植物內(nèi)生菌的研究進(jìn)展

王莉衡

(西安文理學(xué)院生命科學(xué)系，陜西 西安 710065)

在植物的生態(tài)環(huán)境中，存在著各種各樣的微生物，它們有的附著于植物的表面，有的則生活于植物體內(nèi)。對于附著于植物表面和根際的微生物已有很多研究，而對于植物體內(nèi)微生物的研究卻剛剛起步。但有資料顯示，一些植物內(nèi)生微生物與宿主發(fā)生關(guān)系時，可明顯增強宿主的抗病性，提高植物的生產(chǎn)力。因此，合理利用植物的內(nèi)生微生物具有重要的理論意義和實用價值[1～5]。植物內(nèi)生菌作為微生物研究領(lǐng)域之一，近年來一直備受關(guān)注。內(nèi)生菌不僅在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境凈化領(lǐng)域有良好應(yīng)用效果，而且在植物病蟲害防治、新型無公害農(nóng)藥研發(fā)、保持植物微生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性以及維護農(nóng)田生態(tài)平衡等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

1 植物內(nèi)生菌的起源

內(nèi)生菌(Endophyte)概念是在1866年首先由Bary提出的，是指那些在其生活史的一定階段或全部階段生活于健康植物的組織或器官內(nèi)部的微生物(主要為真菌和細(xì)菌)。其后的很長時間內(nèi)，內(nèi)生菌研究進(jìn)展緩慢。直到1993年，美國蒙大拿州立大學(xué)Strobel等[6]從短葉紅豆杉的韌皮部位分離到一株產(chǎn)新型抗癌物質(zhì)紫杉醇的內(nèi)生真菌，從而啟發(fā)人們可望從植物內(nèi)生菌尋找與植物產(chǎn)生的相同或相似的化合物，由此促進(jìn)了植物內(nèi)生菌的研究。

2 植物內(nèi)生菌的生物多樣性

植物內(nèi)生菌為植物組織內(nèi)的正常菌群，包括植物內(nèi)生真菌、內(nèi)生細(xì)菌和內(nèi)生放線菌[7～9]，廣泛分布于各種陸生及水生的低等植物和高等植物中。植物內(nèi)生菌具有豐富的生物多樣性，主要有以下三方面：寄主植物種類多樣性、內(nèi)生菌在寄主植物不同部位分布多樣性和內(nèi)生菌自身種類多樣性。

目前全世界至少已經(jīng)從上百種植物中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生菌，其中僅在禾本科植物中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)生真菌就有80個屬290種之多[10]，大多數(shù)內(nèi)生真菌都屬于子囊孢子類(Ascomycetes)，包括核菌綱(Pyrenomyetes)、盤菌綱(Discomyetes)和腔菌綱(Loculoascomyetes)的許多種類以及它們的一些衍生菌。自20世紀(jì)70年代后期，內(nèi)生菌在一些重要的經(jīng)濟林木如針葉類的各種冷杉、云杉、紅杉、紫杉、松柏等以及闊葉的桉樹、樺樹、愷木等植物的樹皮、枝葉中相繼被發(fā)現(xiàn)并得到了廣泛的研究。進(jìn)而在多種灌木、草本植物以及栽培作物、果樹甚至藻類、苔蘚和蕨類植物中也發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生真菌和細(xì)菌[11]。內(nèi)生細(xì)菌在植物中的數(shù)量比內(nèi)生真菌要少得多，但早在50多年前就已有關(guān)于植物體內(nèi)存在內(nèi)生細(xì)菌而不引起植物病癥的報道。據(jù)不完全統(tǒng)計，已從小麥、棉花、水稻、花生、馬鈴薯、番茄、檸檬、柑桔等近30種植物中分離出了近60個屬的內(nèi)生細(xì)菌，其中約有三分之二為革蘭氏陰性細(xì)菌[12，13]。近年來關(guān)于內(nèi)生放線菌的報道也陸續(xù)增多，1992年，Saarcchi等[14]對意大利28種植物根進(jìn)行表面消毒分離培養(yǎng)出大量放線菌。此外，還從赤楊根際和根瘤中分離出一個Amycolata的新種(A.alni)[15]，從日本貓尾木及泥炭蘚中均分離到放線菌。在我國，也報道了從棉花、香蕉等植物中分離出內(nèi)生放線菌[5，16，17]。

