作物内生菌研究进展

赵媛　卢凤英

摘要：近几年，植物内生菌已经成为研究的热点。内生菌发展潜力巨大，概述了近些年内生菌的研究成果，主要包括内生菌的定义、内生菌与宿主的关系、内生菌的各项生理功能以及存在的问题。

关键词：作物；内生菌；生理功能；特点；宿主

中图分类号： S182 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0020-03

1 内生菌的定义

人们对内生菌的定义一直都存在不同的看法。植物内生菌研究始于19 世纪中叶，Be Barry首先提出内生菌一词“endophyte”[1]。1992年，Kloepper等提出了“植物内生细菌”概念，把植物内生菌定义为能够定殖在植物组织间隙或者细胞内部，并且与宿主植物建立起共栖、互惠共生、共养等关系的微生物。James等将植物内生细菌定义为一切生存或者定殖在植物内部的微生物并且包括有活性的细菌、处于休眠期的致病菌[2]。综上所述，可以将植物内生菌定义为那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织、器官内部的真菌或细菌，被感染的宿主植物（至少是暂时）不表现出症状[3]。

2 作物内生菌的特点

2.1 作物内生菌具有普遍性

研究发现，地球上有上百万种植物，几乎所有的植物都有内生菌[4]。在作物体内也普遍存在内生菌。内生菌广泛定殖于植物的根、 茎、叶、花、果、胚、种子等器官组织的细胞或细胞间隙中，在植物的根瘤中也存在内生菌[5]。近年来，研究人员已经从葱的根、茎、叶，番茄的根、茎，油菜的根、茎、叶、花、种子，花生的根、茎、叶、种子，小麦的根、茎、叶、叶鞘，马铃薯的块茎、种子、胚珠，棉花的胚根、棉铃及其他植物各器官内分离出大量内生菌[6]。植物体内内生菌数量、种类与植物的种类、生存环境、生长阶段、营养供给及基因型有密切关系，不同地区、不同环境下生长的同种植物组织中存在的内生菌种类、数目均有较大差异，即使同一地区的同一植物不同组织部位中内生菌的数量、种类也不相同。一般来说，生长在热带、亚热带地区的植物与生长在较干燥、寒冷环境下的植物相比，前者内生菌的数量、种类多；生长速度快的植物内生菌数量比生长速度慢的植物多；生长时间长的植株内生菌数量比生长时间短的植株多[7]。

2.2 作物内生菌具有多样性

作物内生菌具有多样性，本研究主要介绍菌种多样性、寄主多样性、侵染方式多样性。内生菌的种类繁多，主要包括内生细菌、内生真菌、内生放线菌3类[8]。目前对内生菌分类鉴定方法主要包括以其形态学或生理生化特征为依据的表型分类法（或常规的分类法） 和利用现代技术方法进行分类，如近年来发展起来的化学鉴定、数值分类法、分子生物学技术等[9]。内生菌普遍存在于生物圈中。目前全世界至少已在80个属290多种禾本科植物中发现内生真菌[3]。田琴在小麦中分离出具有抗病原菌的内生菌，它对烟草赤星病具有较好的抗性[10]。刘卫今在不同品种柑橘中分离出具有耐冷性的内生菌[11]。张俊兰从几种食用菌中分离出内生菌，发现其对大肠杆菌、酵母菌、木霉菌都有抑制作用[12]。内生菌侵染宿主的方式也多种多样，以气流、雨水、土壤、种子、昆虫等为媒介，以内生菌体或孢子形式通过变形、吸器或渗透等途径侵染植物，内生菌也可以通过分解植物表皮细胞壁或通过各种自然开口（包括侧根发生处、气孔、水孔等）或伤口（包括土壤对根的磨损，病虫对植物的损害及收割多年生植物造成的伤口等）等传播途经进入植物[7，13]。

3 内生菌与宿主的共处方式

内生菌与宿主在长期的共存生活中形成复杂且特殊的关系。有人将其描述为与宿主互惠互利的关系，有人认为是特殊的寄生关系，这种寄生一般不会引起植物的相关病症，当植物衰老或受到环境胁迫时又会变成病原菌而引起植物病害，即内生菌和宿主植物之间是处于动态平衡的拮抗关系[14]。共生时，不同内生菌对其宿主专一性差别较大，有的内生菌只与某种植物共生，有的可同时与多种植物共生[7]。

