微生物与其他生物的共生效应、作用机制和应用前景

李 敏, 王 琳

(1.青岛农业大学 菌根生物技术研究所,山东 青岛 266109；2.中国农业科学院 蜜蜂研究所, 北京 100093)



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微生物与其他生物的共生效应、作用机制和应用前景

李 敏1, 王 琳2

(1.青岛农业大学 菌根生物技术研究所,山东 青岛 266109；2.中国农业科学院 蜜蜂研究所, 北京 100093)

生物自起源开始就与其他生物建立共生体系、营共生生活、共同发挥生理生态作用，并一直协同进化至今。微生物通过与其他生物的共生，在人类健康与发展、动物健康与生长发育、植物健康与生长发育、土壤健康与土壤肥力、环境与食品安全、生物多样性保持与生态平衡、生物的遗传与进化等方面发挥众多生理生态作用。共生微生物通过直接合成激素和抗生素等次生代谢物质、调控植物相关基因表达和调节其他生物的群落结构等作用机制来发挥其功能，在医药与健康、农林牧渔业可持续生产与发展、食品加工与储藏、生态环保与生物多样性保护等方面具有十分广阔的应用前景。

微生物；共生体；共生效应；作用机制；应用

自物种起源以来，共生关系广泛存在于生物界，从单细胞到多细胞，从低等生物到高等生物，包括人类在内，生物个体都广泛地参与到与其他生物的共生关系(symbiosis)中。从微生物之间的相互依存，到微生物与植物之间的分工合作，再到微生物与动物之间独特的互作关系及其显著作用，都记录着共生的发展历程和不断进化的作用机制。一个多世纪以来，特别是进入21世纪以来人们对微生物与其他生物的共生关系给予了众多的关注。本文旨在总结微生物与动植物、人类及微生物之间的共生关系，探讨其共生机制、共生效应与作用机制，以期促进生物共生学研究，为生物共生学发展提供新的思路和途径。

1 微生物与其他生物的共生效应

1.1 微生物与动物的共生关系与效应

反刍动物瘤胃中真核及原核微生物类群多样性丰富，过去数十年间人们致力于研究其中的关键物种，以提高动物瘤胃对食物的发酵及消化能力。反刍动物取食的草料为瘤胃中的微生物提供了丰富的营养基质，而微生物能够产生丰富的代谢产物，降解纤维素、半纤维素和木质素，便于宿主吸收及利用，并为宿主提供糖类、氨基酸和维生素等，并分解代谢过程中产生的有毒物质[1]。经过数百万年的进化，反刍动物-瘤胃微生物的共生系统为动物提供了完善的消化策略，两者相互依赖，互惠共生。这种共生体系极为重要，微生物能够将储存在植物纤维组织中的太阳能转化为肉、奶等人类能够直接利用的养分来源，而对反刍动物瘤胃微生物的研究在动物营养及疾病防控方面具有重要意义。

切叶蚁体表的外壳上具有复杂的腺窝，携带共生放线菌。这些腺窝连着外分泌腺体，为共生放线菌提供营养[2]。切叶蚁通过在巢穴中建立菌圃，种植共生真菌获取食物来源，而其菌圃容易受到病原真菌Escvopsisspp.的侵染，其外骨骼携带的放线菌能够产生一系列抗生素，抑制病原菌的生长，从而为菌圃提供保护[3-4]。切叶蚁与真菌共生系统中还包括酵母菌及其他细菌，这些微生物可能作为共生体存在，能产生消化性酶类或抗生素[5]。自然界中所有已知的白蚁类群与众多的原生动物、细菌、真菌和放线菌存在专性共生关系。白蚁肠道内细菌被处理后白蚁会在数周内死亡[6]。在共生微生物的帮助下，白蚁能够成功地降解木材中的木质素及纤维素，在碳循环中发挥着重要作用。对白蚁后肠微生物的宏基因组分析表明，高等食木白蚁后肠微生物宏基因组中，具有大量的、多样性较为丰富的水解纤维素及木质素的基因簇。这些基因的体内及体外表达均具有较高的纤维素酶活性。其中，spirochete 和 fibrobacter类群的微生物在多聚纤维素降解方面发挥着重要作用。白蚁肠道微生物还发挥着其他的重要共生功能，例如H2代谢、CO2还原氢产酸和固氮作用等[6]。

已知的2 600余种白蚁中约330种大白蚁亚科的白蚁能够培育特定的蚁巢伞属(Termitomycessp.)的真菌作为食物[7]。二者形成了专性的共生关系。在白蚁的照料下，蚁巢伞菌成为白蚁巢穴的优势种，但白蚁离巢或整巢白蚁死亡后被遗弃的巢体中炭角菌(Xylariasp.)则变成了优势种[8]。这表明白蚁与微生物间存在专性的共生关系，即二者紧密依赖，缺一不可。鸡枞菌(Collybiaalbuminosa)主要分布在我国的福建、四川、云南等地，整个生长周期都需要与土栖性黑翅白蚁共生，该菌能够产生高活性的水解酶降解纤维素，为白蚁提供可利用的糖类[9]。

沃尔巴克(氏)体属(Wolbachia)是广泛分布于节肢动物生殖组织内的共生细菌，通过卵细胞质传播并参与多种调控宿主生殖活动[10]。Wolbachia被认为与性别决定、共生关系和物种形成等重要生物学问题密切相关，是探索该领域的新线索。且Wolbachia可作为特定的载体对其宿主种群进行遗传调控，如增强寄生蜂在害虫生物防治中的作用，控制线虫引起的疾病传播[11]。例如，丝虫有可能由于其Wolbachia共生细菌干扰其所传带病毒而有利于控制某些疾病；寄生蜂与Wolbachia共生后，可诱导孤雌生殖，有利于增强害虫生物防治的效能。