內(nèi)生菌的菌絲生長于植物組織的細(xì)胞間，分布于葉鞘、種子、花、莖、葉片和根。研究表明，葉鞘和種子的內(nèi)生真菌菌絲含量最高。已經(jīng)從黃瓜、甜菜根、花生果仁、馬鈴薯的塊莖、種子和胚珠、棉花的培根、未開的花及水稻葉子及其它植物的儲藏器官中分離得到大量內(nèi)生菌，可見植物內(nèi)生菌的分離部位趨于多樣化[17，18]。

3 植物內(nèi)生菌的分類

內(nèi)生菌按存在方式的不同，可以分為以下三類[17，19]：(1)依賴性(專性、兼性)。植物內(nèi)生菌不僅存在于植物的內(nèi)部，也常見于土壤。目前內(nèi)生細(xì)菌中如假單孢菌屬、腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、產(chǎn)堿菌屬、志賀氏菌屬、檸檬細(xì)菌屬及革蘭氏陽性細(xì)菌的一些屬，都屬于兼性內(nèi)生。紅蒼白草螺菌或織片草螺菌只能夠生活在高粱和甘蔗等作物的組織內(nèi)，屬于只存在于植物內(nèi)部而在植物根際無法分離得到的專性內(nèi)生菌。(2)忍耐性(持久、暫時)。植物內(nèi)生菌不僅可以永久存在于植物組織內(nèi)，也可以只存在于植物生育期的一段時間內(nèi)。甜菜中的腐爛棒桿菌和水稻中的成團腸桿菌可以在宿主植物的整個生活史中存在，而大部分內(nèi)生菌只存在于植物生活史的部分時期。(3)專一性(專一性、非專一性)。有些內(nèi)生菌可以存在于多種寄主中，而有些內(nèi)生菌只存在于單一寄主中。大部分內(nèi)生菌屬于非專一性。熒光假單孢菌可以從菜豆、小麥、番茄、檸檬、甜菜、玉米中分離得到。成團桿菌也可以從玉米、檸檬、黃瓜、土豆中分離得到，而重氮營養(yǎng)醋桿菌只存在于甘蔗中。

4 植物內(nèi)生菌的生物學(xué)作用

內(nèi)生菌在植物體中的生物量是很微少的，但植物內(nèi)生菌作為植物微生態(tài)系統(tǒng)中的天然組成部分，可以通過自身的代謝產(chǎn)物或借助信號傳導(dǎo)作用對宿主產(chǎn)生影響?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌對宿主植物至少有以下幾個方面的有益作用：固氮作用、促進(jìn)宿主植物生長、抗逆境、抗病原真菌和細(xì)菌以及他感作用等。

4.1 固氮作用

氮是農(nóng)作物生長發(fā)育的必需元素之一，氮的使用量在一定程度上可以決定農(nóng)作物的產(chǎn)量。定殖在健康植物體內(nèi)的內(nèi)生固氮細(xì)菌可與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合固氮，進(jìn)而促進(jìn)植物生長?，F(xiàn)已從甘蔗、水稻、玉米、高粱及牧草中分離得到內(nèi)生固氮菌。

4.2 促進(jìn)宿主植物的生長

研究結(jié)果表明，感染內(nèi)生菌的植株一般比未感染植株生長得快。內(nèi)生菌對宿主植物的促進(jìn)生長作用主要表現(xiàn)在種子發(fā)芽、分蘗生長、幼苗存活、植株的高重和生長勢、生物量積累等多方面[20]。內(nèi)生菌的這種促植物生長作用可以從兩方面來理解。一方面，內(nèi)生菌可產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的物質(zhì)如植物生長激素(IAA、吲哚乙腈)、赤霉素以及細(xì)胞激素等，直接促進(jìn)植物生長。另一方面，內(nèi)生菌也能幫助宿主植物吸收氮、磷等營養(yǎng)元素，或與病原菌競爭營養(yǎng)和空間或直接產(chǎn)生拮抗物質(zhì)而抑制病原菌，從而間接促進(jìn)植物生長[21]。禾本科農(nóng)作物的內(nèi)生細(xì)菌具有很強的固氮能力。感染內(nèi)生真菌的牧草對氮、磷的攝取能力也有所提高[22，23]。

4.3 增強宿主植物對環(huán)境脅迫的抗性

內(nèi)生菌增強植物的抗逆性可分為非生物脅迫和生物脅迫兩類。非生物脅迫主要表現(xiàn)在可增強抗高溫、抗干旱、抗鹽堿等方面，有研究結(jié)果表明感染內(nèi)生菌的牧草對環(huán)境脅迫如干旱[24]具有更強的抗性。生物脅迫主要表現(xiàn)在可阻抑昆蟲和食草動物的采食、抵抗病蟲害等方面，保護宿主免受危害[25～29]。

