野生稻內(nèi)生固氮菌多樣性研究進(jìn)展

劉麗輝, 蔣慧敏, 王佩旋, 唐小鈺, 彭桂香, 譚志遠(yuǎn)*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642

野生稻內(nèi)生固氮菌多樣性研究進(jìn)展

劉麗輝1, 蔣慧敏2, 王佩旋2, 唐小鈺2, 彭桂香2, 譚志遠(yuǎn)1*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642

野生稻是一種重要的種質(zhì)資源，也是寶貴的功能微生物資源庫。國內(nèi)外對植物內(nèi)生固氮菌的研究較多，但野生稻內(nèi)生固氮菌的相關(guān)研究進(jìn)展未見報道。目前，野生稻內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的固氮菌至少有31個屬74個種，大部分為兼性內(nèi)生固氮菌且寄主范圍廣、分布地域全球化，而部分菌株是首次被發(fā)現(xiàn)或被報道具有固氮能力。野生稻內(nèi)生固氮菌存在巨大發(fā)掘空間，現(xiàn)有研究大多集中在其促進(jìn)生長、抗病害作用等方面。通過歸納統(tǒng)計已分離鑒定的野生稻內(nèi)生固氮菌，對其物種多樣性、生存環(huán)境多樣性和生物學(xué)功能多樣性進(jìn)行了較全面的概述，以期豐富工農(nóng)業(yè)微生物資源庫，并為提高作物產(chǎn)量、開發(fā)微生物肥料提供可靠的理論依據(jù)和方向指引。

野生稻；內(nèi)生固氮菌；促進(jìn)生長；微生物肥料

氮素是植物生長過程中需求量最大的元素，總固氮量中生物固氮占有絕大部分比例。生物固氮不易因揮發(fā)、反硝化、淋溶過程等造成氮損失，同時也可避免引起環(huán)境污染。因此，充分利用和發(fā)掘生態(tài)系統(tǒng)中的生物固氮潛能對農(nóng)業(yè)發(fā)展的意義尤為重大。植物內(nèi)生固氮菌是指定殖在健康植物體內(nèi)，與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合固氮的一類原核微生物[1]，是植物微生態(tài)系統(tǒng)的天然組分。由于長期的共同進(jìn)化，植物內(nèi)生菌與宿主植物建立了良好的互利共生關(guān)系[2]。內(nèi)生菌與根際、葉際附生微生物相比可使宿主植物更為受益，同時具有分泌生長素、溶磷以及增強植株抗病性、抗逆性等多方面的促進(jìn)植物生長的作用，因此，野生稻內(nèi)生固氮菌的研究已日益引起學(xué)者們的普遍關(guān)注。

野生稻作為國家二級保護(hù)植物，具有耐寒、抗旱、抗病蟲害等優(yōu)良性狀，蘊含著較高的研究、開發(fā)和利用價值。國內(nèi)外對其他植物內(nèi)生固氮菌已有很多報道，但是對野生稻內(nèi)生固氮菌的研究較少。本文對野生稻內(nèi)生固氮菌資源進(jìn)行了總結(jié)分析，以期為提高作物產(chǎn)量、開發(fā)微生物肥料提供可靠的理論依據(jù)和方向指引。

1 野生稻內(nèi)生固氮菌種類多樣性

野生稻是栽培稻的祖先，隸屬于禾本科(Granineae)稻屬(Oryza)，是該屬中除栽培稻以外物種的總稱。野生稻廣泛分布于亞洲、非洲、拉丁美洲和大洋洲的77個國家，經(jīng)過長期自然繁殖生長，形成了抗病蟲、耐寒、耐鹽堿、耐旱、耐蔭、耐瘠薄土壤、高生物產(chǎn)量等優(yōu)良特性，為栽培稻的遺傳改良提供了豐富的基因源和不可替代的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。野生稻的優(yōu)良性狀與內(nèi)生菌功能有著密切的聯(lián)系，豐富的內(nèi)生菌群落為野生稻的生長和自然選擇提供了有利競爭力，野生稻內(nèi)生固氮菌的潛在作用也因此日益凸顯[4]。