异小杆线虫家族的食虫线虫体内分布共生细菌——发光杆菌[12]。当线虫感染昆虫后，会释放发光杆菌，该细菌快速繁殖生长，最终杀死昆虫，并将昆虫组织转化成线虫能够利用的养分。当细菌到达指数生长期, 即开始合成抗生素和色素等化合物，并发光，以向线虫发出信号。该信号能促进线虫成熟，随后线虫移出昆虫尸体[13]。然而,被感染的昆虫体内细菌和线虫之间共生体系重建过程中的信号是如何传导与调控的值得进一步研究。而关于昆虫内共生菌调控宿主-植物互作关系、调节宿主对环境的适应性、改变宿主的入侵性、影响宿主对病原菌和寄生虫的免疫力和抵抗力、影响宿主的种群动态、改变宿主的体色，特别是对植物-昆虫-内共生菌三者互作关系有待深入探究。

1.2 微生物与人类的共生效应

人体内生肠道微生物菌群在人类健康和疾病防治中起着至关重要的作用,在长期协同进化过程中，二者相互选择和适应，形成了互惠共生的互作模式。人类的肠道为肠道微生物提供优越的栖息和繁殖环境，包括天然的厌氧条件，适宜的温度和pH，以及丰富的营养物质等。对人类而言，共生肠道菌群类似于一个“器官”，能够调控上皮细胞发育，防止上皮细胞损伤,调节宿主脂肪存储,刺激肠道血管生成，以及构建免疫屏障等。成人肠道内定殖的细菌多样性很高，超过500种，数量多达1014个，其中绝大多数为严格厌氧菌[14]。这些肠内菌群主要包括能帮助人类维持健康的“有益菌群”，如乳酸菌群。肠道微生物及其代谢产物影响人体养分代谢、能量平衡、免疫调节、胃肠道发育等生理活动。这些肠道微生物以高密度种群数量排阻和抑制外来致病菌的侵入和定殖，同时帮助人类消化大分子食物成分，合成人类必需的维生素B1、B2、B12、K及叶酸等，合成天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸等，参与糖和蛋白质代谢，并促进铁、镁、锌等元素吸收[15]。缺少这些养分可导致糖尿病、高血压和高血脂等多种疾病。B族维生素和非必需氨基酸的缺乏可引起头发分叉、发黄、易断和脱发[16]。许多人体疾病都与肠道共生菌群紊乱相关，如Ⅱ型糖尿病、高血压、肥胖症、微生物缺乏症等。甚至缺少应有的微生物后，免疫系统也受到破坏，失去正常工作的能力[17]。共生体的多样性会影响宿主的健康。研究表明，“肥胖微生物群”能更有效地从食物中提取能量而成为“精益微生物群”，缺乏养分条件下多形类杆菌分泌更多的糖苷水解酶，以提高对食物的利用能力[18]。 肠道微生物种群的建立可加强其利用养分的能力，以利用群体优势应对营养状况的变化[19]。人体正常菌群失调是许多疾病的根源，对类风湿关节炎患者口腔与肠道微生物的元基因组研究揭示，口腔和肠道微生物菌群异常是类风湿关节炎病理生理和疾控的重要环节[20]。近期研究表明，人体肠道菌群甚至能够影响大脑的发育及行为。肠道菌群失调甚至与焦虑、抑郁症、自闭症、精神分裂及神经退行性疾病相关[21]。

1.3 微生物与植物的共生效应

根瘤细菌与豆科植物根系建立的固氮根瘤共生体是最常见的微生物与植物互惠共生体系之一。寄主植物为根瘤细菌提供光合碳素养分，而后者能固定空气中的氮气，为植物提供可利用的氮素，从而保证缺氮土壤中豆科植物的正常生长发育。接种根瘤菌能显著提高株高和籽粒蛋白含量，接种根瘤菌+促菌剂比对照增产34%，单接种根瘤菌比对照增产23%[22]。同时，对于维持大气与生态平衡以及生态系统的可持续生产力发挥重要作用。

我国放线菌结瘤固氮植物资源丰富，固氮放线菌Frankia与木本双子叶植物共生形成根瘤固氮,如木麻黄科、沙棘属、赤杨属或桤木属、杨梅属和胡颓子属等，在生态与植被恢复中发挥作用。Frankia产生固氮酶加速植物对氮的吸收和利用。这表明植物内生放线菌通过影响植物体内生理代谢，提高其对养分的利用。

植物内生细菌(PEB)与植物长期共处形成了复杂多样性的共生关系。作为植物微生态系统组分，PEB对植物有促生、防病及增强环境适应性等作用。PEB产生多种抗生素类物质，抑制病原物。例如，杜鹃花中链霉菌合成的抗真菌物质能抑制甘蓝黑斑交链孢霉，从卫矛科植物内生链霉菌产生抗生素可抑制多种耐药性细菌和分枝杆菌[23]，部分棉花内生细菌能拮抗棉花黄萎病菌从而显著降低盆栽和大田棉花的黄萎病发病率。研究还表明，PEB能够防治豌豆枯萎病、马铃薯黄萎病和立枯病、大豆菌核病和橡树黑斑病[24]。荧光假单胞菌89B-61、泡囊假单胞菌N884、粘质沙雷氏菌90-43和枯草芽胞杆菌等代谢产物可抑制南方根结线虫[25]。

