内生菌增强园林植物抗旱能力的作用机制及应用

张岩峰 谷媛媛 李焱波 杨易青

石家庄市龙泉湖园林事务中心，河北 石家庄 050000

0 引言

随着全球气候异常变化，干旱现象越来越频繁，严重制约植物生长和园林事业的发展。植物内生菌是指其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康活体植物各种组织和器官内，又不引起明显病害的微生物，可产生植物激素、诱导耐旱相关基因表达、产生大量小分子物质、改变根系结构等，能提高植物抗旱能力［1］。植物内生菌及其制剂可增强园林植物抗旱能力、提高观赏性，应用潜力巨大。

1 植物内生菌的种类

植物内生菌分布广，种类多，主要包括内生细菌、内生真菌、内生放线菌［2-3］。松科、柽柳科、豆科、菊科、禾本科等植物中均可分离到内生细菌，常见的有芽孢杆菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属、泛菌属、肠杆菌属等。松科、木樨科、无患子科等木本植物均可分离到内生真菌，主要有链格孢属、枝孢属、青霉菌属、拟茎点霉属等。禾本科、豆科、藜科、菊科等草本植物也可分离到内生真菌，以子囊菌和深色有隔内生真菌（Dark Septate Endophytes，DSE）为主，包括青霉属、曲霉属、镰孢霉属、匍柄霉属等。植物内生放线菌中常见的有链霉菌属、小单孢菌属等，如禾本科植物内生放线菌多为链霉菌属。

2 植物内生菌的传播方式

植物内生菌具有在植物之间转移的能力，其转移主要包括垂直传播和水平传播两种方式［4］。垂直传播，即植物内生菌通过亲本植物进入种子，通过种子传给子代，提高子代存活能力和抗病抗逆水平，传播效率可超过90%。水平传播，即外界微生物通过降解植物细胞壁进入宿主植物细胞间隙或细胞内定殖的传播途径，是最常见的传播方式。

3 植物内生菌的抗旱作用机制

干旱是制约植物生长的最主要的非生物胁迫因素之一。干旱胁迫可造成植物细胞损伤和膜的过氧化等，最终影响植物生存和生长发育。植物内生菌具有多种生物学作用，如促进种子萌发、促进植物生长、抗病虫害、固氮、溶磷、作铁载体、增强植物抗旱能力和抗盐碱能力等。内生菌增强植物抗旱能力的方式有多种，可通过产生植物激素（吲哚乙酸、水杨酸、脱落酸等）、诱导植物防御基因表达（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等）、产生大量小分子物质（脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱等）、清除过多的活性氧及平衡渗透压等，提高植物抗旱能力。部分植物内生菌可增加宿主植物根毛数量，促进侧根发育，从而增强植物吸收水分的能力，这在干旱期间尤其重要。丛枝菌根真菌还可通过菌丝直接吸收和转移水分来缓解干旱胁迫。DSE可改变宿主根系发育、产生植物激素，还可从根部延伸出菌丝维持水分运输。藤黄微球菌表达海藻糖磷酸酶和磷脂酶D，增强植物耐盐能力和耐旱能力。野莴苣种子中可分离出129 株内生菌，其中42 株在水分胁迫条件下可产生更多的胞外多糖，从而提高土壤持水量［5-6］。

4 内生菌对园林植物抗旱能力的影响

多种园林植物体内均可分离出内生菌，如海枣、多枝柽柳、抱茎独行菜、落叶松、挪威云杉、白蜡树、鸡爪槭、高羊茅、黑麦草等，且其内生菌可增强宿主植物的抗旱、抗盐碱、抗病虫害等能力［2-3］。

4.1 增强木本园林植物抗旱能力

在木本园林植物中，有关松科植物内生菌的研究较多。Gehring等［7］在美国新墨西哥州进行为期6年的野外研究发现，以DSE 接种松科植物，在干旱和热处理下，DSE定殖率超过50%，其多样性和物种组成不受任何温度和降水减少的影响，增加了松树根系的长度和生物量，有效提高了松树的抗旱能力，且DSE 可定殖于多种宿主，应用范围广泛。董硕等［8］研究发现，菌根菌剂（根内根孢囊霉）对3种常见绿化树种（樟子松、紫穗槐、水蜡）幼苗株高、地上部分生物量、根冠比等产生了显著影响，可为合理施用菌根菌剂提供依据。郭渊［9］采用菌根生物技术在野外山地条件下研究菌根化对造林（杉木、油松、木瓜、杜仲）成活率和苗木生长的影响，发现菌根化可显著提高苗木抗性、成活率、生长量。张可可等［10］利用菌根菌剂接种五角枫、榆树、白蜡和樟子松，进行沙地造林试验，发现菌根菌剂在干旱贫瘠地区造林中具有很高的应用价值。李丹丹等［11］研究发现，菌根真菌可诱导杜鹃水通道蛋白基因、ABA 合成关键基因等上调表达，增强水分利用率、清除多余活性氧，增强植物抗旱能力。洪文君等［12］研究发现，在干旱条件下人工接种菌剂，可增强毛棉杜鹃的耐旱能力。