野生稻莖桿質(zhì)地柔軟、組織結(jié)構(gòu)較疏松，有利于微生物的入侵與生存，蘊藏著豐富的待開發(fā)與利用的內(nèi)生固氮菌資源。目前發(fā)現(xiàn)的野生稻內(nèi)生固氮菌至少有31個屬74個種(表1)，具有豐富的遺傳多樣性。大部分菌株屬于兼性內(nèi)生固氮菌，沒有宿主植物專一性，因而更有利于工農(nóng)業(yè)開發(fā)利用。例如，巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)分布于泰國[11]、廣東[13,16]和廣西的4種不同野生稻內(nèi)，織片草螺菌(Herbaspirillumseropedicae)是從日本[21]和廣東[64]的5種野生稻內(nèi)分離的。此外，洋蔥伯克霍爾德氏菌(Burkholderiacepacia)、無丙二酸檸檬酸桿菌(Citrobacteramalonaticus)、阿氏腸桿菌(Enterobacterasburiae)、陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)、變棲克雷伯氏菌(Klebsiellavariicola)、成團(tuán)泛菌(Pantoeaagglomerans)、嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)等也多次在野生稻中被發(fā)現(xiàn)(表1)，說明它們在不同的野生稻植株內(nèi)廣泛分布，不受地域和野生稻種類限制，是野生稻的優(yōu)勢菌群。其中不乏優(yōu)良的內(nèi)生固氮菌，如巴西固氮螺菌(A.brasilense)是野生稻和其他作物的優(yōu)勢菌，其固氮能力強，是我國農(nóng)用微生物安全標(biāo)準(zhǔn)一級免做毒理實驗菌株，國內(nèi)外對其開發(fā)利用的報道很多。然而部分內(nèi)生菌研究很少，一些是首次報道具有固氮功能的已知菌，還有一些是首次發(fā)現(xiàn)的固氮菌新種，如水稻不動桿菌(Acinetobacteroryzae)[4]、水稻腸桿菌(Enterobacteroryzae)[16]、Herbaspirillumaquaticum[33]、Mangrovibacterplantisponsor[70]、固氮植物菌(Phytobacterdiazotrophicus)[37]、變黃假單胞菌(Pseudomonasflavescens)[28]、Ralstoniabasilensis[24]、Rhizobiummesosinicum[28]、水稻根瘤菌(R.oryzae)[28]、Swaminathaniasalitolerans[85]、Vibrioplantisponsor[86]、Vibrioporteresiae[86]等，這些優(yōu)良的內(nèi)生固氮菌株在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有多方面的應(yīng)用潛力，野生稻中還有許多菌株尚未被發(fā)現(xiàn)，說明野生稻是個潛力巨大、尚待開發(fā)的微生物資源寶庫。

表1 野生稻內(nèi)生固氮菌種類、分布和功能多樣性匯總Table 1 Summary of the species, distribution and functional diversity of endophytic diazotroph in wild rices.