定殖于植物根围的促生细菌(PGPR)也与植物根系共生。从热带雨林土壤分离的枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis)、萎缩芽胞杆菌(B.atrophaeus)和短小芽胞杆菌(B.pumilus)能显著促进温室条件下玉米和番茄的生长[26]。蜡样芽胞杆菌(B.cereusAR156)可促进辣椒植株生长[27]；短小芽胞杆菌、假单胞菌(Pseudomonassp.)和肠杆菌(Enterobactersp.)提高樱桃植株生物量[28]；从小麦上分离的3株PGPR可促进小麦生长，其株高、地上部鲜重和地上部干重分别增加25%、45%和86%，根长、根干重和鲜重分别增加27%、102%和76%。枯草芽胞杆菌6051菌株能在拟南芥根部表现出较好的定殖能力而形成稳定的生物膜，从而抑制丁香假单胞番茄致病变种对拟南芥的侵染[29]。

植物内生真菌(PEF)与植物建立了长期平衡的共生关系。其中深色有隔内生真菌(dark soptate endophytes, DSE)和印度梨形孢(Piriformosporaindica)是最具代表性的PEF。它们与植物根系建立的共生体不仅具有类似丛枝菌根的结构，其生理生态作用也十分相近。DSE具有促长、提高抗逆性的效应，特别是对重金属毒害具有耐受性，有助于降低其对植物的毒害[30]。 据此，可考虑应用DSE与植物及其他生物联合修复重金属污染土壤。DSE稻镰状瓶霉(Harpoporaoryzae)能促进水稻和黄瓜的生长，提高对稻瘟病和黄瓜细菌性角斑病的抗病性[31]。

印度梨形孢能促进植物生长，增加作物产量。接种印度梨形孢的水稻植株高度、地上部干鲜质量、分蘖数、硝酸还原酶活性和根系活力显著高于对照[32]。从芦苇和黑麦草中分离的枝顶孢属(Acrmonium)真菌可控制蚜虫的危害。

真菌与植物普遍存在着共生关系，植物根系与一类土壤真菌形成的互惠共生体即菌根是真菌与植物互惠共生的典型代表。植物为菌根真菌(MF)提供光合同化物，MF则为植物提供矿质养分，更为重要的是后者能够诱导植物产生抗性，提高植物抗病性和抗逆性，促进植物生长发育、提高产量、改善品质。其中，丛枝菌根真菌(AMF)和外生菌根真菌(ECMF)最为重要，在农林牧业生产、环境与食品安全方面发挥不可替代的作用[33]。AMF能够促进番茄植株吸收钾、氮、磷、钙、锰和锌等，提高叶绿素和可溶性糖含量，促进植株分枝，增加叶片数量和生物活力。AMF 摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae)和根内球囊霉(Glomusintraradices)促进鸢尾对氮和磷的吸收[34]。干旱胁迫下对紫花苜蓿的生长具有显著作用[35]。接种AMF能激活西瓜自根苗和嫁接苗防御性酶反应，加速根系对逆境产生反应，降低连作障碍的危害[36]。

1.4 微生物与微生物的共生效应

真菌与真菌也常常建立一定共生体。菌丝不能利用木质素和纤维素的银耳(Tremellafuciformis)与分解纤维素能力较强的香灰菌(Hypoxytonarcheri)共生, 它们的胞外纤维素酶系作用互补与协同，加强了分解纤维素的效果。可可毛色二孢(Lasiodiplodiatheobromae)与黑木耳(Auriculariaauricula)也是共生关系[37]。菌根伴生真菌能诱导ECMF产酶，铆钉菇(Gomphidiusviscidus)和菌根伴生真菌通过影响油松根系活力、根系质膜相对透性、提高硝酸还原酶活性等改变土壤理化性质[38]。

地衣是真菌与蓝细菌建立的互惠共生体。具光合作用的蓝细菌为整个共生体合成有机养分，真菌则吸收水分和无机盐，为蓝细菌光合作用提供原料，并使蓝细菌细胞保持一定湿度，共同抵抗逆境，占有其他生物所不能适应的生境。

AMF与根瘤细菌共生能共同侵染豆科植物形成AMF-豆科植物-结瘤细菌三重共生体[39]。AMF与细菌共生能促进土壤中有机物降解。多环芳烃(PAHS)污染土壤中双接种AMF和细菌的效果要优于真菌或细菌单接种处理[40]。复合接种3种菌剂(Acaulospora90034、Bacillussp1DW1和Gordonasp)降解邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯的效果最大[41]。将9种ECMF与菌根助手细菌(MHB)双接种更有利于土壤中柴油的降解，为ECMF与细菌联合修复污染生境提供了依据[42]。ECMF与MHB协同修复污染土壤的效应有待进一步研究。

细菌与细菌间也存在奇特的共生关系。例如，一种名为“水蜡虫”的昆虫体内存在的两种细菌间的奇特相互关系，这也是所观察记录到的第一个现代细菌寄住在另一个细菌中的例子。据推测，这两种细菌间可能是一种互补关系，这种关系允许边缘基因转移，以减慢基因退化的速度[43]。

2 微生物与其他生物共生的作用机制

微生物与其他生物构建共生体系后，促进双方或多方的生长发育、加强生理生态功能的原因可能与其形成功能强大的共生体系、调节其他生物群落结构与功能、改善共生体系的生理生化代谢及其相关基因的调控表达有关。

