植物內(nèi)生菌及其在植物修復(fù)中的作用以及研究進(jìn)展

摘 要：研究了植物內(nèi)生真菌越來(lái)越廣泛的分布，發(fā)現(xiàn)幾乎在所有陸地和水生植物內(nèi)。內(nèi)生真菌通過(guò)產(chǎn)生抗生素類(lèi)，水解酶，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和生物堿的物質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和病原體競(jìng)爭(zhēng)，增強(qiáng)抵抗力的寄主植物，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生全身性疾病的預(yù)防機(jī)制，使病原體不能生長(zhǎng)。此外， 對(duì)植物內(nèi)生真菌和內(nèi)生細(xì)菌的概念、普遍性和對(duì)植物修復(fù)的促進(jìn)作用； 利用植物內(nèi)生菌控制植物病害的途徑如人工接種內(nèi)生菌， 利用內(nèi)生菌代謝產(chǎn)生的抗生素以及將內(nèi)生菌作為基因工程的載體菌等進(jìn)行了綜述。進(jìn)行了內(nèi)生細(xì)菌作為生物控制因素，未來(lái)的發(fā)展前景展望和存在的問(wèn)題的討論。

關(guān)鍵詞：植物內(nèi)生菌 重金屬污染 生物防治因子

我們都知道人類(lèi)生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)是土壤，但如今土壤重金屬污染已成為我們?nèi)祟?lèi)面臨的惡劣的環(huán)境問(wèn)題。土壤中的重金屬通過(guò)進(jìn)入食物鏈進(jìn)而威脅到人類(lèi)的健康。農(nóng)業(yè)和可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的重金屬污染土壤的限制。而對(duì)于土壤重金屬污染， 通常采用清洗、熱處理、電化學(xué)、施改良劑等傳統(tǒng)的治理手段。這些傳統(tǒng)方法雖然可以較快地去除重金屬污染物，但容易破壞土壤結(jié)構(gòu)和肥力，也可能帶來(lái)污染物造成二次污染，且費(fèi)用比較高。

近年來(lái)，植物修復(fù)技術(shù)由于經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保而倍受人們青睞， 成為非常有發(fā)展前途的土壤重金屬污染治理技術(shù)。但植物修復(fù)技術(shù)的開(kāi)展對(duì)超積累植物的篩選與生長(zhǎng)依賴(lài)較大，治理效果取決于超積累植物對(duì)重金屬的提取和固定效果。如何促進(jìn)超積累植物生長(zhǎng)、提高重金屬吸收是植物修復(fù)技術(shù)中的關(guān)鍵。目前大多超積累植物生長(zhǎng)慢、周期長(zhǎng)、生物量小、對(duì)金屬有選擇性制約了植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)， 微生物可以促進(jìn)超積累植物生長(zhǎng)、提高重金屬吸收。其中植物內(nèi)生細(xì)菌作為一類(lèi)特殊的與物共生菌類(lèi)， 其在植物修復(fù)中的應(yīng)用得到了研究者的關(guān)注。內(nèi)生細(xì)菌在植物體內(nèi)生長(zhǎng)，具有穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，易獲得有機(jī)物質(zhì)，沒(méi)有其他微生物對(duì)植物產(chǎn)生的影響波動(dòng)大。而且， 作為特殊基因載體，內(nèi)生細(xì)菌可將目的基因帶入植物體使植物產(chǎn)出對(duì)人們有利的生物性狀。目前已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植物保護(hù)等實(shí)踐中植物內(nèi)生細(xì)菌都有所應(yīng)用， 但在對(duì)其在植物修復(fù)中所起的作用的研究尚在探討之中。本文討論總結(jié)了內(nèi)生細(xì)菌提高重金屬抗性、增加其吸收重金屬的潛力，以及植物內(nèi)生細(xì)菌定殖技術(shù)，開(kāi)闊了植物內(nèi)生細(xì)菌在土壤重金屬污染修復(fù)工程中的應(yīng)用的思路。