續(xù)表內(nèi)生固氮菌屬名種名野生稻種類及分離來源野生稻種類分離部位地域其他宿主植物或自然環(huán)境分布(發(fā)現(xiàn)地)功能伯克霍爾德氏菌Burkholderia洋蔥伯克霍爾德氏菌B．cepaciaB．contaminansB．fungorum唐菖蒲伯克霍爾德氏菌B．gladioli久留里伯克霍爾德氏菌B．kururiensis越南伯克霍爾德氏菌B．vietnamiensis普通野生稻O．rufipogon根廣東圃[37]藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[38，40]高桿野生稻O．a(chǎn)lta植株廣東圃[39]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、葉廣東圃[4]高桿野生稻O．a(chǎn)lta莖廣東圃[13]藥用野生稻O．officinalisis根廣西[18]藥用野生稻O．officinalisis根、莖、葉廣西[19]水稻O．sativa(印度[9]、北京[30])、五節(jié)芒Miscanthusflo?ridulus(廣東[10])分泌IAA[38，39]、促進(jìn)水稻生長[9]土壤(美國[41])抗病[41]土壤(巴西[42]、美國[41])分泌IAA[42]、抗病[43]水稻O．sativa(印度[28])水稻O．sativa(巴西[44])促進(jìn)水稻生長[45]、分泌IAA[46]水稻O．sativa(印度[9])、香根草Vetiveriazizanioides(廣東[47])分泌IAA和ACC脫氨酶[19]、促進(jìn)水稻生長[9]金黃桿菌Chryseo-bacteriumC．defluium藥用野生稻O．officinalisis根廣東圃[5]長護(hù)穎野生稻O．longiglumis根廣東圃[5]促進(jìn)水稻生長[5]酸檸檬酸桿菌Citrobacter無丙二酸檸檬酸桿菌C．a(chǎn)malonaticus法氏檸檬酸桿菌C．farmeri普通野生稻O．rufipogon根、莖海南[48]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、葉廣東圃[13]普通野生稻O．rufipogon莖廣東圃[37]香附子C．rotundus(廣東[13])、牛筋草Eleusineindica(廣東[13])促進(jìn)水稻生長[48]梭菌ClostridiumC．a(chǎn)erotolerans拜氏梭菌C．beijerinckiiC．pasteurianumC．saccharolyticumC．saccharoperbu-tylacetonicum尼瓦拉野生稻O．nivara莖緬甸[49]藥用野生稻Oryzaofficinalis莖緬甸[49]立特來稻Oryzaridleyi莖柬埔寨[49]藥用野生稻Oryzaofficinalis種子緬甸[49]普通野生稻O．rufipogon莖泰國[49]尼瓦拉野生稻O．nivara莖緬甸[49]Miscanthussinensis(日本[49])、Polygonumsachalinense(日本[49])M．sinensis(日本[49])水稻O．sativa(緬甸[49])、M．sinensis(日本[49])、P．sachalin?ense(日本[49])代夫特菌DelftiaD．lacustris藥用野生稻O．officinalisis莖廣東圃[33]水稻O．sativa(湖南[29])抗病[50]

續(xù)表內(nèi)生固氮菌屬名種名野生稻種類及分離來源野生稻種類分離部位地域其他宿主植物或自然環(huán)境分布(發(fā)現(xiàn)地)功能腸桿菌Enterobacter阿氏腸桿菌E．a(chǎn)sburiae生癌腸桿菌E．cancerogenus陰溝腸桿菌E．cloacae陰溝腸桿菌亞種E．cloacaesubsp．Dissolvens水稻腸桿菌E．oryzaeE．oryzendophyticusE．sacchari普通野生稻O．rufipogon根、葉廣東[51，52]藥用野生稻O．officinalisis根、莖、葉廣西[18，38，40]高桿野生稻O．a(chǎn)lta植株廣東圃[16，39]、印度[28]普通野生稻O．rufipogon植株日本[21]普通野生稻O．rufipogon葉廣東[51，52]藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[40]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、莖、葉廣東圃[4，13，16]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、莖、葉廣東圃[13]寬葉野生稻O．latifolia植株廣東圃[16]藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[5]藥用野生稻O．officinalisis根廣西[8]水稻O．sativa(湖南[29])、香附子C．rotundus(廣東[13])、牛筋草E．indica(廣東[13])、五節(jié)芒M．floridulus(廣東[10])、青香茅C．caesius(廣東[10])、海濱雀稗Seashorepaspalum(廣東[53])、圓果雀稗Paspalumorbiculare(廣東[54])分泌IAA[38，39，52]、促進(jìn)水稻生長[51]、抗病、耐鎘[29]白菜Brassicapekinensis(北京[30])、海濱雀稗S．paspalum(廣東[53])水稻O．sativa(福建[22])、玉米Zeamays(陜西[55]、美國[56])、辣椒Capsicumannuum(湖南[57])、香附子C．rotundus(廣東[13])、五節(jié)芒(廣東[10])、青香茅C．caesius(廣東[10])、香根草V．zizanioides(廣東[47]、福建[59])、圓果雀稗P．orbiculare(廣東[54])、龜背竹Monsterade?liciosa(廣東[58])、芋Colocasiaesculenta(廣東[58])、海芋Aloca?siamacrorrhiza(廣東[58])分泌IAA[52]、促進(jìn)水稻[51，58]和香根草[59]生長、提高小麥抗旱性[55]、抗病[60]五節(jié)芒M．floridulus(廣東[10])、香附子C．rotundus(廣東[13])五節(jié)芒M．floridulus(廣東[10])、青香茅C．caesius(廣東[10])水稻O．sativa(菲律賓[61])促進(jìn)水稻生長[5]甘蔗S．officinarum(廣西[62])分泌ACC脫氨酶[8]草螺菌HerbaspirillumH．a(chǎn)quaticum紅蒼白草螺菌H．rubrisubalbicans織片草螺菌H．seropedicae普通野生稻O．rufipogon莖廣東圃[33]普通野生稻O．rufipogon根、莖廣東圃[33]巴蒂野生稻O．barthii植株日本[21]尼瓦拉野生稻O．nivara莖廣東圃南方野生稻O．meridionalis葉廣東圃澳洲野生稻O．a(chǎn)ustraliensis植株廣東圃[64]藥用野生稻O．officinalisis植株日本[21]普通野生稻O．rufipogon植株日本[21]水稻O．sativa(北京[30])、甘蔗S．officinarum(巴西[15])水稻O．sativa(湖南[63])、甘蔗S．officinarum(巴西[15])、五節(jié)芒M．floridulus(廣東[10])、青香茅C．caesius(廣東[10])分泌鐵載體[63]、分泌IAA[10]

