重金属胁迫和内生菌对植物氮代谢影响的研究进展

谭佳缘 孙蔓蔓 夏师慧 李雪梅

摘 要：由于近年来人类活动和工业化进程的逐步加快，人们面临重金属污染已经到了严峻的时刻。内生菌与植物共生能够提高宿主植物的生长发育、影响生理代谢水平。本文主要对国内外学者们对内生菌和重金属胁迫对植物影响以及结合近些年来逐步成为热点的植物氮代谢的相关研究进行了综述。

关键词：内生菌;重金属胁迫;植物;氮代谢

1 引言

植物内生菌是指那些在其生活史的一定或全部阶段生活于植物各种组织和器官内部的真菌或者细菌，在长期的协同进化过程中，植物内生菌与被其侵染的宿主植物，形成了互惠互利的关系。植物内生菌共生在宿主植物体内获得稳定的生活环境的同时，也可以增强或赋予宿主抗病抗虫、抗旱抗盐碱和重金属、固氮等能力，或通过其代谢产物促进植物的生长，影响植物的基因表达，调节抗逆代谢途径，增强植物抵抗逆境的耐性。有些内生菌还被发现能够产生与宿主相同或相似的活性物质。因此对植物内生菌的研究从20世纪90年代起已逐渐成为微生物学家们关注的热点。我国面临着严峻的重金属污染问题，来自农业部的数据调查显示，我国约有140万公顷的农业用地采用了污水灌溉，受到重金属污染的土地面积占污染总面积的65.8%，约有2600公顷的农业土地被重金属所污染，造成1200万吨的粮食减产和总值高达200亿的经济损失。氮素不仅仅是植物体生长发育所必需的营养元素，也是植物体内如核酸、蛋白质和酶、植物激素和生物碱、叶绿素等多种化合物的重要组成部分，其代谢过程几乎涉及植物的所有生理过程，也在植物抗逆调节中起着重要的作用，与此同时也是关于植物抗逆机制的科学研究中的重要指标。

2 重金属胁迫对植物生长发育及氮代谢的影响

2.1 重金属胁迫对植物生长发育的影响

重金属是植物生长中的非必需元素，植物体内积累过高浓度的重金属物质会造成中毒的迹象，植物形态上会发生植株矮小、生长发育缓慢、生育期推迟、叶片卷曲变黄、出现斑点以及严重减产等现象。在铅胁迫处理下的小麦种子发芽率降低，胚芽鞘长度及须根生长也都受到了明显的抑制;铅胁迫下多年生黑麦草和高羊茅的鲜重均远低于对照组，假俭草、狗牙根和结缕草的生物量显著降低;金丝草的鲜重、干重及生物量都在高浓度的铅胁迫下有所降低;在铅胁迫下苜蓿的叶绿素含量随着铅离子浓度的升高而降低。在铅胁迫下的乔木树种北海道黄杨和雪中红的生物量积累也存在一定程度的减少。唐星林等发现，镉胁迫会降低龙葵叶片叶绿素含量和最大净光合速率，对叶片Rubisco酶羧化反应和电子传递过程也有抑制作用。马月花等使用CdCl2溶液处理黄芪幼苗后发现，黄芪幼苗根系MDA含量急剧上升，各种矿质元素的吸收明显下降。经高浓度铬胁迫处理的再力花渗透调节物质（如脯氨酸）含量明显下降，根系活力也呈整体下降趋势，叶绿素含量下降，光合作用减弱。马迎莉等对髯毛箬竹的研究也表现相似的结果。土壤中羟基铝的含量大幅度增加，植物面临铝毒危害的程度也逐渐增加，造成作物减产。铝胁迫会使水稻减产28%～62%，玉米减产46%～74%。张锦弦等采用连续浇灌木槿植株硫酸铝钾溶液模拟Al3+胁迫，导致木槿植株的生物量和增长率均有所下降，MDA含量增加，最大光合效率降低，张涵等对铝胁迫下柑橘的研究也得到相似结果。

2.2 重金属胁迫对植物氮代谢的影响

氮代谢过程与植物抵抗逆境的关系紧密，可以通过从氮素吸收、同化及氨基酸代谢等方面参与植物的抗逆性，也可以调节离子平衡、稳定细胞形态结构和蛋白质激素的平衡以及调节细胞代谢水平、减少植物体内活性氧的生成、促进叶绿素合成及维持光合作用正常進行等生理机制来影响植物抵抗非生物胁迫的能力。在氮代谢过程中，氮素主要是以硝态氮和氨态氮两种形式被植物吸收，其中有硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（GDH）、谷丙转氨酶（GPT）、谷草转氨酶（GOT）等多种氮代谢关键酶的参与。

