深色有隔內(nèi)生真菌提高宿主植物抗逆性的研究進(jìn)展

鄧勛 宋小雙 尹大川等

摘要深色有隔內(nèi)生真菌（DSE）是植物根際重要的益生菌，與宿主植物互作形成共生體，對宿主植物具有促生抗逆作用。深色有隔內(nèi)生真菌（DSE）提高植物的抗逆性包括提高植物對干旱以及重金屬污染等逆境脅迫的抗性、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性、抵御病原菌生物脅迫等。對這些方面的研究進(jìn)展進(jìn)行探討，以期為益生菌與宿主植物互作機(jī)制研究提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞深色有隔內(nèi)生真菌；抗逆性；抗病性

中圖分類號S432.4+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）31-010-02

Research Advances in Improving Host Plant Resistance by Dark Septate Endophytes

DENG Xun1， SONG Xiaoshuang1， YIN Dachuan2， SONG Ruiqing4* et al

（1. Forestry Protection Institute of Heilongjiang Forestry Academy， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. College of Forestry， Shenyang Agriculture University， Shenyang， Liaoning 110000；. 4. College of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Dark septate endophyte（DSE） fungus are main rhizosphere beneficial microorganisms groups of plant， and play an important role in growth promote and stress resistance to host. This paper discusses the research advances in DSE improving the plant to adversity stress such as drought and heavy metal pollution resistance， induced host systemic resistance etc.， so as to provide a theoretical foundation and an important basis of interaction mechanisms of rhizosphere beneficial microorganisms and host.

Key words Dark septate endophyte（DSE）； Stress resistance； Disease resistance

深色有隔內(nèi)生真菌（Dark septate endophytes，DSE）是植物內(nèi)生真菌的主要類群。其主要特征是菌絲顏色較深，具有明顯隔膜，定殖于健康植物根的表皮、皮層甚至維管束組織的細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙，形成共生體，而不引起植物病變[1-2]。1998年Jumpponen等[3]正式提出DSE的概念，將具有該類特征的根部內(nèi)生真菌定義為DSE。DSE分布范圍包含不同的生境：從沿海灘涂到內(nèi)陸高原山地，從熱帶、溫帶到凍原地區(qū)及南北極地區(qū)[4]。在針葉樹中，主要的深色有隔內(nèi)生真菌種類是子囊菌（Ascomycetes）中的 Phialocephala fortinii s.l.Acephala applanata species complex （PAC）類群集合[5]。PAC分布在北半球從極地到熱帶地區(qū)，在針葉樹的根系中占據(jù)主導(dǎo)地位[6]。DSE可以與ECM和AM在植物根系同時存在。在高山、極地、低pH土壤等逆境和極端環(huán)境中，DSE可以取代菌根真菌[7]。DSE在不同生境植物中的定殖。表明它們很少或沒有宿主特異性。據(jù)Jumpponen和Trappe[8]的統(tǒng)計，DSE宿主范圍涵蓋114科320 屬的近600 種植物，在菌根植物和莎草科、十字花科、藜科等傳統(tǒng)非菌根植物的根中均發(fā)現(xiàn)DSE定殖。至今為止，越來越多的研究表明大多數(shù)植物都能被DSE定殖。DSE定殖的寄主非特異性也為其潛在的廣泛應(yīng)用價值提供良好的基礎(chǔ)。

1促進(jìn)宿主對礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的吸收

Jumpponen等[8]使用Phialocephala fortinii接種黑松（Pinus contorta），發(fā)現(xiàn)當(dāng)有N養(yǎng)分補充時，可再提高宿主生物量50%。同樣，Vulpia ciliate接種DSE真菌Harpophora radicicola后，促進(jìn)其分蘗，并且增加根系長度、生物量以及植物中N、P的含量[9]。Rebecca等[10]設(shè)計了無機(jī)氮（Casein hydrolysate）和有機(jī)氮（Ammonium sulphate）2種條件，對Deschampsia antarctica進(jìn)行DSE接種，發(fā)現(xiàn)與對照相比，在無機(jī)氮條件下植物生長沒有明顯差異，在有機(jī)氮條件下DSE可以明顯提高宿主的生物量和莖葉中N和P的含量，證明DSE促進(jìn)宿主吸收利用有機(jī)養(yǎng)分。在低溫環(huán)境中，N素通常以有機(jī)形態(tài)存在，在極地南奧克尼群島上Deschampsia antarctica根際的N素營養(yǎng)含量比例是無機(jī)氮鹽的5～7倍，而其根部菌根菌很少，占主導(dǎo)地位的是DSE真菌，推斷DSE可以促進(jìn)宿主利用有機(jī)養(yǎng)分。DSE真菌可以分泌出多種胞外水解酶，包括纖維素酶、漆酶、淀粉酶、脂酶、果膠酶、木聚糖酶、蛋白水解酶、酪氨酸酶和多酚氧化酶。多種水解酶的存在保證其對各種形態(tài)營養(yǎng)元素的利用[7]。在對番茄接種DSE后，生物量提高了10%～20%，同時產(chǎn)量有所提高[11]。最近研究表明，DSE不但可以促進(jìn)植物的生長，而且通過與宿主植物互作，對藥用植物雪蓮（Saussurea involucrata）的有效成分——蘆丁堿含量也有提高作用[12]。