續(xù)表內(nèi)生固氮菌屬名種名野生稻種類及分離來源野生稻種類分離部位地域其他宿主植物或自然環(huán)境分布(發(fā)現(xiàn)地)功能艾德昂菌IdeonellaI．a(chǎn)zotifigens藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[18]土壤(印度[65])促進(jìn)水稻生長、分泌IAA[18]脫氯艾德昂菌I．dechloratans藥用野生稻O．officinalisis根、莖、葉廣西[18]水稻O．sativa(日本[21])促進(jìn)水稻生長、分泌IAA[18]克雷伯氏菌Klebsiella產(chǎn)酸克雷伯氏菌K．oxytoca肺炎克雷伯氏菌K．pneumoniae變棲克雷伯氏菌K．variicola藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[39]普通野生稻O．rufipogon根、莖、葉廣東[51]、海南[48]藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[8，38]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、莖、葉廣東圃[13，16，39]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]藥用野生稻O．officinalisis根、莖、葉廣西[8，19]澳洲野生稻O．a(chǎn)ustraliensis植株廣東圃[64]玉米Z．mays(黑龍江[66])、沙蓬(貴州[67])促進(jìn)苜蓿和燕麥生長、抗旱[67]、促進(jìn)玉米生長[66]玉米Z．mays(美國[56])、甘蔗S．officinarum(巴西[15])、多枝檉柳T．ramosissima(新疆[68])、香附子C．rotundus(廣東[13])、象草Pennisetumpurpureum(廣東[69])、青香茅C．caesius(廣東[10])、圓果雀稗P．orbiculare(廣東[54])、芋C．esculenta(廣東[58])、海芋A．macrorrhiza(廣東[58])分泌IAA[38，39]、促進(jìn)水稻生長[48，58]水稻O．sativa(湖南[29]、北京[30])分泌IAA和ACC脫氨酶[19]、鐵載體[8]、抗病、耐鎘[29]賴氨酸芽孢桿菌Lysinibacillus紡錘形賴氨酸芽孢桿菌L．fusiformis藥用野生稻O．officinalisis根、莖廣西[18]促進(jìn)水稻生長[18]MangrovibacterM．plantisponsorPorteresiacoarctata根印度[70]微桿菌Microbacterium過氧微桿菌M．paraoxydans藥用野生稻O．officinalisis根廣西[18]水稻O．sativa(湖南[23])促進(jìn)水稻生長[18]陸莫拉氏菌Moraxella奧斯陸莫拉氏菌M．osloensis普通野生稻O．rufipogon莖廣東圃[37]長護(hù)穎野生稻O．longiglumis莖廣東圃[5]促進(jìn)水稻生長[5]PaenibacillusP．barcinonensis藥用野生稻O．officinalisis根廣西[18]水稻O．sativa(湖南[23])促進(jìn)水稻生長、分泌IAA[18]P．illinoisensis緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]水稻O．sativa(湖南[29])抗病、耐鎘[29]