4.2 增强草本园林植物抗旱能力

在草本园林植物中，关于高羊茅、黑麦草等禾本科植物内生菌的相关报道较多。在早期欧美牧场中，人们会不自觉筛选和使用抗旱能力更强的羊茅类、黑麦草类牧草。之后研究发现，这类牧草均富含内生菌。芽特异性内生真菌（Epichloë coenophiala）在夏季干旱的野外条件下，可提高高羊茅的抗旱能力。内生菌阳性植株趋向于产生新生分蘖，使植株展现出更高、更绿、更舒展、更柔软的形态，对干旱胁迫具有更强的耐受性。枯草芽孢杆菌B26菌株有效定殖于禾本科植物功能基因组学模式种二穗短柄草Bd21并迁移，最终垂直传播至种子，实现子代植株的系统定殖［13］。该菌株把长期或短期干旱胁迫对植株表型的影响降到了最小，且单次接种会影响植物的整个生长周期，加快其生长，缓解干旱胁迫［14］。Gagné-Bourque等［14］推测，枯草芽孢杆菌对早熟禾、华北剪股颖、高羊茅、黑麦草等常见禾本科草坪草具有抗旱和促生长的潜在价值。Afkhami 等［15］实地调查发现，内生真菌可减小干旱胁迫对植物的影响，使雀麦属（BromusL.）的适应范围扩大了约20%。用DSE 菌株接种园林花卉禾叶贝母兰（Coelogyne viscosaRchb. f.），可显著提高其幼苗生物量，增加其抗旱相关酶的活性和渗透压调节物质的积累，有效提高了禾叶贝母兰的抗旱性。

5 内生菌在园林植物抗旱中的应用

美国、日本、新西兰等国家一直致力于选育和开发更安全高效的植物内生菌株，进一步提高植物抵抗干旱等各种逆境胁迫的能力。内生真菌已较为成功地应用于羊茅类、黑麦草类冷季型草坪草。例如，在日本北海道使用多年的草地中，多年生黑麦草的含菌率几乎为100%，生长繁殖具有明显的竞争优势［16］。国外的羊茅类、黑麦草类冷季型草坪草中大多含有内生真菌，增强了植株对干旱、病虫害的抗性［1］。我国针对植物内生菌在草坪草中的研发和应用仍较薄弱，富含内生菌的草坪草多是国外进口。丛枝菌根真菌作为一类可侵入宿主植物根系内部并与根系建立菌根共生关系的菌类，可提高植物水分吸收能力，增强园林植物观赏品质和园林景观效果，商业化应用前景广阔。需要注意的是，植物种类和基因型对不同内生菌的定殖存在选择性，并且植物生长环境对微生物群落结构同样存在一定影响。例如，从生长在同一地点、距离1 m 的三角叶杨和柳树中分离出的内生菌完全不同；在4个不同的杨树克隆品系植株中，所包含的内生菌群存在差异［7］。因而，相关部门在利用内生菌提高园林植物抗旱能力的实际应用中，应针对不同植物、不同生长环境选择不同的内生菌种类，以最大限度提升园林植物的抗旱能力。

6 展望

多种微生物菌株已成功用于提高植物耐旱能力。接种内生菌，可使植物的光合活性、叶绿素含量、根系生长、水分状况、抗氧化酶含量和活性、植物激素信号分子、养分吸收等均得到改善，显著增强植株对干旱的适应性［1，14］。内生菌可以直接接种于植物种子或幼苗，避免处理大量土壤。已建植的园林植物亦可单独接种内生菌。内生菌可垂直传播的园林植物，更利于其定殖和扩散。园林植物抗旱能力的提高将明显减少管护工作量、提升工作效率、降低经济成本。国内关于草坪草、乔灌木、花卉等内生菌的开发应用，仍处于前期基础研究和应用试验阶段。因此，深入研究内生菌与植物之间的共生关系及抗逆作用机制，开发高效、安全、廉价的内生菌制剂，对提升园林植物的抗旱能力、节约水资源、降低维护成本、提高工作效率、改善生态环境具有重要意义。