2深色有隔內(nèi)生真菌提高宿主植物的抗逆性

植物形成菌根后可提高宿主的抗逆性，而DSE在相對極端環(huán)境中的普遍存在及其對此類環(huán)境的適應(yīng)得到了大多數(shù)研究結(jié)果的支持。同時，由于DSE對逆境環(huán)境的耐受性更強，它在重金屬污染土壤中的生物修復(fù)作用成為近年研究的熱點問題。Barrow[13]指出，DSE從植物根部延伸出的黏質(zhì)菌絲可以幫助植物在干旱環(huán)境中維持水分和營養(yǎng)的運輸。真菌細(xì)胞壁中的黑色素可增強細(xì)胞壁的機(jī)械強度，賦予細(xì)胞抗熱、抗輻射的能力，在宿主植物抗逆性增強的改變中起一定的作用[14]。DSE在宿主的逆境耐受中所起的作用依賴于宿主植物的整體適應(yīng)性和DSE在宿主生長或營養(yǎng)方面提供的有益促進(jìn)。接種DSE后，宿主的熱耐受性提高。Grass seedlings可以耐受50 ℃的高溫3 d，而對照很快萎蔫死亡，在65 ℃高溫間歇處理10 d條件下，宿主依然可以存活。DSE在宿主植物根部形成的微菌核和菌絲結(jié)構(gòu)在提高宿主耐旱和耐熱能力上發(fā)揮重要的作用。離體測試表明，DSE對重金屬如鉛、鉻等均有良好的耐受性，如柱孢頂囊殼（Gaeumannomyces cylindrosporus）在鉛脅迫條件下菌絲卷曲，黑色素下降，SOD和CAT活性增強，同時對鉛有較強的吸附能力[15]；嗜魚外瓶霉（Exophiala pisciphila）在鉻脅迫條件下菌絲生長速度、抗氧化清除能力和抗氧化酶均與鉻離子濃度變化顯著相關(guān)[16]。進(jìn)一步通過RNAseq測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在鉻脅迫條件下，DSE應(yīng)激表達(dá)功能基因包括金屬離子結(jié)合和轉(zhuǎn)運蛋白、有機(jī)酸代謝和轉(zhuǎn)運、抗氧化清除蛋白等。上述功能蛋白的上調(diào)表達(dá)保證了DSE正常生理活動的進(jìn)行[17]。在與宿主植物的互作過程中，DSE同樣表現(xiàn)出提高宿主植物抗重金屬離子脅迫的作用。在不同濃度 Pb 脅迫下接種柱孢頂囊殼（G.cylindrosporus）于玉米，苗高、地莖、生物量和根系活力都明顯高于對照，高濃度 Pb 脅迫效果更明顯，同時接種柱孢頂囊殼后玉米對Pb的吸收量明顯增加，接種柱孢頂囊殼使得更多的Pb積累在植物根部，緩解Pb 對植物的毒害作用[18]。接種DSE的玉米在鉻離子脅迫試驗中與對照相比也表現(xiàn)出較強的抗逆性[19]。