2.1 共生微生物直接合成生物活性物质

动物肠道正常菌群能合成抗生素和细菌素抑制外来菌的生长。双歧杆菌属(Bifidobacteriumspp.)的一些细菌能够产生抗菌活性物质——细菌素(bacteriocins)抑制幽门螺杆菌Helicobacterpylori的生长，减少坏死性肠炎婴儿患者肠上皮细胞的细胞凋亡，调节宿主免疫系统，以及通过抗炎症活性来缓解某些慢性肠道疾病[44]。另外，双歧杆菌对建立新生儿肠道菌群平衡具有重要的作用[45]。肠道正常菌群还与T细胞介导的机体免疫应答相关。携带不同肠道菌群的小鼠患黑色素瘤后，会呈现不同自发性抗肿瘤免疫。16S rRNA测序表明，肠道内的双歧杆菌与这种抗肿瘤效应相关。单独口服双歧杆菌药物，能够控制肿瘤生长，增强树突细胞功能及T细胞免疫。目前，肠道菌群调节被视为潜在的免疫疗法[46]。

共生微生物如PGPR、PEB、PEF、DSE和MF等能合成类黄酮、IAA、GA、CTK、ABA和/或抗生素，诱导酶(如几丁质酶、β-1,3葡聚糖酶、ACC脱氨酶等)活性和活化土壤养分(溶磷)作用，促进植物生长[47-48]。B.subtilisGB03、B.amyloliquefaciensIN937a、P.polymyxaE681、P.chlororaphisO6等可产生水杨酸和茉莉酸等，并作为信号诱导植物防御反应[49]。 AMF增加番茄植株茉莉酸浓度，进而增强番茄抗病性。AMF的球囊霉素相关蛋白、有机酸和多胺等能促进土壤形成团粒结构，改善水稳定性和通气透水性，提高氧化还原电位，改善土壤理化特性与肥力。

PEF在寄主体内主要合成生物碱类，如吲哚双萜生物碱、双吡咯烷类生物碱和麦角碱等毒素，从而增强寄主抵抗病虫害。体外试验表明，枝顶孢(Acremoniumcoenophilum) 抑制多种病原真菌。木霉菌属(Trichodermasp.)的许多PEF可分泌孢外酶降解病原真菌胞壁或分泌激素促进植物生长。

2.2 共生微生物物理竞争与化学螯合作用

微生物与其他生物共生后，可直接与病原微生物竞争入侵位点、生态位和养分等，从而增加其他生物的养分吸收与利用，增强其他生物的抗病性和抗逆性。PEB定殖的生态位与病原物相似，通过与病原物竞争空间和养分以增强寄主抗病性。菌根真菌修复重金属污染土壤的直接作用机制可能为螯合作用。AMF菌丝内有可能提供结合重金属的位点，使重金属积聚于真菌中。

2.3 共生微生物的间接作用

微生物与其他生物共生可通过一些间接作用机制，如通过改变宿主或寄主的形态结构、调节生境pH等进一步发挥生理生态作用。动物肠道正常菌群通过紧密与黏膜上皮细胞结合占据生态位，竞争养分也占据优势，并通过自身代谢改变环境pH[50]。无菌小鼠小肠绒毛的毛细血管网发育明显受限，但当接种了单一菌种多形拟杆菌后，绒毛的微血管网络发育恢复良好。肠粘膜及其定殖的微生物是抵御病原物入侵的最重要的屏障之一。肠道内定殖的共生菌能够通过与肠源性病原菌竞争肠上皮的粘附位点而抑制病原菌侵入肠上皮[51]。肠上皮的通透性也是影响肠屏障功能的重要因素[52]。在调节肠上皮通透性方面，肠道定殖细菌也发挥了重要作用[53]。微生物与植物共生过程中可改变根系形态结构、根细胞膜通透性、根系分泌物组分和数量，改善根围环境，进而改变根围其他微生物群落结构与功能，进一步影响共生体的生理生态作用。

2.4 共生微生物调控基因表达与诱导作用

肠道细菌具有大量代谢植物多糖的基因,而这些基因为人体所缺乏。多形拟杆菌(B.thetaiotaomicron)是人体肠道的共生厌氧菌，其全基因组为6.26-Mb。作为健康人群远端小肠及结肠正常菌群的主要成员之一，多形拟杆菌已成为研究肠道微生物群落组成及相关基因表达的模型。B.Thetaiotaomicron的基因组包括 植物多糖结合蛋白、糖苷水解酶和多糖裂解酶，该酶类在人类基因组中的拷贝数较低[54]。

人体肠道微生物群落宏基因组测序表明，肠道细菌富含能够代谢淀粉、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、阿拉伯糖和木糖等糖基水解酶基因家族，其中，大部分基因是人体所不具备的。多种肠道微生物共同协作，发挥降解食物中的植物纤维等功能。这些碳水化合物由肠道菌群发酵后，得到终产物为短链脂肪酸，这些短链脂肪酸为结肠细胞提供主要能量来源。肠道菌群不仅能代谢宿主自身不能利用的物质，更能参与宿主物质代谢，发生共代谢关系。正是认识到肠道菌群重要的代谢功能，人们越来越重视宿主-共生肠道菌群这种共代谢关系，为今后以肠道菌群为药物靶点、实行个性化医疗提供了理论依据。

吴金丹等[32]分析了印度梨形孢对水稻生长发育、叶绿素含量、硝酸还原酶活性、根系活力以及生长相关调控基因表达水平的影响。RT-PCR分析表明印度梨形孢定殖的水稻叶片生长素相关调控基因OsIAA13和YUCCA上调表达，表达量分别为对照的1.5倍和1.3倍；负调控水稻生长的NRR基因表达量为对照的58%。

共生微生物可诱导或增强寄主防御机制以改善植物抗逆性。内生假单胞菌株(Pseudomonassp. IMBG294)和甲基营养菌株(Methylobacteriumsp. IMBG290) 能诱导马铃薯块茎产生抗病性，降低软腐病的危害[55]。 荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)的水杨酸合成基因的产物可诱导烟草分泌一些信号分子来增强对烟草坏死病毒的抗性。

