植物种子内生菌及其应用前景的研究进展

陈柯璇，李海燕

（昆明理工大学医学院，云南 昆明 650500）

当前，普遍认为植物内生菌是一类微生物，包括细菌，真菌，放线菌和藻类，它们定植在植物的组织或器官内部度过整个生命周期但不会引起宿主植物任何疾病症状［1-2］。种子作为植物的重要繁殖器官，是多种有益菌的载体，能够通过垂直传播的方式将有益菌代代相传［3］。种子内生菌作为第一个定植在新幼苗体内的微生物群，对于宿主植物来说具有重要的生态学意义，目前针对种子内生菌对植物生长发育影响及应用前景的研究较少［4-5］。

本研究将对内生菌与种子的关系及其传播方式以及在农业生产、环境保护、生物医药、作为外源基因载体等方面应用前景进行总结，旨在为种子内生菌的应用提供新思路，对下一步研究方向予以展望。

1 内生菌与种子的关系及其传播方式

1.1 内生菌与种子的关系

内生菌是植物微生态系统中必不可少的组成部分，生活于植物组织内，与宿主形成紧密的共生关系，从宿主植物中获取营养和庇护，进而通过各种机制促进宿主植物生长，抑制病害［2，6］。种子内一旦建立微生物群，这些微生物就可以在种子萌发期间自然转移到幼苗，促进幼苗生长［7］。种子内生菌必须具有高效的运动性和进入种子并在种子中生存的能力［8］。

1.2 内生菌的传播方式

种子内生菌有不同的植入方式。Maude等人［9］认识到，内生菌进入种子主要是通过亲本植物中的维管束或木质部组织经开花后的柱头进入。Truy⁃ens等人［10］讨论了内生菌进入种子的三种主要方式：（1）利用维管组织从亲本植物传递到种子胚乳；（2）通过配子直接传递到胚乳；（3）从成熟果实直接垂直传播。

内生菌的传播方式很重要，它决定了传播的效率［11］。研究表明，许多内生菌的垂直传播率大于90%［12］。显然，垂直传播是更广泛和有意义的，因为它能够为植物世代生长提供一个从亲本植物选择性传递有益内生菌的机会［13-14］。Walitang等人［15］在不同地点的杂交或近亲繁殖后的水稻种子中发现了相似的内生菌种群，表明内生菌能够跨世代、跨环境传播。Anderson发现带有绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein，gfp）标记的种子成团泛菌（Pantoea agglomerans）能够向幼苗传播，证明了桉树种子内生菌的垂直传播［16］。

2 应用前景

种子内生菌是建立植物内生菌群的基础，能为宿主植物的生长发育和植物保护提供许多益处，可以赋予宿主植物抗草食性［17］、害虫抗性［18］、增加耐旱性［19］、抗病性［18］、强化微量营养素［20］、抗盐胁迫［21］和提高对重金属胁迫的耐受性［19］。不同的研究者对内生菌分泌的天然化合物进行了详细的研究，这些化合物属于生物碱类、萜类、类黄酮类、甾类聚酮类等多种化学基团，具有抗菌、抗疟、抗癌、杀虫等多种生物活性［22-25］。

2.1 农业生产方面

2.1.1 促进种子萌发

在种子萌发过程中，内生菌可以直接或间接地促进植物生长［26］。伴随植物种子萌发，会出现乙烯释放高峰，在幼苗出土后如果仍有大量乙烯产生就会抑制幼苗生长。此时内生菌产生的1-氨基环丙烷-1-羧基（1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic Ac⁃id，ACC）脱氨酶就可以降低乙烯产生量，促进幼苗生长［27］。枝孢霉菌（Cladosporium cladosporioides）是碱蓬的种子内生真菌，它表现出促进种子萌发和植物生长的特性［28］。藜麦种子内生菌对宿主细胞增殖有积极的促进作用，从而支持宿主的快速萌发［29］。

2.1.2 促进植物生长

内生菌直接促进植物生长的机制包括固氮作用、养分动员（如通过产生有机酸和铁载体促进植物对磷和铁的吸收）、产生植物激素（如生长素、吲哚-3-乙酸、ACC脱氨酶）。间接促进植物生长的机制包括通过竞争空间和养分、拮抗、水解酶的分泌、抑制毒素和诱导植物产生防御机制来抑制植物病原菌的活性［2，30-33］。瓜类的种子内生菌有33%的菌株能够产生吲哚-3-乙酸，可促进宿主植物对营养物质的获取［34］。水芹种子内生菌可以通过提高矿物质养分利用率和诱导植物激素的产生来促进植物生长［35］。松树种子内生菌能够通过产生有机酸来释放岩石粉末中的无机营养物质［20］。

2.1.3 抗植物病原体

种子内生菌可以保护宿主植物抵抗各种病原体［36］。矢车菊内生菌布勒掷孢酵母（Bullera）能够产生苦参碱，保护宿主植物免受病虫害侵扰［37］。玉米种子内生菌芽孢杆菌（Bacillus）能产生挥发性物质抑制玉米大斑病菌、水稻纹枯病菌等多种病原菌菌丝的生长［18］。解淀粉芽孢杆菌（Bacillusamylolique⁃faciens）产生的芽孢杆菌脂肽被认为是用于植物病害生防的通用武器，它们作为“拮抗剂”通过对细胞膜的破坏或增溶来抑制许多植物病原体的生长［38］。