3深色有隔內(nèi)生真菌提高植物的抗病性及誘導(dǎo)抗性機(jī)制

DSE真菌可以在宿主根系定殖，并且有效抑制土傳病害的發(fā)生。目前相關(guān)研究文獻(xiàn)不多，其中Narisawa及其團(tuán)隊在利用DSE真菌控制白菜根部病害取得成功，并且對菌劑的使用技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的研究。Narisawa等[20-21]利用誘餌植物包括茄子、甜瓜、大麥和大白菜等在富集土壤中栽培，從根中分離到300多株DSE，篩選出2株生防菌Phialocephala fortinii C.J.K.Wang & H.E.Wilcox 和Heteroconium chaetospira（Grove） M.B.Ellis。研究表明，2株菌在實驗室和田間均能有效地防治由Plasmodiophora brassicae Woronin 引起的大白菜根腫病和輪枝孢屬真菌（Verticillium spp.）引起的大白菜輪枝孢黃萎病。通過顯微結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)DSE定殖后，根部表皮和皮層的細(xì)胞壁變厚，排列更加緊密。這也限制了病原菌的侵入。定殖于根系的Heteroconium chaetospira （Grove） M.B.Ellis 還能誘使大白菜系統(tǒng)性抵抗，并且減少細(xì)菌性葉斑病和鏈格孢屬真菌（Alternaria spp.）引起的葉斑病的發(fā)生[22]，H.chaetospira（Grove） M.B.Ellis 并沒有定殖到根部以外的其他組織、器官，而是通過茉莉酸（JA）代謝和乙烯（ET）代謝完成其對宿主植物的抗性誘導(dǎo)。通過H.chaetospira與白菜根部互作共聚焦激光掃描顯微觀察，H.Chaetospira定殖到根部皮層組織，在病原菌誘導(dǎo)后內(nèi)生菌誘導(dǎo)宿主植物茉莉酸代謝等抗性代謝基因、內(nèi)源激素合成基因等上調(diào)表達(dá)，進(jìn)一步證明其具有誘導(dǎo)植物抗病的作用[23]。Diana等[11]將番茄接種DSE真菌Leptodontidium orchidicola，發(fā)現(xiàn)可以減少輪枝菌引起的番茄枯萎病的發(fā)生，但是效果不明顯。對PAC的生防價值也進(jìn)行相關(guān)探討。Phialocephala subalpina的存在可以降低腐霉菌對云杉苗木的危害，同時增加云杉苗木的生物量[24]。部分PAC菌株可代謝出抑制病原菌生長的產(chǎn)物。在Phialocephala europaea的代謝產(chǎn)物中分離得到的sclerin，sclerolide，sclerotinin A以及sclerotinin B，可以顯著抑制病原菌生長[25]。利用生態(tài)位的競爭作用，低毒性的PAC菌株在控制高毒性、土壤病原菌方面也通過接種試驗進(jìn)行驗證[26]。DSE的抗病機(jī)理還不十分清楚。目前認(rèn)為DSE提高植物抗病能力的機(jī)理主要有3個方面：①競爭作用，占領(lǐng)生態(tài)位，減少病原菌等侵入的可能；②代謝抑菌物質(zhì)，對病原菌形成抗生作用；③誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性，但是目前DSE在病害防治中的研究較少，其中對其提高植物抗病能力的分子機(jī)理研究還處于起步階段。轉(zhuǎn)錄組測序、RNAi等技術(shù)的日益成熟為深入探討DSE提高植物抗逆性的生理和分子機(jī)制提供良好的技術(shù)條件。

參考文獻(xiàn)

[1]

PIERCEY M M，GRAHAM S W，CURRAH R S.Patterns of genetic variation in Phialocephala fortinii across a broad latitudinal transect in Canada [J].Mycol Res，2004，108：955-964.

[2] JUMPPONEN A.Dark septate endophytesare they mycorrhizal？ [J].Mycorrhiza，2001，11：207-211.

[3] JUMPPONEN A，TRAPPE J M.Dark septate endophytes：A review of facultative biotrophic rootcolonizing fungi [J].New Phytol，1998，140：295-310.

[4] 劉茂軍，張興濤，趙之偉.深色有隔內(nèi)生真菌（DSE）研究進(jìn)展[J].菌物學(xué)報，2009，28（6）：888-894.

[5] GRUNIG C R，QUELOZ V，SIEBER T N，et al.Dark septate endophytes （DSE） of the Phialocephala fortinii s.l. Acephala applanata species complex in tree roots：Classification，population biology，and ecology[J].Botany，2008，86：1355-1369.

[6] ZHANG C，YIN L，DAI S.Diversity of rootassociated fungal endophytes in Rhododendron fortunei in subtropical forests of China[J].Mycorrhiza，2009，19：417-423.