3 共生微生物的应用前景

3.1 共生微生物在医药上的应用潜力

研究表明PEF代谢产物具有抗肿瘤、抗菌和抗病毒等作用。从欧洲红豆杉中分离到Acremxoniumsp.能产生一系列抗真菌和抗癌的肽类活性物质，其中白灰制菌素(leucinostatin)能抑制人的一些肿瘤细胞。从雷公藤中分离的Cryptosporiopsisquercina所产生的新型环肽抗生素cryptocandin能强烈抑制癣菌和白色念珠菌等，值得研发。K.nigriscans的内生链霉菌能产生活性多肽munumbicins，该多肽具广谱抗菌性，能抑制耐药性的病原菌和寄生虫[56]。可见，利用共生微生物的次生代谢物质开发新的药物将是有效途径之一。

3.2 共生微生物接种剂在农林牧渔业生产中的应用

人工接种微生物是维持和提高土壤肥力的有效手段，在保护环境、提高产品质量和食品安全等方面的作用不可替代。微生物肥料胶质类芽胞杆菌(Paenibacillusmucilaginosus3016)和日本慢生根瘤菌(Bradyrhizobiumjaponicum5136)复合接种处理，前者促进后者结瘤固氮，复合接种可以提高土壤肥力，改善土壤微生物区系，增加生育期内大豆单株分枝数、单株粒数、单株籽粒重和结瘤率，降低单株空荚数，提高茎叶和籽粒的氮、磷和钾含量，增加大豆产量[57]，是节本增效的措施之一。土壤重度干旱下利用PGPR菌剂拌蚕豆种子，可提前出苗，促进幼苗生长，增加蚕豆生物量及荚果数[58]。PGPR与根瘤菌复合接种促进结瘤固氮及其协同作用，提高土壤肥力和养分利用率[59]。Atieno等[60]将枯草芽胞杆菌MIB 600分别与2株日本慢生根瘤菌S32c和RCR3407混合接种提高了根瘤鲜重和大豆生物量；混合接种巨大芽胞杆菌、联合固氮菌和硅酸盐细菌，提高了紫花首稽瘤质量和土壤根瘤菌、固氮菌数量[61]。蜡质芽胞杆菌3BY4和阿氏肠杆菌BQ9对番茄可增产21%和26%，并能提高番茄果实维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量，降低有机酸含量[62]，更适合市场的需要。田间试验表明接种土著根瘤菌HG-5 增加了花生饱果率、百果干重和单株根瘤数，增产15%[63]。陆地生物固氮的25%由Frankia共生固氮完成。同一根瘤中可能存在多个类群的Frankia，该共生固氮体系对解决农田氮肥自给提供了值得探索的途径。

Conopleaelegantala发酵液中苯并吡咯类能显著降低丝核菌和镰刀菌引起的病害，可防治水稻立枯病、恶苗病和徒长病。辣椒PEB TmL2-9对辣椒幼苗早疫病的防效高达84%；感染Heteroconiumchaetospira的白菜苗干重增加约3倍。与牛蒡共生的6株真菌的菌丝体和发酵液对卤虫(Brineshrimp)的杀虫活性全部优于常见农药[64]。内生放线菌不仅可用于防治大田小麦全蚀病，增加小麦产量，而且从中可分离具杀虫活性的菌株及活性物质，在未来可成为微生物源杀虫剂的新领域。表明共生微生物不仅提高植物抗病性，还可作为生物农药，达到减药减肥增产的作用，有利于农业生态系统的可持续发展。

3.3 共生微生物作为外源基因载体

基于植物体内共生微生物在植物体内的适应性，以PEB和PEF为受体构建植物内共生防病或杀虫工程菌，将其定殖植物体内，发挥与转基因防病杀虫相同的作用，从而达到生防目的。另外，植物共生微生物具有降解环境污染物的功能，如红树的共生微生物，能清除工业废水中的有害物质，净化海水。某些共生微生物能够降解甲苯，增强植物对甲苯的抗性。因此，植物共生微生物的应用为环境污染治理开辟了新途径，值得进一步探究。

3.4 共生微生物在环境保护与食品安全上的应用前景

共生微生物能分解有毒物质，修复退化与污染环境，在提高环境与食品安全性等方面与寄主植物发挥协同作用。蜡虫(Plodiainterpunctella)与降解聚乙烯的细菌(EnterobacterasburiaeYT1 和Bacillussp. YP1.)共生可吞食和降解塑料[65]，这在环境保护上具有重要意义。以AMF主导的菌根共生系统已成为一种新型生物修复主体，可缩短生态系统修复周期，保持修复效果的稳定性和长期性。AMF可以缓解盐胁迫[66]，降低全球变化引起的降雨不平衡对植物的不良影响。MF能促进植物富集重金属离子，起到转移土壤重金属污染物，加快土壤中重金属元素的生物提取速度。这对矿山复垦绿化和植物提取污染土壤中的重金属等生物措施的应用和发展具有重要意义。另外，MF在吸收、转移、固定放射性元素如铀等方面发挥了重要作用，一定程度上修复放射性核素污染土壤。镉污染土壤原位修复中接种G.diaphanum有助于减少重金属向地上部迁移。ECMF菌丝体对重金属元素具有累积作用，有效地调节生长微环境以降低根围重金属的生物毒性，增强植物对重金属铜、镉的耐性。因此，认识MF与其他生物联合修复过程中的污染物迁移转化、生物相互作用、环境调控等规律，对于发展安全、高效和实用的修复技术将具有重要的现实意义。

综上所述，共生微生物的研究得到重视，并在其定殖机制、生物学特性、生态学和资源调查等方面取得进展。然而，绝大多数动物、植物和真菌的共生生物尚待挖掘发现。共生微生物分离鉴定与检测技术以及共生微生物的生态学研究有待加强。共生微生物的次生代谢活性物质分离、鉴定与生理效应、共生微生物对污染环境的修复、共生微生物的商品化和产业化等方面尚需开展大量工作。可以预见，共生微生物将为人类健康与文明、经济与生产、生态系统稳定与可持续发展发挥不可替代的作用。

致谢 感谢青岛农业大学刘润进教授及其课题组全体师生的支持和帮助。

[1] Yanez-Ruiz DR, Abecia L, Newbold CJ. Manipulating rumen microbiome and fermentation through interventions during early life: a review [J]. Frontier Microbiology, 2015,6(2):1133.

