加，而用T. hamatum定植于可可植物中可以使天冬氨酸磺酸合成谷氨酸的浓度减少，丙氨酸、γ-氨基丁酸浓度增加。研究发现，不论是否进行干旱胁迫，E+植株都促进可可苗的生长，导致根鲜重、根干重和含水量增加。Sun等［27］认为在干旱胁迫下，由内生真菌P. indica定植的植株类囊体膜相关Ca2+感受器、CASmRNA水平和CAS蛋白数量增加，增加了植株干旱胁迫的耐受。Shukla等［28］研究也发现，内生真菌T. harzianum定植植株可使植株脯氨酸、MDA和H2O2含量下降，以及酚类和MSI增加。

内生真菌不仅可以改变植株的渗透调节物质含量，而且可以通过调节宿主植株的抗氧化系统，增加生物和非生物胁迫耐受。Hamilton等［29］认为内生真菌可以通过改变宿主的抗氧化性来缓解非生物胁迫，在干旱胁迫下，内生真菌定植于宿主中，与宿主植株共生，真菌与植株相互作用，产生生物碱，提高植株的抗氧化性，缓解来自环境中的生物和非生物胁迫。Khan等［30］在15%聚乙二醇（PEG）模拟的渗透胁迫下，用内生真菌定植于植株的同时外源性的应用水杨酸（SA）发现，不仅宿主植株的茎长和叶绿素含量增加，而且增加了宿主的生物量修复，研究发现，E+辣椒植株在渗透胁迫下细胞损伤低且光合速率高，而SA增强了P. resedanum LK6在宿主根部的定植率，内生真菌与SA联合起来通过增加总多酚含量，减少GsH、CAT、POD和多酚氧化酶来减少ROS产量。Yang等［31］通过给Atractylodes lancea接种内生真菌A. strictum发现，在轻度干旱时，E+植株通过提高叶片可溶性糖、蛋白质、脯氨酸含量以及抗氧化酶活性，减少原生质膜氧化程度，增加宿主ABA水平及根/茎比率来缓解干旱胁迫，然而在正常浇水以及重度干旱时，这些影响不显著，说明内生真菌对宿主的益处高度依赖于环境。

印度梨形孢（Piriformospora indica）是蜡壳耳目的根际内生真菌，它与植物共生可以促进植物生长，并且赋予宿主抵抗生物胁迫和非生物胁迫的能力。Sun等［27］研究发现当E+植株暴露于PEG模拟的干旱胁迫下时，宿主细胞内的POD、CAT和SOD的活性在24 h内上调，抗氧化酶活性上升，以及其他相关基因表达水平的变化，都提高了宿主植株耐受干旱的能力。木霉属（Trichoderma spp.）是植物内生共生菌，广泛用作种子处理剂来控制疾病以及增强植物的生长和产量。Mastouri等［32］用T. harzianum菌株T22处理种子，并将处理过的种子暴露于能致种子病害的生物胁迫和干旱、盐、冷等非生物胁迫中，然而对于不同胁迫，真菌-种子关联表现出了一致的反应，说明真菌-种子共生增强各种胁迫耐受的机制相同，在胁迫下植株都表现出有害的ROS积累，而E+幼苗则能够减少其中脂质过氧化物的积累，增加非酶类抗氧化剂的含量，消除有害ROS，当给干旱胁迫中的幼苗外源性的应用抗氧化剂和GsH时，表现出与接种T22有相似且积极的效果，说明干旱胁迫下接种T. harzianum菌株T22能够增加幼苗活力，诱导生理保护，使植株免受氧化损伤。

2.2 调节干旱相关基因

植物在接种内生菌后，不仅能通过改变渗透调节和抗氧化能力来改善植株适应干旱的能力，也会诱导植物干旱相关基因上下调，改变基因表达含量，进而调节耐受干旱的能力。

Timmusk等［33］认为接种植物根际促生细菌可以诱导植物基因表达的改变，对于E+植株进行生物胁迫和非生物胁迫，其中包含干旱胁迫，调查其基因表达的变化发现，曾被鉴定为干旱胁迫应答相关基因ERD15的表达发生了变化，推测内生细菌可通过改变干旱相关基因表达来增加植株的干旱耐受。Wang等［34］研究发现接种植物内生细菌的拟南芥植株有95个基因有规律的上调，105个基因下调，经验证，这些上调基因包括参与代谢的基因、信号传导基因和应急反应基因，且推测生长素调节基因和根瘤素状基因是上调的，而一些乙烯应答基因下调。