2.2.1 重金属胁迫对植物氮素含量的影响 Bruzek的研究结果显示，在浓度为25、50、100微摩尔/升的铅胁迫下，黄瓜对硝酸根离子的吸收有所减少。在锌铬复合胁迫下，水稻根系全氮含量随铬浓度的变化规律不明显，而随锌浓度的变化规律明显。在铬浓度一定时，水稻根系全氮含量均随锌浓度的增加先增后降，且转折浓度的锌为250毫克/公斤。水稻茎鞘及叶中全氮含量的变化与根大体一致。从处理间的差异来看，锌浓度间、铬浓度间及锌铬浓度互作间水稻根系、茎鞘及叶中全氮含量的差异均达极显著水平。Gouia等研究表明镉胁迫会显著影响植物硝态氮的吸收。徐佳楠等研究发现小白菜的总氮含量随着镉浓度的升高呈下降趋势，且硝态氮的含量呈先升高后下降的趋势。赵明香等在对铬胁迫下烟草氮代谢影响的实验中也得到了相似的结果，除0.1～0.5毫克/升的低浓度铬离子处理以外，在高浓度下烟草硝态氮含量均低于对照组。郭智等发现镉处理条件下龙葵体内铵态氮质量分数变化规律与硝态氮有所不同，与硝态氮相比镉胁迫下龙葵叶片铵态氮富集效应更明显，龙葵叶片中铵态氮质量分数随镉处理浓度的升高逐渐升高，且随时间延长继续升高并在处理16天时到达峰值。

2.2.2 重金属胁迫对植物氮代谢关键酶的影响 在短期铅胁迫下，凤眼莲叶片的GS和GOGAT活性有所下降，当胁迫时间大于60天后，两种酶的活性均有不同程度的应激上升。在另一项关于铅胁迫下苦草氮代谢影响的研究中也有类似的结果，在低浓度铅胁迫下，GS对铅胁迫表现出了一定的适应和应激性，活性有所上升。另外，植物体内NR的活性也高于对照组。以上结果同样表现在大豆、甘蔗、芝麻、玉米和豌豆、以及果树品种八楞海棠和园林乔木红椿、香樟。黄维以不同品种的中稻为研究对象，通过盆栽试验，探讨镉胁迫对不同水稻品种几种氮代谢关键酶活性和植株氮磷钾养分积累及产量的差异性。结果表明，和镉正常处理相比，镉胁迫处理对NR的活性主要为抑制作用，对GS活性具一定的促进作用，但与品种关系密切。镉胁迫对GOGAT活性的影响，促进与抑制基本各半，从时间规律上看，对GOGAT活性的影响在营养生长期促进作用明显，进入生殖生长期主要表现为抑制作用。冯建鹏等也证明，镉胁迫处理显著抑制了黄瓜幼苗的NR、GS、GOGAT的活性，以上实验结果与林新萍等研究镉对苦瓜叶片氮代谢影响的结果相一致。

3 内生菌对植物生长发育及氮代谢的影响

经过多年针对植物内生菌的研究，已经可以确定其在植物微生态系统中的重要地位。它不仅可以直接分解营养物质促进植物的生长发育，还可以通过次生代谢产物对宿主植物产生促生作用以及调节植物的各种生理代谢过程。

3.1 内生菌对植物生长发育的影响

迟惠荣等研究发现，经内生贝莱斯芽胞杆菌菌液处理后的多花黄精植株根长、单株根数增加。郎宸用对比了内生菌处理的玉米，单株生物量、比叶质量、叶面积指数、株高、茎粗等均表现出了显著的增加，并且这些生长性状随着生长期的进行而不断增加，加菌与未加菌组的生长特性之间的差距也逐渐加大;玉米叶片的蛋白质含量、碳水化合物含量、叶绿素a和b的含量随着生长期的进行，内生菌处理组的影响比对照组更为明显;同时，内生菌处理的玉米碳、氮、磷和钾等营养物质的积累和植物激素IAA、细胞分裂素的含量也远高于对照组;内生菌处理还提高玉米穗粒数和穗粒质量。

杨鑫等研究发现内生菌YX-1对花生SOD、POD、CAT等保护酶活力有显著提高。赵媛等从青海高山地区对叶红景天中分离出24株内生菌，其中有12株具有抑菌活性。丛国强等研究发现接种内生真菌球毛壳ND35的冬小麦通过降低MDA的氧化性损伤以及增强POD酶的活性提高两种冬小麦的抗旱性。仝瑞建等研究发现接种AM真菌则显著缓解重金属铅对小麦的毒害作用，增加小麦根系活力、生物量，有效地促进了矿质元素和水分的吸收。龙洋使用内生菌浇灌黑麦草幼苗发现内生菌可以使黑麦草叶绿素含量、幼苗苗高、过氧化物酶活性增高，MDA含量和相对电导率下降，证明了内生菌可以减缓铅对黑麦草幼苗的危害。