[2] Currie CR, Poulsen M, Mendenhall J, et al. Coevolved crypts and exocrine glands support mutualistic bacteria in fungus-growing ants[J]. Science, 2006, 311(5757): 81-83.

[3] Aanen DK, Eggleton P, Rouland-Lefevre C, et al. The evolution of fungus-growing termites and their mutualistic fungal symbionts[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99: 14887-14892.

[4] Currie CR, Scott JA, Summerbell RC, et al. Fungus-growing ants use antibiotic-producing bacteria to control garden parasites [J]. Nature, 2003, 423: 461.

[5] Santos AV, Dillon RJ, Dillon VM, et al. Occurrence of the antibiotic producing bacteriumBurkholderiasp. in colonies of the leaf-cutting ant Atta sexdens rubropilosa[J]. FEMS Microbiology Letters, 2004, 239(2): 319-323.

[6] Falk Warnecke, Peter Luginbuhl, Natalia Ivanova, et al. Metagenomic and functional analysis of hindgut microbiota of a wood-feeding higher termite[J]. Nature, 2007, 450: 560-565.

[7] Aanen DK, Ros V, de Fine LHH, et al. Patterns of interaction specificity of fungus-growing termites and Termitomyces symbionts in South Africa[J]. BMC Evolution Biology, 2007, 7: 115.

[8] Guedegbe HJ, Miambi E, Pando A, et al. Molecular diversity and host specificity of termite-associatedXylaria[J]. Mycologia, 2009, 101(5):686-691.

[9] 张玉金,李荣春. 云南地区鸡枞菌系统发育关系研究[A]. 第十届全国食用菌学术研讨会论文汇编[C]. 2014

[10]Nikoh N, Hosokawa T, Moriyama M, et al. Evolutionary origin of insect-Wolbachia nutritional mutualism[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(28): 10257-10262.

[11]Ahmed MZ, Li SJ, Xue X, et al. The intracellular bacteriumWolbachiauses parasitoid wasps as phoretic vectors for efficient horizontal transmission[J]. PLoS Pathogen, 2015, 10(2): e1004672.

[12]Neu AK, Mansson M, Gram L, et al. Toxicity of bioactive and probiotic marine bacteria and their secondary metabolites inArtemiasp. andCaenorhabditiselegansas eukaryotic model organisms[J]. Applied Environmental Microbiology, 2014, 80(1): 146-153.

[13]Ballestriero F, Thomas T, Burke C, et al. Identification of compounds with bioactivity against the nematodeCaenorhabditiselegansby a screen based on the functional genomics of the marine bacteriumPseudoalteromonastunicateD2[J]. Applied Environmental Microbiology, 2010, 76: 5710-5717.

[14]Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, et al. Diversity of the human intestinal microbial flora[J]. Science, 2005, 308(5728): 1635-1638.

[16]Lozupone CA, Stombaugh JI, Gordon JI, et al. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota[J]. Nature, 2012, 489:220-230.

[17]Qin JJ, Li YR, Cai ZM, et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type diabetes[J]. Nature, 2012, 490(7418) 55-60.

[19]秦环龙，尹明明. 肠道微生态和肠道营养[J]. 中华普通外科学文献, 2015, 9(3): 182-187.

[20]Zhang X, Zhang D, Jia H, et al. The oral and gut microbiomes are perturbed in rheumatoid arthritis and partly normalized after treatment[J]. Natture Medicine, 2015, 21:895-905.

[21]Yano JM, Yu K, Donaldson GP, et al. Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis[J]. Cell, 2015, 161:264-276.

[22]孟庆英, 张立波, 张春峰, 等. 根瘤菌对大豆生理及农艺性状的影响[J]. 黑龙江农业科学, 2015, (1): 27-28.

[23]黄晓辉, 李珊, 谭周进, 等. 植物内生放线菌研究进展[J]. 生物技术通报, 2008, 1: 42-46.

[24]林玲, 张爱香, 金中时, 等. 生防细菌与黄腐酸绿源宝促进棉花生长及防治黄萎病的效果[J]. 江苏农业学报, 2006, 22(2): 122-126.

[25]丁国春, 付鹏, 李红梅, 等. 枯草芽孢杆菌ARll菌株对南方根结线虫的生物防治[J]. 南京农业大学学报，2005, 28(2): 46-49．

[26]Huang XF, Zhou D, Guo J, et al.Bacillusspp. from rainforest soil promote plant growth under limited nitrogen conditions[J]. Jonal of Applied Microbiology, 2015, 118: 672-684.

[27]王勇, 周冬梅, 郭坚华. 蜡质芽孢杆菌AR156对辣椒的防病促生机理研究[J]. 植物病理学报, 2014, 44(2): 195-203.

[28]陈波, 丁延芹, 马海林, 等. 樱桃根际促生细菌的筛选与鉴定[J]. 微生物学通报, 2012,39(12): 1746-1754.