4.4 其它生物學(xué)作用

植物的他感作用是指植物植株向環(huán)境中釋放某些化學(xué)物質(zhì)，影響周圍其它植株生理生化代謝及生長過程的現(xiàn)象。這種作用是種間關(guān)系的一部分，是生存競爭的一種特殊形式，種內(nèi)關(guān)系也有此現(xiàn)象。他感作用是自然界存在的普遍現(xiàn)象。

研究表明，有的感染內(nèi)生菌植物會對周圍的其它植物產(chǎn)生抑制或促進(jìn)其生長的他感作用，其中牧草內(nèi)生菌產(chǎn)生的毒麥堿對鄰近植物有較強的他感作用[30]。感染內(nèi)生細(xì)菌的紅花車軸草(Trifoliumpratense) 也具有抑制玉米生長的他感作用[31]。在植物與內(nèi)生菌的作用過程中，有的內(nèi)生菌成為了分解宿主植物自身組織的先鋒[32]，有的內(nèi)生菌能夠誘導(dǎo)宿主植物細(xì)胞的活性物質(zhì)代謝[33～35]。植物內(nèi)生菌的上述生物學(xué)作用使其在菌-植物-動物-環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色。

5 展望

植物內(nèi)生菌生存環(huán)境的特殊性決定了其既有理論研究的廣度和深度，又有多方面的應(yīng)用潛力，是潛力巨大、尚待開發(fā)的微生物新資源。近20年來，雖然在植物內(nèi)生菌的入侵機理、系統(tǒng)學(xué)、生態(tài)學(xué)和資源開發(fā)方面開展了一系列研究工作，但是對很多問題還不是很清楚，缺乏全面系統(tǒng)的研究，絕大多數(shù)植物的內(nèi)生真菌仍有待深入研究?？偠灾?，植物內(nèi)生菌是一類應(yīng)用前景廣闊的資源微生物。

[1]Bird L S，Liverman P, Peroy R G，et al.Evidence that microorganisms in and on tissues have a role in a mechanism of multiadversity resistance in cotton[A].Proc Beltwide Cotton Prod Res Conf，National Cotton Council of America，Memphis，TN.1980：283-285.

[2]Elzik K M.Symbiotic organism associated with plant part of MAR and no-MAR cottons[J].Phytopathology，1985，75(11)：1344-1347.

[3]Schipper B.Molecular Aspects of Plant Growth AffectingPseudomonasSpecies in Reorganization in Micro Plant Symbiotic and Pathogen Interaction[M].Spring-Verlay，Berlin Heidelbery，1986:36-79.

[4]Cook C G.Effect of treatment withBacillusspecies on cotton root traits，yield，and phymatotrichum root rot[J].Idem，1987，47(3)：235-239.

[5]劉淑芬，韓寶坤.植物內(nèi)生菌研究綜述[J].邯鄲農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2000，17(2)：15-20.

[6]Strobel G，Stierle A，Stierle D.Taxomyces andreana a proposed new taxon for a bulbilliferous by phomycete associated with pacific yew(taxus brevifolia)[J].Mycotoxon，1993，40(7)：71-81.

[7]Azevedo J L，Maccheroni J W，Pereira J O，et al.Endophytic microorganisms：A review on insect control and recent advances on tropical plants[J].J Biotech，2000，3(1)：40-65.

[8]郭良棟.內(nèi)生真菌研究進(jìn)展[J].菌物系統(tǒng)，2001，20(1)：148-152.

[9]曹理想，周世寧.植物內(nèi)生放線菌研究[J].微生物學(xué)通報，2004，31(4)：93-96.

[10]Andrews J H.Biological control in the phyllosphere[J].Ann Rev Phytopathol，1992，30(1)：603-635.

[11]Zou wenxin，Tan renxiang.Biological and chemical diversity of endonhytes and their potential applications[J].Advances in Plant Sciences，1999，(2)：183-190.

[12]韓繼剛，宋未.植物內(nèi)生細(xì)菌研究進(jìn)展及其應(yīng)用潛力[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2004，14(4)：374-379.

[13]林玲，喬勇升，顧本康，等.植物內(nèi)生細(xì)菌及其生物防治植物病害的研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，24(6)：969-974.