1.植物內(nèi)生菌的概念

按照目前比較普遍的的寬泛的可用性概念，植物內(nèi)生菌是指那些在其生活的整個(gè)歷程中的一定階段或全部階段生活于健康植物的各種組織和器官內(nèi)部的真菌或細(xì)菌，被感染的宿主植物（至少是暫時(shí)）不表現(xiàn)出外在癥狀。植物內(nèi)生菌也可以理解為植物組織內(nèi)的菌群中正常的那些，是植物微生態(tài)系統(tǒng)中的天然組成成分， 它們不但包括了互惠共利的和中性的內(nèi)共生微生物，也包括了那些病原微生物，這些病原微生物潛伏在宿主體內(nèi)。要證明內(nèi)生菌的存在可通過(guò)組織學(xué)方法或從嚴(yán)格表面消毒的植物汁液和組織中分離獲得，還可以從植物組織內(nèi)直接擴(kuò)增出微生物DNA 的方法來(lái)證明。

2.植物內(nèi)生菌存在具有普遍性

內(nèi)生菌幾乎普遍存在于植物體內(nèi)，植物內(nèi)生菌與植物之間的關(guān)系是一種復(fù)雜的慎微的生態(tài)關(guān)系。雖然早在100多年前就己經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物也存在于健康植物組織的內(nèi)部，這類(lèi)微生物在文獻(xiàn)中后來(lái)被稱(chēng)為植物內(nèi)生菌，但由于在沒(méi)有外在感染癥狀的健康植物組織內(nèi)部有內(nèi)生菌存在，所以很長(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌的存在和它的作用是什么。直到20世紀(jì)30年代，某些感染內(nèi)生真菌的牧草可產(chǎn)生毒性被發(fā)現(xiàn)，給畜牧業(yè)帶來(lái)了重大損失。許多牲畜中毒是由于食用了被內(nèi)生真菌侵染的牧草， 這時(shí)才開(kāi)始對(duì)內(nèi)生菌開(kāi)展廣泛而且進(jìn)行了深入的研究

在內(nèi)生菌植物宿主食草動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)中，發(fā)揮植物內(nèi)生菌的重要的生態(tài)學(xué)作用的物質(zhì)基礎(chǔ)是內(nèi)生菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物并且產(chǎn)物是多種多樣的，它們具有很多種生物活性，有關(guān)植物內(nèi)生菌的研究開(kāi)展得十分活躍，在農(nóng)業(yè)和（或）醫(yī)藥業(yè)中的應(yīng)用潛力很重要的意義。

最早對(duì)內(nèi)生菌的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自禾本科植物如牧草中的系統(tǒng)發(fā)生的內(nèi)生真菌。內(nèi)生菌普遍存在于目前已研究過(guò)的各種陸生及水生植物中。全世界目前至少己在80 個(gè)屬290 多種禾本科植物中都發(fā)現(xiàn)有內(nèi)生真菌。近年來(lái)在甘蔗（ Saccharum off icinarum L.）、玉米（ Zay mays） 、水稻（ Oryza sativa L.） 等禾本科農(nóng)作物中還發(fā)現(xiàn)多種有固氮作用的內(nèi)生細(xì)菌。

從20世紀(jì)70年代后期以來(lái)， 前后在一些重要的經(jīng)濟(jì)林木如針葉類(lèi)的各種冷杉（ Abies spp.）、云杉（Picea asperata）、紅杉（ Sequoia sempervirens Endll.）、松（ Pinus Seylvestris）柏（Cupressus sempervirens） 等以及闊葉的櫟樹(shù)（Quercus sp.）、樺樹(shù)（ Betula L.） 等植物樹(shù)皮、枝葉內(nèi)發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌的存在， 并進(jìn)行了廣泛的研究。后來(lái)在多種灌木和草本植物以及栽培作物、果樹(shù)甚至藻類(lèi)、苔蘚和蕨類(lèi)植物中也發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生真菌和（或）內(nèi)生細(xì)菌。