[29]Abbasi MK, Sharif S, Kazmi M, et al. Isolation of plant growth promoting rhizobacteria from wheat rhizosphere and their effect on improving growth, yield and nutrient uptake of plants[J].Plant Biosystems, 2011, 145: 159-168.

[30]班宜辉, 徐舟影, 杨玉荣, 等. 不同程度铅锌污染区丛枝菌根真菌和深色有隔内生真菌侵染特征[J]. 西北植物学报, 2012, 32(11): 2336-2343.

[31]Yuan Z L，Zhang C L，Lin F C，et al. Identity，diversity， and molecular phylogeny of the endophytic mycobiota in the roots of rare wild rice(Oryzagranulate)from a nature reserve in Yunnan, China[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2010, 76(5):1642-1652.

[32]吴金丹, 陈乾, 刘晓曦, 等. 印度梨形孢对水稻的促生作用及其机理的初探[J]. 中国水稻科学，2015, 29(2): 200-207.

[33]刘润进, 陈应龙. 菌根学[M]. 北京: 科学出版社, 2007：447．

[34]陈媛, 王立, 马放, 等. 丛枝菌根真菌对鸢尾的促进作用研究[J]. 农业资源与环境学报, 2014, 31(3): 265-272.

[35]叶佳舒, 李涛, 胡亚军, 等. 干旱条件下AM真菌对植物生长和土壤水稳定性团聚体的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(4): 1080-1090.

[36]陈可, 孙吉庆, 刘润进, 等. 丛枝菌根真菌对西瓜嫁接苗生长和根系防御性酶活性的影响[J]. 应用生态学报, 2013, 24(1): 135-141.

[37]宋婷婷, 蔡为明, 金群力, 等. 一种袋栽黑木耳共生菌的鉴定及其共生效应初步研究[J]. 微生物学通报, 2014, 41(4): 614-620.

[38]陈桂梅, 李守萍, 张海涵, 等. 菌根伴生真菌对外生菌根真菌生长及其中性蛋白酶活性的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2009, 5: 206-210.

[39]刘润进, 田蜜, 刘宁, 等. 植物根系复合共生体研究进展[J]. 菌物研究, 2014,12(1): 1-7.

[40]Wang E, Schornack S, Marsh JF, et al. A common signaling process that promotes mycorrhizal and oomycete colonization of plants[J]. Current Biology, 2012, 22(23): 2242-2246.

[41]秦华, 林先贵, 尹睿, 等. 两株细菌与丛枝菌根真菌联合接种对红壤中DEHP降解的影响[J]. 土壤通报, 2008, 45(1): 143-149.

[42]屈庆秋. 菌根真菌及其促生细菌提高油松降解柴油的作用[D]. 杨凌：西北农林科技大学, 2010.

[43]Husnik P, Nikoh N, Koga R, et al. Horizontal gene transfer from diverse bacteria to an insect genome enables a tripartite nested mealybug symbiosis[J]. Cell, 2013, 153(7): 1567-1578.

[44]Fu Y, Yi Z, Pei J, et al. Effects of Bifidobacterium bifidum on adaptive immune senescence in aging mice[J]. Microbiol Immunol, 2010, 54: 578-583.

[45]Tabbers M, de Milliano I, Roseboom M, et al. Is Bifidobacterium breve effective in the treatment of childhood constipation? Results from a pilot study[J]. Journal of nutrition, 2011, 10: 19.

[46]Sivan A, Corrales L, Hubert N, et al. CommensalBifidobacteriumpromotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy[J]. Science, 2015, pii: aac4255.

[47]Ambrosini A, Beneduzi A, Stefanski T, et al. Screening of plant growth promoting Rhizobacteria isolated from sunflower (HelianthusannuusL.)[J]. Plant and Soil, 2012, 356(1): 245-264.

[48]Chauhan H, Bagyaraj D J, Selvakumar G, et al. Novel plant growth promoting rhizobacteria-prospects and potential[J]. Applied Soil Ecology, 2015, 95: 38-53.

[49]Farag MA, Zhang H, Ryu CM. Dynamic chemical communication between plants and bacteria through airborne signals: induced resistance by bacterial volatiles[J]. Journal of Microbiology, 2013, 50(3): 380-385.

[50]Marco ML, de Vries MC, Wels M, et al. Convergence in probioticLactobacillusgut-adaptive responses in humans and mice[J]. The ISME Journal, 2010, 4(11): 1481-1484.

[51]Chen P, Bakke D, Kolodziej L，et al. Antrum mucosal protein-18 peptide targets tight junctions to protect and heal barrier structure and function in models of inflammatory bowel disease[J]. Inflammatory Bowel Disease, 2015, 21(10): 2393-2402.

[52]Abreu MT. Toll-like receptor signalling in the intestinal epithelium: how bacterial recognition shapes intestinal function[J]. Nature Reviews Immunology, 2010, 10(2): 131-44.

[53]Madi A, Svinareff P, Orange N, et al.Pseudomonasfluorescensalters epithelial permeability and translocates across Caco-2/TC7 intestinal cells[J]. Gut Pathogen, 2010, 2(1): 16.

[54]Xu J, Mahowald M, Ley R, et al. Evolution of symbiotic bacteria in the distal human intestine[J]. Plos biology, 2007, 5(7):1574-1586.

[55]Pavloa A, Leonidb O, Irynab Z, et al. Endophytic bacteria enhancing growth and disease resistance of potato (SolanumtuberosumL.) [J]. Biological Control, 2011, 56(1): 43-49.