4 作物内生菌生理功能

4.1 促进作物生长发育

作物内生菌对作物的生长发育具有促进作用，内生菌通过影响宿主植物体内的物质代谢促进宿主植物的生长。Mallnow 等发现，酥油草的根系感染内生真菌后酥油草对磷的吸收能力更强，同时根系钙、镁等营养元素的含量也较高[15]。感染内生菌的植物一般比未感染内生菌的植株生长更快，内生菌可增进宿主植物对氮、磷、钾等营养元素的吸收[3]。内生菌可以促进作物对各元素的吸收来增加其产量。研究人员现已从甘蔗、牧草、禾谷类植物（水稻、玉米、小麦、高粱等）以及棕榈树、块根植物、甘薯等非豆科植物中分离得到多种具有固氮作用的内生细菌[8]。内生菌通过促进植物根系的发育或通过内生固氮菌来获得更多的无机氮。同时，内生菌侵染植物时能分泌多种胞外酶，如漆酶、蛋白水解酶等，这些酶的存在为宿主植物利用有机养分提供了条件[16]。内生菌通过改变根部周围的环境来缓解非生物压力，如分泌胞外多糖来改变土壤结构，从而提高植物根部对环境的适应性，促进植物生长[8]。

4.2 增强作物的抗逆性

有些作物具有抗逆性，能在低温或缺水或高盐碱的地方生长，有些作物则不能。作物内生菌的抗逆性主要表现在以下几方面：抗旱、抗寒、抗高温、抗盐碱、抗病虫害及对病原体拮抗等。研究发现，内生菌具有增加植物应激的能力，当没有内生菌存在时，植物不能耐受居住地的各种生物或非生物的应激而无法生存。内生菌与植物共生协助时，植物能在一些环境恶劣、贫瘠的土地上生存，增加植物对环境的适应能力[17]。Kuldaua等研究了麦角菌科内生真菌对禾草抗多种压力的影响，证明麦角菌科内生真菌能提高禾草耐旱、 耐贫瘠能力[15]。吴蔼民等发现，内生菌73a具有增加棉花过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）的活性，这2种酶能提高植物对病原菌的抵抗力[18]。张鑫等从核桃的根、茎、叶、果中分离得到27株内生真菌，这些内生真菌能够产生多种具有抑菌活性、化感作用的次生代谢产物[19]。王刚等在实验室筛选出1株初步鉴定为蜡样芽孢杆菌的菌株，证明其对小麦纹枯病菌具有抑制作用[20]。

内生菌增强作物各种抗逆性的机制还不清楚，目前学术界有以下4种观点：（1）内生菌帮助作物产生生物活性物质如抗生素类物质、水解酶、植物生长调节剂、生物碱等。（2）内生菌通过增加宿主对矿物质、重金属以及有机物质的吸收能力来提高宿主对恶劣环境的适应性。（3）增强作物的抗逆性，内生菌可以改变环境，包括降低植冠温度、增加草坪草密度、增强水分吸收能力、增加宿主生物氧化及渗透调节能力等。Martin等发现野草体内内生菌通过降低除草剂的药效来增加草对农药的抵抗能力[21]。（4）与病原菌竞争营养物质，促进宿主植物生长，增强植物抵抗力或诱导植物产生抗性。

4.3 产生抗肿瘤物质

1993年，Stierle等首次从短叶红豆杉的树皮中分离出能产紫杉醇的内生真菌[22]。植物内生菌产生的抗肿瘤的活性代谢产物多种多样，主要有萜类抗肿瘤物质、生物碱类抗肿瘤物质、醌类抗肿瘤物质、木脂素类抗肿瘤物质、酶抑制剂抗肿瘤物质等。长春新碱是从夹竹桃科植物长春花中提取的生物碱，具有抗肿瘤活性，尤其对白血病和恶性淋巴瘤具有显著疗效[23]。从短叶红豆杉、秦艽、茶茱萸、银杏、人参、小麦等植物的根、茎、叶内分离出的内生菌能产生与宿主植物相同或相似的抗肿瘤活性物质、抗菌活性物质[15]。至今，学者们已经从短叶杉、西藏红豆杉、欧洲红豆杉、南方红豆杉等植物中分离了多种能产生紫杉醇及其衍生物的内生菌。布雷菲德菌素是一种大环内酯类紫杉醇衍生物，有明显的抗肿瘤活性作用[19]。除以上这些抗肿瘤的活性物质外，还有其他类抗肿瘤物质，如球毛壳甲素A、壳囊孢酮B，其中多糖、肽类等植物内生菌的代谢产物也有明显的抑制癌细胞生长的作用[23]。颜铭利用基于植物内生菌代谢酶基因筛选抗癌传统中草药的方法，筛选出对细胞生长具有抑制作用的内生菌[24]。