續(xù)表內(nèi)生固氮菌屬名種名野生稻種類及分離來源野生稻種類分離部位地域其他宿主植物或自然環(huán)境分布(發(fā)現(xiàn)地)功能泛菌Pantoea成團(tuán)泛菌P．a(chǎn)gglomerans菠蘿泛菌P．a(chǎn)nanatis分散泛菌P．dispersa普通野生稻O．rufipogon根、葉江西[24]、廣東圃[37]、廣東[51]藥用野生稻O．officinalisis莖廣西[5]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、莖、葉廣東圃[13，16]澳洲野生稻O．a(chǎn)ustraliensis植株廣東圃[64]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]寬葉野生稻O．latifolia植株廣東圃[16]高桿野生稻O．a(chǎn)lta莖廣東圃[13]普通野生稻O．rufipogon種子江西[24]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]水稻O．sativa(泰國[71])、甘蔗S．officinarum(巴西[15])、香附子C．rotundus(廣東[13])分泌IAA[71]、優(yōu)勢促進(jìn)生菌[24]、促進(jìn)水稻生長[5，37]水稻O．sativa(日本[26]、北京[30])、辣椒C．a(chǎn)nnuum(湖南[57])、香根草V．zizanioides(廣東[47])水稻O．sativa(印度[28]、湖南[29])分泌IAA和鐵載體[24]、抗病、耐鎘[29]植物菌Phytobacter固氮植物菌P．diazotrophicus藥用野生稻O．officinalisis根、莖、葉廣西普通野生稻O．rufipogon莖廣東圃[37]象草P．purpureum(廣東[69])、五節(jié)芒M．floridulus(廣東[10])分泌IAA[10]、促進(jìn)水稻生長[69]假單胞菌Pseudomonas變黃假單胞菌P．flavescens蒙氏假單胞菌P．monteilii食油假單胞菌P．oleovorans草假單胞菌P．poae惡臭假單胞菌P．putida緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]藥用野生稻O．officinalisis根廣西[19]高桿野生稻O．a(chǎn)lta根、莖、葉廣東圃[4]普通野生稻O．rufipogon根、葉江西[24]普通野生稻O．rufipogon根、莖廣東圃[37]寬葉野生稻O．latifolia植株廣東圃[16]雜交狼尾草P．a(chǎn)mericanum(廣東[33])、皇竹草Pennisetumsinese(廣東[33])土壤(印度[72])、深海(印度[73])分泌IAA和ACC脫氨酶[19]多枝檉柳T．ramosissima(新疆[31])分泌IAA和鐵載體[24]刺竹B．blumeana(廣東[17])、香根草V．zizanioides(廣東[47])促進(jìn)水稻生長[17]RalstoniaR．basilensis普通野生稻O．rufipogon種子江西[24]土壤(加拿大[74])