[56]Qin S, Xing K, Jiang J，et al. Biodiversity, bioactive natural products and biotechnological potential of plant-associated endophytic actinobacteria[J].Applied Microbiology And Biotechnology, 2011, 89 (3):457-473.

[57]刘丽, 杜秉海, 李俊. 根瘤菌与促生菌复合接种对大豆生长和土壤生态效应的影响[D]. 泰安：山东农业大学, 2014.

[58]吴兴兴, 吴毅散, 赵正龙, 等. 4个PGPR菌株拌种对干早条件下蚕豆生长及产量的影响[J]. 干早区研究, 2012, 29(2): 203-207.

[59]薛晓峋, 冯瑞华, 关大伟, 等. 大豆根瘤菌与促生菌复合系筛选及机理研究[J]. 大豆科学, 2011, 30(4 ): 613-620.

[60]Atieno M, Hernnann L, Gkalebo R, et al. Efficiency of different formulations ofBradyrhizobiumjaponicumand effect of co-inoculation ofBacillussubtiliswith two different strains ofBradyrhizobiumjaponicum[J]. World. J. Mierob. Biot., 2012, 28: 2541-2550.

[61]韩光, 张磊, 邱勤, 等. 复合型PGPR和苜蓿对新垦地土壤培肥效果研究[J]. 土壤学报, 2011, 48(2): 405-411.

[62]丁雪玲, 柯红娇, 刘红霞, 等. 生防菌3BY4和BQ9对番茄黄化曲叶病毒病的防病增产效果[J]. 中国农学通报, 2013, 29(31): 179-183.

[63]刘世旺, 徐艳霞, 颜蕾, 等. 土著花生根瘤菌田间试验研究[J]. 湖北农业科学, 2015, 54(6): 1328-1330.

[64]Daisy BH, Strobel GA, Castillo U, et al. Naphthalene, an insect repellent, is produced byMuscodorvitigenus, a novel endophytic fungus[J]. Microbiology, 2002, 148(11):3737-3741.

[65]Yang J, Yang Y, Wu WM, et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48：13776-13784.

[66]Campanelli A, Ruta C, DeMastro G, et a1. The role of arbuscular mycorrhizal fungi in alleviating salt stress inMedicagosativaL. car. Icon[J]. Symbiosis, 2013, 59: 65-76.

Symbiosis effects, functioning mechanisms and application prospects of symbionts formed with microorganisms and other living organisms

LI Min1, WANG Lin2

(1.InstituteofMycorrhizalBiotechnology,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109;2.InstituteofApiculturalResearch,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100093)

Since the origin of living organisms, microorganisms have established symbiotic relationships with other organisms. These symbiotic systems are driven by long coevolutionary processes, in which the partners live together intimately, and play physiological and ecological effects cooperatively. Symbiotic microorganisms have significant effects on health, development and propagation of human, animals and plants. They also influence the soil health and fertility, the safety of environment and food, the maintenance of biodiversity and ecological balance, and the genetic and evolution of living organisms. Symbiotic microbes function through direct synthesizing secondary metabolites, such as hormones and antibiotics etc., regulating related gene expression and changing community structures of other living organisms. The applications of these symbiotic micro-organisms have great prospects in medicine and health, animal husbandry, fishery, forestry, and sustainable agricultural production and development, food processing and storage, ecological environmental protection and biodiversity conservation.

microorganism; symbionts; symbiosis effects; functioning mechanisms; application

主要从事菌根学、蔬菜遗传育种与栽培生理研究以及教学与科研工作。近年来，先后主持和参加国家自然科学基金项目5项，主持国家“十二五”科技支撑计划项目子课题2项，主持和参加省部级科研项目10余项。在盆栽和大田条件下进行了AM真菌在瓜类、茄果类、薯芋类等蔬菜上的应用研究，表明AM真菌能有效促进这些蔬菜的生长，提高产量，改善品质。着重研究了AM真菌对连作西瓜生长的影响以及诱导西瓜抗枯萎病的机制，发现AM真菌能显著降低枯萎病发病率和病情指数，从而减轻镰刀菌对西瓜的为害程度，减轻西瓜连作障碍。获省部级等科技成果奖6项，其中，“中国丛枝菌根研究”2005年获得山东省自然科学奖一等奖，2008年获农业部中华农业科技奖三等奖。在国内外核心期刊上发表论文90余篇。主编教材2部、副主编教材2部，参编国家高等教育“十一五”规划教材3部。获山东省研究生教育省级优秀教学成果三等奖1项。

国家自然科学基金项目(31470101); 农业部公益行业项目(201303015);山东省科技发展计划项目(2013GNC11014);

李敏 女，教授，硕士生导师。主要从事蔬菜栽培生理以及菌根学教学与科研工作。Tel:0532-88030113,

E-mail: minli@qau.edu.cn

2015-10-25

Q93

A

1005-7021(2015)06-0001-09

10.3969/j.issn.1005-7021.2015.06.001

李敏，女，青岛农业大学菌根生物技术研究所，教授，博士，硕士生导师。1986年7月毕业于山东农业大学蔬菜学专业；1993年6月毕业于浙江农业大学蔬菜学专业；2005年6月毕业于中国农业大学植物营养学专业，获农学博士学位；2004年晋升为教授；2006年9月于山东农业大学园艺学博士后流动站做博士后研究工作。山东省有突出贡献的中青年专家、山东省高校三八红旗标兵、山东省三八红旗手、青岛农业大学巾帼建功十大标兵。山东省植物学会常务理事、山东省园艺学会理事，《北方园艺》、《青岛农业大学学报》等杂志编委。《中国农业科学》、《微生物学通报》等杂志审稿人。

青岛市基础研究项目(13-1-4-143-jch)