植物重金屬抗性內(nèi)生細菌作用機制研究進展

摘 要：植物重金屬抗性內(nèi)生菌的研究始于20世紀末，盡管研究的歷史不長，但有關(guān)重金屬抗性內(nèi)生細菌的研究取得了很大的進展。綜述了國內(nèi)外植物重金屬抗性內(nèi)生細菌的種屬、來源、直接或間接抗性機制以及分子作用機制等研究成果與現(xiàn)狀，并展望了本領(lǐng)域的發(fā)展前景和研究方向。

關(guān)鍵詞：內(nèi)生細菌；重金屬抗性；作用機制；研究進展

中圖分類號 Q939 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）19-31-03

由于環(huán)境干擾小、成本低、公眾容易接受，植物修復(fù)技術(shù)被認為是最綠色環(huán)保的重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)。然而在實際應(yīng)用過程中該技術(shù)仍然面臨一些問題，如植物（尤其是超積累植物）生長慢、生物質(zhì)產(chǎn)量低、根系不發(fā)達、污染物產(chǎn)生植物性毒素以及易揮發(fā)污染物的蒸發(fā)蒸騰等導(dǎo)致修復(fù)時間緩慢，效率低下。某些根際微生物和植物內(nèi)生菌具有促進植物生長、提高植物抗病和吸收重金屬等的能力，因此研究人員把目光轉(zhuǎn)向了植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)[1]。根際微生物能提高植物修復(fù)效率，也取得了一些很好的治理效果，但根際環(huán)境復(fù)雜多變、難以控制，微生物間相互競爭抑制限制了目標菌群修復(fù)功能的發(fā)揮。與根際微生物相比，內(nèi)生細菌與宿主植物關(guān)系更緊密，能更加有效地提高植物的修復(fù)效率[2]。內(nèi)生細菌的研究與應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域研究得比較深入，但在環(huán)境治理方面還處于起步階段[3]。筆者對近幾年來國內(nèi)外植物內(nèi)生細菌協(xié)同植物修復(fù)重金屬污染土壤的作用機理進行了總結(jié)。

1 內(nèi)生細菌

內(nèi)生細菌定殖于宿主植物體內(nèi)，一般不會侵害植物，能與植物長期互利共存。內(nèi)生細菌從植物中吸收碳水化合物，通過促進植物生長，提高植物的環(huán)境抗壓能力作為回報。內(nèi)生細菌宿主范圍很廣泛，幾乎在所有研究過的植物中均存在內(nèi)生細菌。內(nèi)生細菌分布于根、莖、葉等組織器官中，并具有一定的組織專一性。內(nèi)生細菌的種類、分布受宿主植物及其生長環(huán)境的影響[4]。土壤細菌從根部入侵是內(nèi)生細菌的主要來源，內(nèi)生細菌可通過種子“遺傳”攜帶，也可能是在植物生長過程中外界細菌的入侵。內(nèi)生細菌不僅能促進植物生長、增強植物抵抗病蟲害的能力和提高宿主植物的競爭力，甚至能影響植物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的形成[5]。更有意義的是越來越多的研究證明許多內(nèi)生細菌具有降解有機污染物、吸附或者轉(zhuǎn)化重金屬的能力。一些內(nèi)生細菌已經(jīng)被成功地應(yīng)用到植物修復(fù)重金屬污染環(huán)境過程中[6]。