内生真菌与植株共生也可通过改变植株干旱相关基因的表达或表达水平来增加植株的干旱耐受。Sherameti等［35］将有内生真菌P. indica定植的拟南芥暴露于干旱胁迫3 h后，脱水响应29A、早期脱水响应1、ANAC072转录因子、脱水响应原件结合蛋白2A、SDIR1基因、磷脂酶Dδ、钙调磷脂酶B样蛋白（CBL）1、CBL-相互作用蛋白激酶3和组蛋白乙酰转移酶（HAT）这9个基因表达水平上调，而未定植的拟南芥幼苗信息水平增加很少。因此认为，内生真菌P. indica通过关联幼苗叶片上多种胁迫相关蛋白，赋予拟南芥抗旱能力。当把E+幼苗移栽到土中时，磷脂酶Dδ、CBL1和HAT基因表现为更快的上调，说明内生真菌定植也可以使植株在土中更好的生长。Bae等［26］检测到干旱胁迫时可可植株有19个表达序列标签（ESTs）发生改变，而真菌定植可使植株延缓干旱对7个ESTs的表达改变。Sun等［27］也发现在干旱胁迫下已定植植株叶片中干旱相关基因DREB2A、CBL1、ANAC072和RD29A的表达水平上调，且得出结论，内生真菌P. indica在中国大白菜叶片上建立抗旱性的3个关键原因其中之一就是干旱相关基因表达水平的改变。

2.3 改变植株的生理指标

植物在受到干旱胁迫时，其叶片中生物量、水势、相对含水量、光合速率以及其谷物中的离子含量都会发生变化。Arshad等［36］认为接种了含ACC-脱氨酶的内生细菌可使豌豆明显减少干旱胁迫对植株造成的影响，干旱胁迫下E-植株茎枝条生长减少41%，而E+植株仅减少18%，且E+植株的粮食产量比未接种未胁迫的植株要高40%-62%，果荚形成也被推迟，暗示乙烯的产量减少，推测接种含ACC-脱氨酶的内生细菌可能部分或全部抵消干旱胁迫诱导乙烯的抑制效果。Sandhya等［37］也认为在干旱胁迫时E+植株增加了植物存活率和生物量。Naveed等［38］研究发现，干旱胁迫影响了小麦幼苗的生理生化和生长参数，减少了小麦中CO2吸收、气孔导度、相对含水量、蒸腾速率和叶绿素含量，E+小麦明显稀释了干旱对相对含水量和CO2吸收率的不利影响，从而提高了光合速率、水分利用率和叶绿素含量，改善了离子平衡和抗氧化水平，增加了N、P、K和蛋白质浓度，且比E-植株有更好的谷物产量，这一系列改变都使得接种内生细菌的小麦在干旱条件下更好的生存。

一部分植物内生细菌通过产生胞外多糖（Exopoly saccharides，EPS），增大附着于根部土壤（RAS）的间隙，增加附着于根部的土壤干重/根组织干重（RAS/RT）的比率，改善土壤团聚体稳定性等，以调节土壤中水分过量或不足造成的胁迫。如Amellal等［39］认为接种内生细菌P. agglomerans可以在小麦苗根际周围土壤中大量定植，产生EPS，与土壤形成团聚体，改善附着于植株根部土壤的大孔隙，调节孔隙直径在10-30 μm之间，增加RAS/RT比率和土壤的聚合稳定性，且在含水量为24%的土壤中达到最到效果。Sandhya等［37］认为EPS的产生可以作为胁迫耐受微生物分离的标准，他们在干旱胁迫下筛选出耐受干旱时产EPS量最多的菌株接种到向日葵幼苗中，E+植株相比较E-植株增加了存活率、植物生物量及RAS/RT比率，接种后的内生细菌能够有效的定植在根际和根附着的土壤中，形成生物膜，增加了土壤结构的稳定性，这些现象都表明接种内生细菌在水分胁迫下可以保护植物。Vardharajula等［24］也认为E+植株比E-植株有更高的RAS/RT比率和土壤团聚体稳定性，接种内生细菌可减轻干旱胁迫对植株的不利影响。

内生真菌寄生于宿主植株体内，与植株的相互作用多种多样，包括：对抗、共栖和互利共生。Shukla等［28］将干旱耐受内生真菌T. harzianum与水稻共生，在干旱条件下，E+水稻枯萎很慢，延缓了干旱胁迫诱导水稻气孔导度、净光合速率和叶绿素的改变，增加了E+水稻叶片中的许多胁迫诱导代谢物的浓度，减少了MSI，促进植物根的生长，无论水分条件如何，都能推迟干旱对水稻的响应。Sun等［27］认为在干旱胁迫下，由内生真菌P. indica定植的植株延缓了干旱导致的光合速率下降和叶绿素及类囊体膜蛋白的降解。Bae等［26］认为E+植株延缓了干旱胁迫对气孔导度、净光合速率和绿色荧光排放的改变。Saia等［40］认为与从枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）真菌共生能减轻植株生长在干旱胁迫中的负面影响，在干旱胁迫下与AM真菌共生植株总生物量、N含量和N固定增加，然而在水分充足时，与AM真菌共生对植株并没有任何影响。Vázquez-de-Aldana等［41］认为Epichloë festucae感染的E+植株相较于E-植株在茎部N、P和Zn的含量以及根部的Ca、Mg和Zn含量更高。Oberhofer等［42］也认为内生真菌定植植株可增加植物生物量和分蘖数量。