[14]Saarcchi M，Sardi P.Growth Promoter Streptomyces Employed in Seed Bacterization Institute of Plant Pathology[M].Milano，Italy，1992:45-87.

[15]Evtushenko L I，Akimov V N, Dobritsa S V，et al.A new species of actinomyceteAmycolataalni[J].Int J Syst Bacteriol，1989，39(1)：72-77.

[16]曹理想，田新莉，周世寧.香蕉內(nèi)生真菌、放線菌類群分析[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，42(2)：70-73.

[17]張姝.植物內(nèi)生放線菌Fq24的分離篩選及生物活性初步研究[D].晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[18]McInroy J A，Kloepper J W.Survey of indigenous bacterial endophytes from cotton and sweet corn[J].Plant and Soil，1995，173(2)：337-342.

[19]Lynch J M，F(xiàn)letcher M，Latham M J.Mycorolial Elology A Conceptual Approach[M].UK：Black Well Scientific Publications，1979:33-61.

[20]任安芝，高玉葆.植物內(nèi)生真菌——一類應(yīng)用前景廣闊的資源微生物[J].微生物學(xué)通報，2001，28(6)：90-93.

[21]文才藝，吳元華，田秀玲，等.植物內(nèi)生菌研究進(jìn)展及其存在的問題[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23(2)：86-91.

[22]Reis V M，Baldani J I，Baldani V L D，et al.Biological dinitrogen fixation inGramineaeand palm trees[J].Critical Rev Plant Sci，2000，19(3)：227-247.

[23]Malinowski D P，Brauer D K，Belesky D P.The endophyteNeotyphodiumcoenophialumaffects root morphology of tall fescue grown under phosphorus deficiency[J].J Agron Crop Sci，1999，183(1)：53-60.

[24]Ravel F，Courty C，Coret A，et al.Beneficial effects ofNeotyphodiumloliion the growth and the water status in perennial ryegrass cultivated under nitrogen deficiency or drought stress[J].Agronomie，1997，17(1)：173-181.

[25]Christensen M J.Antifungal activity in grasses infected withAcremoniumandEpichloeendophytes[J].Austr Plant Pathol，1996，25(3)：186-191.

[26]Sturz A V，Chritie B R, Matheson B G，et al.Endophytic bacterial communities in the periderm of potato tubers and their potential to improve resistance to soil-borne plant pathogens[J].Plant Pathol，1999，48(3)：360-369.

[27]Wilkinson H H，Siegel M R, Blankenship J D，et al.Contribution of fungal loline alkaloids to protection from aphids in a grass-endophyte mutualism[J].Mol Plant-Microbe Interact，2000，13(10)：1027-1033.

[28]Castillo U F，Strobel G A，F(xiàn)ord E J，et al.Munumbicins，widespectrum antibiotics produced byStreptomycesNRRL 30562，endophytic onKennedianigriscans[J].Microbiology，2002，148 (Pt 9)：2675-2685.

[29]Richmond D S，Shetlar D J.Black cutworm larval emigration and biomass in mixtures of endophtic perennial ryegrass andKentuckybluegrass[J].J Econ Entomo，2001，94(5)：1183-1186.

[30]Sutherland B L，Hume D E，Tapper B A.Allelopathic effects of endophyte-infected perennial ryegrass extracts on white clover seedlings[J].New Zeal J Agr Res，1999，42(1)：19-26.

[31]Sturz A V，Christie B R.Endophytic bacteria of red clover as agents of allelopathic clover-maize syndromes[J].Soil Biol Biochem，1996，28(4-5)：583-588.

[32]Muller M M，Valjakka R，Suokko A，et al.Diversity of endophytic fungi of single Norway spruce needles and their role as pioneer decomposers[J].Mol Ecol，2001，10(7)：1801-1810.

[33]Wang C，Wu J，Mei X.Enhancement of taxol production and excretion inTaxuschinensiscell culture by fungal elicitation and medium renewal[J].Appl Microbiol Biotechnol，2001，55(4)：404-410.

[34]Shibuya H，Kitamura C，Machara S，et al.Transformation of cinchona alkaloids into 1-N-oxide derivatives by endophyticXylariasp.isolated fromCinchonapubexcens[J].Chem Pharm Bull，2003，51(1)：71-74.

[35]Glenn A E，Meredith F I，Morrison W H, et al.Identification of intermediate and branch metabolites resulting from biotransformation of 2-benzoxazolinone byFusariumverticillioides[J].Appl Environ Microbiol，2003，69 (6)：3165-3169.