3.內(nèi)生菌對(duì)植物修復(fù)的促進(jìn)作用

植物修復(fù)的成功在于通過(guò)充足的植物產(chǎn)量和適當(dāng)有效的從根部向地上組織轉(zhuǎn)移作用， 將重金屬?gòu)奈廴经h(huán)境中移除。已報(bào)道的遏藍(lán)菜屬、庭芥和商陸等生長(zhǎng)在受重金屬污染土壤上的現(xiàn)場(chǎng)植物， 能在正常的生長(zhǎng)發(fā)育下富集高濃度的重金屬。

但是超富集植物存在以下不足： （1） 特定重金屬富集植物通常可能只能忍受或吸收一種或兩種重金屬元素， 環(huán)境中其他重金屬或有機(jī)污染物可能對(duì)其產(chǎn)生植物毒性， 從而不能很好使植物修復(fù)技術(shù)在復(fù)合污染環(huán)境治理中有所應(yīng)用。（2）大部分超累積植物因修復(fù)效率低而植株矮小， 生物量低， 生長(zhǎng)周期長(zhǎng)。 應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)時(shí)， 或許要花費(fèi)幾年的時(shí)間才能有效地降低重金屬的含量；這就要求深入研究植物修復(fù)策略， 包括非生物和生物性策略。植物相關(guān)根際微生物和內(nèi)生菌引起了極大關(guān)注， 迄今在研究植物-細(xì)菌-重金屬三者相互作用方面很多都是有應(yīng)用性的。

內(nèi)生菌的主要來(lái)源還有根系微生物， 兩者都在植物-土壤環(huán)境兩者關(guān)系中起到重要的作用， 其中很多學(xué)者喜歡研究植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）在植物修復(fù)中的作用。抗重金屬根際促生菌通過(guò)固氮、使得磷鉀溶解、從而產(chǎn)生植物激素（如吲哚乙酸， IAA）和鐵載體等方式促進(jìn)植物生長(zhǎng)， Sheng 等報(bào)道了產(chǎn)IAA 假單胞菌和芽孢桿菌能在Cd 毒性濃度條件下促進(jìn)油菜生長(zhǎng)發(fā)育、根系延長(zhǎng)和對(duì)Cd 的吸收。植物因受重金屬等環(huán)境因子威脅和傷害后生產(chǎn)出“應(yīng)激”乙烯，這時(shí)開(kāi)始起作用的是次生代謝途徑， 影響植物正常生理過(guò)程， PGPR 可以合成1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基（1-Aminocyclopropane-1-carboxylicacid， ACC）脫氨酶， 降解乙烯前體物質(zhì)，提高植物對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力。很多植物內(nèi)生菌同樣具有促植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)。Idris 等從Thlaspigoesingense 分離出的內(nèi)生菌均為產(chǎn)生鐵載體的Ni抗性細(xì)菌， 其中有36%可以生成 ACC 脫氨酶活性。

4.內(nèi)生菌對(duì)植物修復(fù)重金屬污染有促進(jìn)作用

內(nèi)生菌-超富集植物以一種互惠共生關(guān)系而存在。高度富集植物為內(nèi)生菌提供必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生殖環(huán)境，使內(nèi)生菌的生存處于高濃度的重金屬之中。相反的是，內(nèi)生菌能直接或間接地促進(jìn)超富集植物的生長(zhǎng)發(fā)育和健康。

鐵元素幾乎是所有有機(jī)生命體的必需元素。鐵元素在石灰性土壤中主要存在形式是以Fe3+高價(jià)態(tài)和不溶性氧化態(tài)， 細(xì)菌不能直接利用。為了獲得足量的鐵元素， 細(xì)菌必須具有浸提金屬的功能， 其中包括分泌鐵載體（Siderophores）。鐵載體是一種分子量低的物質(zhì)，它結(jié)合鐵的效率很高并且可以供給微生物細(xì)胞， Fe3+以鐵-鐵載體復(fù)合物形式存在于細(xì)胞膜后， 被還原成2 價(jià)鐵后進(jìn)入到細(xì)菌內(nèi)。