2 重金屬抗性內(nèi)生細菌

關(guān)于重金屬抗性內(nèi)生細菌的研究始于20世紀末，前期研究主要集中在重金屬超積累植物的內(nèi)生細菌上。如從貝托庭芥（Alyssum Alyssum bertolonii）、芥菜（Brassica juncea）、天藍遏藍菜（Thlaspi goesingense）、龍葵（Solanum nigrum）等超積累植物中都分離出了抗重金屬的內(nèi)生細菌，并進行了應(yīng)用研究，取得了明顯的修復(fù)效果。由于長期生活在高濃度重金屬的植物體內(nèi)，內(nèi)生細菌已經(jīng)適應(yīng)了這種環(huán)境而產(chǎn)生了抗性[7-10]。近年來，很多重金屬抗性內(nèi)生細菌也從非超積累植物中分離得到，如楊樹（Populus cv. Hazendans）、黃花柳（Salix caprea）、薤白（Allium macrostemon Bunge）、水稻（Oryza sativa）等[11-14]。已報道的重金屬抗性內(nèi)生細菌的種屬非常廣泛，大部分為土壤中共有的細菌種屬，如節(jié)桿菌（Arthrobacter）、芽孢桿菌（Bacillus）、梭狀芽胞桿菌（Clostridium）、腸桿菌（Enterobacter）、細桿菌（Microbacterium）、假單孢菌（Pseudomonas）、黃單孢菌（Xanthomonadaceae）、葡萄球菌（Staphylococcus）、嗜麥芽寡養(yǎng)單孢菌（Stenotrophomonas）等[15]。研究證明相同種屬或者相同植物不同組織器官分離出的內(nèi)生細菌對重金屬的敏感性不同，說明由于不同組織器官重金屬濃度不同，適應(yīng)期不同而導(dǎo)致內(nèi)生細菌產(chǎn)生了不同的重金屬耐受性[16]。也有研究發(fā)現(xiàn)從不同環(huán)境（污染和非污染土壤）的不同植物中分離出的相同種屬的內(nèi)生細菌具有相同的重金屬抗性[17]。

3 重金屬抗性內(nèi)生細菌作用機制

3.1 間接機制 植物激素是植物生長發(fā)育過程必需的小信號分子，很多內(nèi)生細菌能產(chǎn)生植物生長素（IAA）、細胞分裂素和赤霉素，這些物質(zhì)不僅能刺激植物生長還能修飾環(huán)境脅迫下植物的生長形態(tài)。乙烯能調(diào)節(jié)植物生長和細胞代謝，是一種重要物質(zhì)，但是由于脅迫而過量產(chǎn)生的乙烯能影響植物的正常代謝過程。一些內(nèi)生細菌通過產(chǎn)生氨基環(huán)丙烷羧酸脫氨酶（ACCD）來調(diào)節(jié)植物的乙烯水平，間接促進植物生長[18]。除了調(diào)節(jié)植物激素水平外，一些內(nèi)生細菌還能通過固氮促進植物生長。一個典型的例子就是甘蔗內(nèi)生細菌的固氮模式，它能為宿主提供大量的氮促進植物生長。很多其他植物如水稻、玉米、小麥、白楊樹等都有固氮內(nèi)生細菌的定殖[19]。磷素是植物生長的一類必需大量元素，可溶性的磷往往是生物質(zhì)生產(chǎn)的限制營養(yǎng)元素。某些內(nèi)生細菌能溶解無機磷酸鹽，通過改善礦質(zhì)營養(yǎng)促進植物生長，提高修復(fù)能力[20]。某些內(nèi)生細菌能提高植物的抗氧化酶活性，間接提高植物的抗重金屬能力[21]。此外，某些內(nèi)生細菌還能通過競爭生態(tài)位和營養(yǎng)、產(chǎn)生抗生素或者毒素等代謝產(chǎn)物抑制其他病原微生物的入侵以提高植物的抗病能力，有的甚至能誘導(dǎo)植物啟動特殊的防御系統(tǒng)[14]。

3.2 直接機制 金屬載體蛋白是一種小分子螯合劑（分子量約為400～1 000Da），能與金屬離子形成高配位的復(fù)合體，它能從無機礦物和有機化合物中溶解金屬離子。如載鐵蛋白能在鐵離子有限的情況下提高其吸收效率。除了鐵離子，載鐵蛋白也能與其他重金屬如Cd、Cu、Zn和Pb等形成穩(wěn)定的復(fù)合物。關(guān)于從各種植物中分離出的能產(chǎn)生載鐵蛋白的內(nèi)生細菌有很多報道，它們不僅能促進植物在低營養(yǎng)環(huán)境下生長，也能吸附重金屬離子，降低毒害。根據(jù)與Fe3+配位基團的化學(xué)性質(zhì)將載鐵蛋白主要分為3類，包括鄰苯二甲酸類（如腸桿菌素）、異羥肟酸類（如去鐵胺）和α-羥基羧酸酯類（如產(chǎn)氣菌素）[2]。很多研究證明通過接種能產(chǎn)生載鐵體的內(nèi)生細菌能促進植物對重金屬的吸收。但是內(nèi)生細菌在植物體內(nèi)是如何介導(dǎo)植物吸收重金屬的機制尚未弄清楚。但是也有研究認為載鐵蛋白內(nèi)生細菌不是總是促進植物對重金屬的吸收，有時反而降低這種能力[14]。這些相互矛盾的結(jié)論也許與植物類型、植物對重金屬的從根到莖的運輸能力等因素有關(guān)?？偟膩碚f，內(nèi)生細菌產(chǎn)生載鐵蛋白受金屬離子、pH、營養(yǎng)環(huán)境以及重金屬類型和濃度等多種因素的調(diào)節(jié)[22]。因為載鐵蛋白內(nèi)生細菌受環(huán)境因素的影響比較大，因此研究復(fù)合重金屬污染土壤中這類內(nèi)生細菌是如何產(chǎn)生載鐵蛋白并且活化重金屬以及如何介導(dǎo)植物吸收重金屬具有非常重要的意義。