[7] MANDYAM K，JUMPPONEN A.Seeking the elusive function of the rootcolonising dark septate endophytic fungi [J].Studies in mycology，2005，53：173-189.

[8] JUMPPONEN A，MATTSON K G，TRAPPE J M.Mycorrhizal functioning of Phialocephala fortinii with Pinus contorta on glacier forefront soil：Interactions with soil nitrogen and organic matter [J].Mycorrhiza，1998，7：261-265.

[9] NEWSHAM K K.Phialophora graminicola，a dark septate fungus，is a beneficial associate of the grass Vulpia ciliata ssp.Ambigua [J].New phytologist，1999，144：517-524.

[10] UPSON R，READ D J，NEWSHAM K K.Nitrogen form influences the response of Deschampsia antarctica to dark septate root endophytes [J].Mycorrhiza，2009，20：1-11.

[11] ANDRADELINARES D R，GROSCH R，RESTREPO S，et al.Effects of dark septate endophytes on tomato plant performance [J].Mycorrhiza，2011，21：413-422.

[12] WU L Q，LV Y L，MENG Z X.The promoting role of an isolate of darkseptate fungus on its host plant Saussurea involucrata Kar.et Kir[J].Mycorrhiza，2010，20：127-135.

[13] BARROW J R.Atypical morphology of dark septate fungal root endophytes of Bouteloua in arid southwestern USA rangelands[J].Mycorrhiza，2003，13（5）：239-247.

[14] ADDY H D，PIERCEY M M，CURRAH R S.Microfungal endophytes in root[J].Canadian journal of botany，2005，83：1-13.

[15] BAN Y，TANG M，CHEN H，et al.The response of dark septate endophytes （DSE） to heavy metals in pure culture[J].PLoS ONE，2012，7（10）：47968.

[16] ZHAN F，HE Y，LI T，et al.Tolerance and antioxidant response of a dark septate endophyte （DSE），Exophiala pisciphila，to cadmium stress[J].Bull environ contam toxicol，2015，94（1）：96-102.

[17] ZHAO D，LI T，SHEN M，et al.Diverse strategies conferring extreme cadmium （Cd） tolerance in the dark septate endophyte （DSE），Exophiala pisciphila： Evidence from RNAseq data[J].Microbiol Res，2015，170：27-35.

[18] 班宜輝.鉛鋅礦區(qū)深色有隔內(nèi)生真菌提高植物耐Pb機(jī)制研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[19] 張杰.云南兩個重金屬礦區(qū)（暮乃、個舊）深色有隔內(nèi)生真菌的研究[D].昆明：云南大學(xué)，2010.

[20] NARISAWA K，HAMBLETON S，CURRAH R S.Heteroconium chaetospira， a dark septate root endophyte allied to the Herpotrichiellaceae （Chaetothyriales） obtained from some forest soil samples in Canada using bait plants[J].Mycoscience，2007，48（5）：274-281.

[21] NARISAWA K，USUKI F，HASHIBA T.Control of verticillium yellows in Chinese cabbage by the dark septate endophytic fungus LtVB3[J].Phytopathology，2004，94（5）：412-418.

[22] SOICHIRO M， MIKIKO A， TOSHIKO A et al.Induced systemic resistance of Chinese cabbage to bacterial leaf spot and Alternaria leaf spot by the root endophytic fungus，Heteroconium chaetospira[J].J Gen Plant Pathol，2003，69：71-75.

[23] LAHLALI R，MCGREGOR L，SONG T，et al.Heteroconium chaetospira induces resistance to clubroot via upregulation of host genes involved in jasmonic acid，ethylene，and auxin biosynthesis[J].PLoS ONE，2014，9（4）：94144.

[24] CHRISTOPH T，SIEBER T H.Do colonization by dark septate endophytes and elevated temperature affect pathogenicity of oomycetes？[J].FEMS microbiology ecology，2012，82 （1）：157-168.

[25] TELLENBACH C.Inhibition of Phytophthora species by secondary metabolites produced by the dark septate endophyte Phialocephala europaea[J].Fungal ecology，2013，6：12-18.

[26] IVO H，VANESSA R，SIEBER T N.Control of pathogenic PAC strains by nonpathogenic PAC strains in planta does not correlate with higher competitiveness of nonpathogenic PAC strains ex planta[J].Mycol Progress，2014，13：1241-1247.