鐵載體除了作為螯合劑將礦物或有機(jī)化合物溶解之外， 還可以與Al、Cd、Cu、Ga、In、Pb 和Zn， 甚至和放射性核元素U 和Np 形成穩(wěn)定復(fù)合物，提高這些物質(zhì)的溶解的能力。已經(jīng)確定的鐵載體有500多種。分離自不同超富集植物的多種內(nèi)生菌也可以產(chǎn)鐵載體， 并且能通過(guò)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和對(duì)重金屬的吸收加強(qiáng)植物修復(fù)。Barzanti 等報(bào)道83% （67 株）分離自Alyssum bertolonii的內(nèi)生菌在Ni 脅迫下能分泌鐵載體和促進(jìn)植物生長(zhǎng)。Sheng 等分離出熒光假單胞菌G10 和分歧桿菌G16 兩株P(guān)b 抗性根內(nèi)生菌， 其中G16 菌株能產(chǎn)鐵載體， 并顯著提高在鉛污染土壤上的油菜生物量和吸收Pb 的總量。值得注意的是， 雖然Dimkpa 等報(bào)道了鐵載體能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，提高植物對(duì)重金屬毒性的耐受力和從根際區(qū)吸收有毒重金屬的總量（如Cd 和U）； 相反的是， Lodewyckx等研究表明從超富集植物T. caerulescen 莖和根組織中分離的內(nèi)生菌在沒(méi)有鐵的條件下不產(chǎn)生鐵載體有待直接的證據(jù)說(shuō)明產(chǎn)鐵載體內(nèi)生菌能提高宿主植物的有毒重金屬耐受性。

內(nèi)生菌能平衡植物因脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的乙烯。乙烯是一種激素可促進(jìn)植物內(nèi)源成熟， 生物性或非生物性環(huán)境脅迫因素會(huì)上調(diào)乙烯的表達(dá)， 廣泛地影響植物正常發(fā)育， 如抑制根系的延長(zhǎng)、側(cè)根的生長(zhǎng)和根毛的形成、種子的萌發(fā)、頂芽發(fā)育和葉片脫落等。內(nèi)生菌通過(guò)分泌植物激素如ACC 脫氨酶， 將ACC作為N 源， 降低植物細(xì)胞乙烯合成量， 從而間接促進(jìn)根系的延長(zhǎng)和植物發(fā)育。研究表明相對(duì)于根際菌（20%），內(nèi)生菌有更高比例（36%）能利用ACC作為N 源， 這可能與內(nèi)生菌-植物天然的共生關(guān)系相關(guān)。Sheng 等分離的分歧桿菌G16， 是能分泌ACC 脫氨酶的Pb 耐受型根內(nèi)生菌， 該菌能顯著提高受試植物的生物量和Pb 的吸收總量。

5.植物修復(fù)的種類(lèi)

（1）植物揮發(fā)

植物揮發(fā)（phytovolat ilization）是植物將環(huán)境中一些揮發(fā)性污染物去除的方法， 即通過(guò)植物和根際微生物共同的作用，將環(huán)境中揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將其轉(zhuǎn)化為的揮發(fā)態(tài)物質(zhì)這時(shí)毒性較小，然后釋放到大氣中，需收獲和處理含污染物的植物。

（2）植物過(guò)濾

植物大部分通過(guò)植物過(guò)濾（phyto filtration）作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體重金屬和類(lèi)金屬的去除，植物過(guò)濾包括根系過(guò)濾和種苗過(guò)濾2種方式。根系過(guò)濾是植物通過(guò)根部對(duì)毒害性金屬進(jìn)行吸收、濃縮和沉淀，是比現(xiàn)行化學(xué)法和微生物沉積重金屬法更具吸引力的處理含重金屬?gòu)U水的方法。

（3）植物固定

植物固定（phytostab ilization）是耐性植物利用其自身的機(jī)械穩(wěn)定作用和吸收沉淀作用來(lái)固定土壤中重金屬的方式， 可以降低重金屬的生物有效性和防止其進(jìn)入水體和食物鏈， 從而降低其對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。重金屬植物固定技術(shù)主要應(yīng)用于礦山廢棄地、城市垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠污泥和各種污染土壤的修復(fù)