此外，一些內(nèi)生細菌通過分泌低分子有機酸（分子量小于300Da）、多糖和蛋白質(zhì)來活化重金屬。這些有機酸通過螯合反應(yīng)結(jié)合重金屬離子。重金屬-有機酸螯合物的穩(wěn)定性與有機酸性質(zhì)（羧基數(shù)量和位置）、重金屬的鍵合形式（價態(tài)）以及環(huán)境pH等因素有關(guān)。葡萄糖酸、草酸以及檸檬酸等被認為是最常見的能改變重金屬有效性的低分子有機酸。某些低分子有機酸能通過氧化還原反應(yīng)改變重金屬的活性并促進在植物體內(nèi)的遷移[14]。

一些內(nèi)生細菌能在植物體內(nèi)通過自身的吸附富集重金屬，從而提高植物對重金屬的積累能力[13]。但也有研究證明抗性內(nèi)生細菌可導(dǎo)致植物吸收重金屬的能力下降。內(nèi)生細菌是促進還是降低植物對重金屬的吸收也許主要依賴于土壤里重金屬的濃度[17]。

3.3 分子作用機制 內(nèi)生細菌與宿主植物相互作用的分子機制的研究報道大多數(shù)是與固氮內(nèi)生菌有關(guān)，并且獲得了10多種固氮菌的基因組全序列。而抗重金屬內(nèi)生細菌與宿主植物的分子作用機制則鮮有報道。Lodewyckx等將Ralstonia metallidurans 31A的ncc-nre抗鎳系統(tǒng)轉(zhuǎn)接入羽扇豆內(nèi)生細菌洋蔥伯克霍爾德菌Burkbolderia cepacia L.S.2.4和固氮草螺菌Herbaspirillum seropdicae LMG2284[23]上，后接種到宿主植物上，在鎳的培養(yǎng)基質(zhì)上生長，在根組織中的鎳含量均可以提高30%。Bahig發(fā)現(xiàn)植物內(nèi)生腸桿菌Enterobacter sp.BN4的質(zhì)粒能調(diào)控吸附和積累Cd2+和Zn2+，而Pb2+的吸附累積則由染色體基因調(diào)控[24]。隨著分子技術(shù)的發(fā)展，運用比較基因組學(xué)分析內(nèi)生細菌變異株是研究內(nèi)生細菌與宿主植物相互作用關(guān)系的有效途徑。

4 結(jié)論和展望

植物-內(nèi)生細菌聯(lián)合修復(fù)重金屬污染具有非常獨特的方式，由于內(nèi)生細菌獨特的生存環(huán)境，修復(fù)過程對土著微生物的影響非常小，對環(huán)境無污染，顯示出了很好的發(fā)展應(yīng)用潛力。

盡管植物-內(nèi)生細菌聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在實驗室已經(jīng)取得了很大的研究進展，但結(jié)果主要來源于可培養(yǎng)內(nèi)生細菌的離體培養(yǎng)，不能完全說明真正環(huán)境因素影響下的修復(fù)效果，目前有關(guān)于抗重金屬免培養(yǎng)內(nèi)生細菌的研究報道很少，但作為占環(huán)境絕大比例的免培養(yǎng)細菌的抗性基因及其功能應(yīng)該得到充分研究和應(yīng)用。開展復(fù)合重金屬污染土壤植物內(nèi)生細菌多樣性研究與挖掘內(nèi)生細菌資源；內(nèi)生細菌參與植物修復(fù)過程的分子機理；外源抗性或促生內(nèi)生細菌的定殖技術(shù)及其與新宿主間的相互作用機制；免培養(yǎng)內(nèi)生細菌基因挖掘以及基因工程內(nèi)生細菌的應(yīng)用研究；菌株、植物、土壤間的生態(tài)互作效應(yīng)等問題將是未來的主要研究方向。

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