2.1.4 抗逆作用

土壤干旱、盐碱化、重金属污染等不良环境都是影响农业生产的重要因素。一些种子内生菌可以提高宿主植物对重金属的耐受性，并帮助宿主植物从不正常的土壤中获取无机养分［20］。藤黄微球菌（Micrococcusluteus）能够表达海藻糖磷酸酶和磷脂酶D，从而增加植物的耐盐性和耐旱性［21］。仙人掌种子内生菌能够迁移到根部，在贫瘠岩石上参与岩石矿物质转化［20］。从生长在铅锌污染地超富集植物小花南芥中分离出来的内生真菌FXZ2，能够提高宿主植物的抗逆性和增加其对重金属（铅、锌和镉）的耐受性［19］。

2.2 环境保护方面

目前，工农业来源的有害污染物对人类健康有很大影响并造成生态失衡。植物与内生菌共生共进化策略是针对重金属污染、土壤污染等环境条件，通过内生菌辅助植物修复过程来实现的。植物修复（植物的代谢系统从环境中提取有毒化学物质、重金属和污染物的过程），植物提取（植物从土壤或水中去除重金属或有毒化合物）、植物稳定（植物固定金属和降低不同营养水平污染物的生物有效性）、生物积累（积累或吸收有机和无机污染物、根际过滤和挥发物的蒸散），这一系列操作都是在内生菌辅助下完成的［39-41］。内生菌可以通过金属抗性或螯合途径减轻污染物的植物毒性［42］，并通过释放金属螯合剂（例如铁载体、生物表面活性剂和有机酸）提高重金属的植物利用率、土壤酸化、氧化还原活性和磷酸盐溶解［43］。禾草细弱剪股颖（Agrostis capillaris）种子内生菌芽孢杆菌（Bacillussp.）以及泛菌（Pantoeasp.）具有增磷、耐镉、生产铁载体的能力，有利于植物提取和植物稳定［44］。拉乌尔菌（Raoultellasp.）通过离子交换摄取土壤中的镉，修复重金属污染的土壤［39］。种子内生菌隐球菌（Crypto⁃coccussp.）可以提高宿主甘蓝在多金属污染的土壤中对重金属镉、铅、锌的植物萃取率，以降低土壤中重金属的含量［45］。内生菌（Phomopsisiquidambaria）能有效降解宿主重阳木中的多环芳烃，达到对有机污染物的植物修复的目的［46］。

2.3 生物医药方面

美国食品药品监督管理局（Food and drug ad⁃ministration，FDA）有报告显示，在从天然产物中发现的38%药物中，微生物贡献了约25%［47］。植物内生菌主要从直接分泌医用代谢产物和促进宿主植物产生医用代谢产物的形成和积累两方面在生物医药方面发挥作用。研究表明植物内生菌代谢产物有抗肿瘤、抗菌，抗病毒等作用［48］。红树根中的嗜冷杆菌（Psychrobacter）代谢产物具有抗真菌病原体的活性，是潜在的医药抗生素来源［49］。从雷公藤中分离到的内生菌能产生一种新型环肽抗生素，对癣菌及白色念珠菌等人类病原真菌具有强烈抑杀作用［50］。镰刀菌（Fusariumsp.）的几种代谢物可用于癌症、疟疾、神经、心血管疾病和自身免疫性疾病等疾病有效治疗药物的开发［48］。Stierle等人从短叶红豆杉内生菌安德列亚霉（Taxomycesandreanae）的次生代谢产物中发现了著名的抗癌化合物紫杉醇［51］。黄花蒿内生胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeo⁃sporioides）可促进宿主植物产生抗疟药青蒿素［52］。红花风车子内生菌耐辐射甲氧半乳杆菌（Methylo⁃bacterium radiotolerans）可以与宿主植物有共同的次生代谢产物生物合成途径，这些产物包括黄酮类化合物和生物碱［53］，黄酮类化合物具有抗菌、抗癌、抗炎、抗过敏、抗氧化和抗病毒特性［54］。

2.4 作为外源基因载体

利用有益内生菌进行基因组学辅助育种可用于农作物改良［3］。目前，已经有人以内生菌为受体转入抗病或抗虫基因，再将其引入植物体内，使植物起到与防病杀虫转基因植物相同或类似的作用。研究者将抗病chiA基因转入从苹果苗中分离出的内生菌内，再将其接种到豆苗中，可以防治豆苗病原真菌棉花立枯菌（Rhizoctomia solani）。在甘蔗内生菌中转入抗虫基因cry 1AC，再回接甘蔗，可以防治甘蔗茎螟［50］。

3 展望

种子的垂直传播是植物获得有益内生菌的重要途径，通过生物技术的应用了解种子内生菌群落组成和影响群落的因素有助于提高种子质量、促进重要农业作物的生长［55］。目前，种子内生微生物群落组成仍不十分清楚，在此背景下，使用PacBio单分子实时测序技术（Single molecule real-time，SMRT）中 的16S核蛋白 体RNA（16S ribosomal RNA，16SrRNA）扩增子测序方法对种子内生菌进行全基因组测序，可以观察其在种水平上的组成特点，有助于深入挖掘种子内生菌的菌群结构，完善内生菌基因组数据资源，寻找不同胁迫环境下种子内生菌之间的差异菌种，在此基础上结合蛋白质组、转录组和代谢组学方法可以对植物内生菌-种子-幼苗相互作用的机制提供详细的解释，进一步预测内生菌群的多样性、群落组成及其在种子萌发和幼苗发育中的潜在作用，为下一步将种子内生菌相关研究应用在促进植物生长及抗逆、生物医药、环境保护等方面提供重要的前期积累和理论参考。