4.4 产生药用活性成分

大多数药用植物在其生活史中都伴随着内生菌。这些内生菌可以产生与宿主相同的活性物质，对药用植物内生菌进行研究与开发将在一定程度上缓解药用植物资源匮乏的现状[25]。1986年，人们首次在单子叶植物百合组织中发现与其互利共生的内生菌，其代谢产物富含天然维生素E、天然维生素C、维生素B6、多糖、胱甘肽、类SOD及生物碱等主要抗氧化物活性成分[26]。内生菌产生的药用活性成分具有抗肿瘤、抗病原菌、抗病毒、抗氧化等作用[25]。Castillo等发现，1株内生链霉菌能够产生一类活性多肽物质，它具有广谱的抗菌活性，能较好地抑制耐药性病原菌、寄生虫[27]。田小曼等从青蒿中分离的内生菌能够分泌抗病活性物质，对棉花枯萎病、小麦赤霉病都有抗性[28]。李伟南等从蒲公英中分离出的3株内生真菌对鸡致病性大肠杆菌均有较强的抑制效果[29]。除此之外，内生菌产生的活性物质能激活机体的免疫功能、排除生物垃圾、清理自由基[26]。范纯武等认为，内生菌糖不仅是生物细胞良好的活性保护剂，而且具有较强的抗电磁辐射能力，能促进细胞分裂增殖，提高机体免疫功能[30]。白藜芦醇有预防和减缓癌症、心血管疾病及缺血性损伤等多种疾病功能，张冠庆等发现，从酿酒葡萄梅洛特的葡萄皮、葡萄穗轴及梗中分离出的内生菌具有产白藜芦醇的能力[31]。Lin等发现，从药用植物中分离出的内生真菌含有丰富的PKS基因[32]。由此可见，开展药用植物内生菌研究对药用植物资源、特别是濒危植物资源保护具有重要意义[33]。

4.5 与作物联合修复重金属污染

目前重金属污染已经成为全球性环境问题。为减轻重金属污染，人们常采用过滤或超滤、化学沉淀、电化学处理、氧化/还原、离子交换技术、膜技术、反渗透技术等一系列传统的物理化学手段来进行重金属修复处理。这些传统手段具有明显的局限性，如成本高、修复效果有限、不稳定、危险、会造成第二次污染等[2]。目前利用植物内生菌进行生物防治是研究热点，利用对重金属具有积累能力的内生菌及植物共生体可为土壤重金属污染的植物修复提供可能[25]。内生菌在植物体内能够降低重金属的毒性并影响重金属的运输、聚集[34]。耐重金属内生菌可以通过固氮、溶解矿物元素及产生类植物激素、铁载体、ACC脱氨酶等产物促进植物生长及对重金属的吸收[35]。肖潇在具有DCC、DNP代谢抑制剂的条件下，从镉超累积植物龙葵中分离的内生菌对重金属的修复能力较强[2]。植物-内生菌联合修复重金属污染方式非常独特，由于内生菌独特的生存环境，修复过程对土著微生物影响非常小，对环境无污染，发展应用潜力较好[36]。

5 内生菌研究中存在的问题

目前关于内生菌研究仍然存在许多问题：（1）对内生菌进行分离、检测所用的方法以及不适当保存会造成内生菌死亡或退化[1]。除此之外，目前所研究并能分离出来的内生菌还很少，有些内生菌以寄生为主，从植物体内分离后由于环境改变导致无法进行培养[15]。由此看来，内生菌研究需要在方法、技术方面作进一步改进。（2）内生菌具有双重性，内生菌一方面可以促进植物生长，另一方面会引起以宿主为食的动物中毒[1]。也就是说内生菌在促进植物生长的同时，对人类或其他动物可能有害，因此利用内生菌时应格外小心。把对某些宿主植物具有益生作用的内生菌移植到其他植物体内时可能成为病原菌[37]。环境对内生菌的影响是不可忽视的。（3）植物内生菌本身就是生物活体，因此内生菌所产生的活性物质也是不稳定的[38]。有些生物活性物质既不能由宿主植物单独产生，也不能由内生菌单独产生，而是两者协同作用的结果[22]。除此之外，Purahong等发现，内生菌真菌分解率增加或减少主要由内生菌和宿主植物共同决定[39]。把内生菌从植物体内分离出来后，内生菌并不产生相应的活性物质。即使从植物体内分离出内生菌，并且内生菌能产生活性物质，但由于内生菌的次生代谢产物复杂多样，发酵的次生代谢产物也不稳定[31]。（4）内生菌的遗传基础复杂，所以内生菌的分子生物学育种仍有困难，目前主要还是利用传统育种技术对其进行改良[15]。内生真菌增强宿主植物竞争能力的同时也会降低群落多样性[14]。

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