植物内生放线菌解除植物干旱胁迫的研究相对较少，Yandigeri等［43］研究了3种从干旱地区分离得到的植物内生抗旱放线菌，分别为Streptomyces coelicolor DE07、S. olivaceus DE10和Streptomycesgeysiriensis DE27，当接种了这3种内生放线菌后小麦活力指数显著升高，接种S. olivaceus DE10的植株积累大量的吲哚乙酸。而在缺水土壤中，接种3种菌的小麦都增加了产量，并且接种S. olivaceus DE10的小麦产量最大，E+小麦比E-小麦表现出更好的促生性和更大的产量。

2.4 调节激素平衡，抑制病原真菌

干旱胁迫亦可引起植物激素平衡的改变，包括增加叶片中脱落酸（Abscisic acid，ABA）的含量、少量减少吲哚乙酸（Indole-3-acptic acid，IAA）和赤霉素、急剧减少玉米素含量等。有研究［44］认为在干旱胁迫的植物中与R. tropic i共接种P. polymyxa可增快植物生长和结瘤，增加N含量，干旱胁迫下不仅激素含量改变，而且内源性角蛋白含量减少，放大了因ABA含量增加对芽的影响。Waqas等［45］认为内生真菌共生不仅通过减少GsH、CAT、POD和多酚氧化酶缓解干旱，且在胁迫下，内生真菌能通过显著下调ABA含量、改变茉莉酸（Jasmnonic acid，JA）含量和增加水杨酸（Salicylic acid，SA）含量缓解非生物胁迫。Khan等［46］也认为内生真菌Exophiala sp.次级代谢产物中的赤霉素（Gibberellin，GA）和SA能够缓解宿主植株受到的盐或干旱胁迫。共接种的E+植株可缓解干旱胁迫引起的植物激素含量变化带来的负面影响。

也有研究表明接种植物内生菌可产生SA，抑制病原真菌的生长。Forchetti等［47］用不同的内生细菌菌株接种在干旱胁迫下的向日葵幼苗中，结果表明，不同菌株接种的植株产生的SA含量不同，外源性应用的SA造成病原真菌Sclerotinia显著减少，接种菌株都能增强向日葵幼苗在干旱胁迫下生长，产生SA并且能够抑制病原真菌的生长。

3 展望

植物内生菌能够从植物的渗透调节物质、抗氧化系统、干旱相关基因、生理指标和激素平衡等方面来调节干旱胁迫下植物组织ROS毒害和渗透平衡，从而缓解干旱胁迫对植物的伤害，使植物在缺水环境下也能生长。因而，我们可以把内生菌接种植物作为缓解干旱敏感植物在干旱胁迫下生存的一个有利的工具，在干旱地区解决土壤缺水和植株恢复的问题上，内生菌具有非常广阔的应用前景。为了在干旱环境下使内生菌对植株的生长和产量有更好的应用，建议如下：首先，植物干旱相关基因的研究还不完善，可以从内生菌调节干旱相关基因表达水平入手，以模式植物为基点，对于特定的植物进行基因水平的分析，改良作物基因，从而达到提高作物产量的目的；其次，内生菌对防治植物病害方面也有很大的作用，研究其中的作用机制，可减少喷洒农药带来的环境污染以及达到增产的目的；再者，内生菌与植物之间的共生关系比较复杂，涉及到生化信号的传递和一系列基因的交互作用，今后研究方向应注重植物-内生菌共生体响应和适应干旱胁迫的信号网络及调控机制研究，采用现代组学技术探索植物-内生菌共生体响应干旱胁迫的特殊生理特征和特异代谢途径。

综上所述，内生菌在植物抗干旱胁迫方面有广阔的应用前景，目前这方面的研究还远远不够，只有通过对植物与内生菌共生机制的研究，了解植物与内生菌之间互惠共生体的形成机制，才能更好地推动植物内生菌在盐碱地植物上的应用，进一步实现农业的可持续发展。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress on Effects of Endophytes on Plant Drought Resistance

Cao Kai Li Yuanting An Dengdi Zhang Rui
（Xinjiang Key Laboratory of Special Species Conservation and Regulatory Biology，College of Life Science，Xinjiang Normal University，Urumqi830054）

With the development of economy and the increase of population， the demand for water resources continuously increases， thus the varied degrees of arid and semi-arid lands occur in many regions. Soil aridification directly constrains the crop yields. Improving crops’drought resistance is a pressing issue of agricultural development in China. Endophytes distribute in the healthy plant tissues without external infection symptoms， and co-evolve with the host plant；theirs properties of enhancing the resistance of host plant have captured the attentions from researchers and become a new hotspot. This paper mainly summarizes the effects of endophytes on alleviating drought stress of plants by regulating the osmotic regulation substances， antioxidant capacity and drought-related gene expression of plants.

endophyte；drought stress；resistance

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.09.003

2014-12-24

国家自然科学基金项目（31300238，31360149，31370159），新疆维吾尔自治区教育厅重点实验室项目（XJSD2013-01）

曹凯，女，硕士研究生，研究方向：应用微生物；E-mail：510255317@qq.com

李远婷，女，博士，讲师，研究方向：内生菌对植物抗逆机制；E-mail：289350768@qq.com安登第，男，博士，教授，研究方向：微生物生态和共生生物学；E-mail：anddi@xjnu.edu.cn