3.2 内生菌对植物氮代谢的影响

3.2.1 内生菌对植物氮素含量的影响 在内生菌-植物-胁迫体系中，内生菌可以促进硝酸盐胁迫下植株幼苗的生长，提高植株幼苗对硝态氮的吸收，使氮代谢活性增强，铵的同化加快，从而避免了铵的毒害。Lyons等在研究苇状羊茅内生真菌 （Neotyphodium coenophialum） 与高羊茅 （Festuca arundinacea） 共生时，发现内生真菌对感染植株的氮积累和氮代谢有显著的增加。袁志林等用内生真菌B3感染水稻后发现，B3产生的多种游离氨基酸可以作为水稻合成激素类物质的前体，从而促进水稻的氮代谢。豆科植物是内生根瘤菌的最佳宿主，在土壤中缺乏氮素时内生菌可以提高宿主植物对氮的吸收，Upson等也发现内生菌能在宿主植物的根际周围有机化氨基酸和多肽类物质，从而让宿主植物的根际更好地利用它们作为氮源。除了将土壤中的氮素固定给宿主植物同化吸收之外，内生菌还可以固定大气中的N2给植物吸收利用。更因为内生菌生活史远远短于其宿主植物，在其死亡崩解后释放出体内的氮素也可供宿主植物逐渐吸收利用。刘桂青等发现内生菌菌处理的柳树地上、地下部氮素养分积累量均比对照有明显的增加。胡绵好等将固定化氮循环类内生菌与凤眼莲结合，发现凤眼莲体内氮固定含量显著增加。植物内生菌能产生次生代谢产物自身合成或促进宿主植物产生多种植物激素（如IAA、GA、CTK、ABA等）、渗透调节物质（如脯氨酸、可溶性蛋白等）、维生素等有机物，促进植物氮代谢。Hurek等发现内生菌Azoarcus sp.能够分泌生长素，促进植物发根增加根的表面积，提高植物对氮素和其他营养物质的摄入量。也有许多研究者发现，内生菌可以合成分泌VB1、VB6等，周德平等也發现内生菌感染兰花后能产生VB6的前体PABA和VB1。

3.2.2 内生菌对植物氮素代谢关键酶的影响 Zhang等研究发现内生菌侵染宿主植物具有分泌固氮酶的能力，且不会引起宿主产生不良反应。宁帅然研究发现水稻内生放线菌可以在环境中缺少氮素时显著提高水稻NR、GS、GOGAT的活性来促进氮素的同化以及循环代谢。被内生真菌F11侵染的甜菜，无论是在其根部还是在叶部，GS和NR的活性都有显著的提升，从而可以促进甜菜氮代谢。Lyons等也发现内生菌的侵染可以提高高羊茅体内的GOGAT的活性，提高氨同化利用率促进氮代谢;关于内生菌提高植物GS活性的研究结果在水稻、玉米等作物中均有报道。Ouyang等使用内生固氮菌浸泡甘蔗种子后，发现甘蔗叶片NR活性明显升高;甚至有研究者发现内生菌能直接分泌NR以促进宿主植物从土壤中固定氮素，促进氮循环。

4 展望

目前，植物内生菌已经被证明是一种可以有利于植物生长发育的新型微生物资源。现有的文献报道多是从生理水平概述了内生菌对植物氮吸收和代谢的增强促进，内生菌对宿主植物氮代谢的影响除了涉及固氮和同化代谢外，也还可能与内生菌在体外条件下对氮素利用的机制有关。目前的研究尚停留在内生菌提高植物氮代谢关键酶活性的宏观表现阶段，未发现有报道对其内在机理作出详细阐述。而且关于内生菌提高宿主植物的氮素利用率是由内生菌产生的酶的直接作用或是内生菌间接刺激宿主相关酶表达的间接作用现在也仍不可知。

而内生菌-植物-重金属胁迫是个复杂的体系，内生菌可以将重金属离子吸附到其菌体自身表面的化学功能团或功能蛋白，减轻对植物的毒害;也可以将透过细胞膜扩散到内生菌细胞内部的污染物包埋到细胞包囊中或通过细胞内的一系列结合蛋白沉淀、螯合重金属，甚至可能通过细胞内部的氧化还原作用来减轻重金属的毒害;分泌酶和有机酸等胞外物使金属沉淀，减少其毒性。根据这些机制也有望找到更多的有益内生菌，不仅在植物保护中具有重要的作用，也可应用于植物修复和解决环境污染等领域。

基金资助：国家自然科学基金资助课题（31470398， 31600314，31270369）;沈阳师范大学大学生创新创业训练计划项目（201810166127）。

作者简介：谭佳缘（1995-），女，研究生。研究方向： 生物化学与分子生物学。

通讯作者：李雪梅（1967-），女，博士，教授。研究方向：植物逆境生理。