（4）植物提取

植物提取（ phytoex tract ion）主要是利用金屬富集植物或超富集植物將土壤或水體中的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到植物的地上部分以降低土壤或水體中的重金屬含量，再通過(guò)收獲植物將重金屬移走，是目前研究較多的一種利用植物去除環(huán)境污染物的方法。超富集植物是指某些具有很強(qiáng)的吸收重金屬能力并將其運(yùn)輸?shù)降厣喜糠值闹参铮亟饘俑患参飫t是指某些本身不具有超量富集特性但通過(guò)特殊過(guò)程可以誘導(dǎo)出超量重金屬的植物。因此， 植物提取技術(shù)可利用超富集植物吸收土壤或水體中的重金屬的持續(xù)植物提取技術(shù)，其次可利用鰲合劑促進(jìn)植物吸收重金屬的誘導(dǎo)植物提取技術(shù)等兩種方法。

6.問(wèn)題與展望

植物修復(fù)重金屬污染的優(yōu)勢(shì)是明顯和直觀的，雖然近年來(lái)大量的研究，但仍然有很多不足，限制了植物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，主要在以下幾個(gè)方面來(lái)表現(xiàn)：（1） 重金屬超富集植物重金屬超富集植物的發(fā)現(xiàn)只是一種，還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)具有廣譜超富集植物的特點(diǎn)，這在今天的土壤污染和更多的應(yīng)用有一定的局限性并且是在復(fù)合污染的情況下； （2）超富集植物目前發(fā)現(xiàn)的還不太多， 且生長(zhǎng)在偏僻遙遠(yuǎn)的地區(qū)占大多數(shù)而且這些地區(qū)大多是受采礦活動(dòng)的影響， 超富集植物的生長(zhǎng)要有一定的適宜范圍，只能在一定的氣候和土壤條件下生長(zhǎng)， 并且在較小范圍內(nèi)應(yīng)用； （3）目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物只能清除土壤表層的重金屬，而且大多都比較矮小， 生物量較低， 生長(zhǎng)比較慢， 修復(fù)污染較嚴(yán)重土壤的周期長(zhǎng)， 且大多根系較短； （4）目前對(duì)超富集植物吸收重金屬的機(jī)理研究， 特別是對(duì)超富集植物根吸收重金屬并轉(zhuǎn)運(yùn)到地上組織以及重金屬的累積與忍耐等一些生理生化機(jī)制的研究進(jìn)展緩慢，使對(duì)超富集植物分子機(jī)制以及轉(zhuǎn)基因超富集植物的研究造成了阻礙。

為加快重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)走向商業(yè)化， 在今后的植物修復(fù)技術(shù)研究中應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究： （1）進(jìn)一步深入研究超富集植物對(duì)重金屬吸收、運(yùn)輸、富集和解毒的生物化學(xué)機(jī)制， 結(jié)合野生種質(zhì)資源的篩選和現(xiàn)代生物工程技術(shù)， 篩選出能同時(shí)富集多種重金屬的超富集植物。（2）加大保護(hù)現(xiàn)有超富集植物種質(zhì)資源的力度， 在受污染地區(qū)篩選出更多的野生超富集植物。加強(qiáng)已發(fā)現(xiàn)重金屬超富集植物的引種和馴化， 以打破現(xiàn)有的超富集植物適生范圍小、地域性強(qiáng)的限制， 引種時(shí)要考慮到生態(tài)入侵問(wèn)題。（3）加強(qiáng)研究超富集植物修復(fù)重金屬污染的強(qiáng)化措施。通過(guò)適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施如灌溉、施肥、土壤改良或改善根際微生物的環(huán)境， 提高植物修復(fù)效果，并且利用螯合誘導(dǎo)技術(shù)外在的強(qiáng)化對(duì)植物修復(fù)的作用。（4）應(yīng)用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)， 培育出能同時(shí)富集多種重金屬且富集量大的超富集植物并且生物量大、生長(zhǎng)快、根系長(zhǎng)。

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