續(xù)表內(nèi)生固氮菌屬名種名野生稻種類及分離來源野生稻種類分離部位地域其他宿主植物或自然環(huán)境分布(發(fā)現(xiàn)地)功能根瘤菌Rhizobium大田根瘤菌R．daejeonenseR．massiliaeR．mesosinicum水稻根瘤菌R．oryzae熱帶根瘤菌R．tropici藥用野生稻O．officinalisis根廣西[18]南方野生稻O．meridionalis莖廣東圃尼瓦拉野生稻O．nivara莖廣東圃緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]高桿野生稻O．a(chǎn)lta植株廣東圃[16]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]促進(jìn)水稻生長、分泌IAA[18]水稻O．sativa(湖南[29]、北京[30])抗病、耐鎘[29]豆科植物(德國[75，76])木藍(lán)Indigofera(云南[77])、廣布野豌豆Viciacracca(云南[77])石漠化土壤修復(fù)[77]沙雷菌Serratia粘質(zhì)沙雷菌S．marcescens藥用野生稻O．officinalisis葉廣西[18]地衣(巴西[78])促進(jìn)水稻生長、分泌IAA鞘氨醇單胞菌Sphingomonas少動鞘氨醇單胞菌S．paucimobilis藥用野生稻O．officinalis植株尼泊爾[79]鐵皮石斛Dendrobiumcandidum(浙江[80])、水稻O．sativa(湖南[29])促進(jìn)鐵皮石斛生長[80]、抗病、耐鎘[29]寡養(yǎng)單胞菌Stenotro-phomonas嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌S．maltophilia嗜根寡養(yǎng)單胞菌S．rhizophila普通野生稻O．rufipogon莖廣東圃[37]藥用野生稻O．officinalisis根高桿野生稻O．a(chǎn)lta葉廣東圃[13]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]緊穗野生稻O．eichingeri植株印度[28]水稻O．sativa(湖南[29])、白菜B．pekinensis(北京[30])、海濱雀稗S．paspalum(廣東[53])、牛筋草E．indica(廣東[13])、菊芋Helianthustuberosus(江蘇[81])分泌IAA[81]、抗病、耐鎘[29]Centaureetumhorridae(意大利[82])促進(jìn)生長、抗病[83]、耐鹽[84]SwaminathaniaS．salitoleransPorteresiacoarctata根印度[85]VibrioV．plantisponsorPo．coarctata根印度[86]V．porteresiaePo．coarctata根印度[86]黃色桿菌Xanthobacter黃黃色桿菌X．flavus藥用野生稻O．officinalisis根廣西[19]污水(上海[87])分泌IAA和ACC脫氨酶[19]黃單胞菌Xanthomonas嗜麥芽黃單胞菌X．maltophilia普通野生稻O．rufipogon根江西[24]香附子C．rotundus(廣東[13])半透明黃單胞菌X．translucens普通野生稻O．rufipogon根海南[48]小麥Triticumaestivum(北京[30])

注：廣東圃：廣東省華南農(nóng)業(yè)大學(xué)野生稻核心收集圃；IAA：生長素。

2 野生稻內(nèi)生固氮菌的分布

2.1 分離部位差異性

植株的根、莖、葉、種子等組織器官內(nèi)遍布內(nèi)生固氮菌，而且內(nèi)生菌在不同器官的分布存在規(guī)律性：由下往上內(nèi)生菌數(shù)量逐級遞減，根中分布最多，其次是莖和葉(表1)。通常新葉中含有的微生物很少，隨著葉片日齡的增加，微生物種類逐漸增加，在老化期葉片內(nèi)部的微生物含量達(dá)到最高，這種規(guī)律性與內(nèi)生菌的侵染和遷移密切相關(guān)[2]。隨著組織的成熟和衰老，內(nèi)生菌可以不斷從植物外部進(jìn)入植物內(nèi)部，并在植物內(nèi)部通過導(dǎo)管和相鄰細(xì)胞遷移擴(kuò)散至其他部位[88]。內(nèi)生固氮菌在侵染過程中會對植物體產(chǎn)生一定的影響，如巴西固氮螺菌(A.brasilense)在侵染水稻(O.sativa)根部并向莖葉遷移運動過程中能提高作物的產(chǎn)量[59]。

2.2 宿主植物及生存環(huán)境多樣性

野生稻內(nèi)生固氮菌的宿主植物具有豐富的多樣性。據(jù)分析70%以上的菌種(表1)同時在其他禾本科植株和部分經(jīng)濟(jì)作物內(nèi)生存定殖，說明野生稻內(nèi)生固氮菌應(yīng)用范圍較廣，具有較大的開發(fā)利用空間。其中，包括巴西固氮螺菌(A.brasilense)在內(nèi)的31種內(nèi)生固氮菌多次從水稻(O.sativa)中分離獲得，能夠在水稻中發(fā)揮種群優(yōu)勢并且進(jìn)行自生固氮，因此，可以從提高水稻產(chǎn)量的環(huán)境友好型微生物肥料方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。野生稻內(nèi)生固氮菌在不同科屬植物體內(nèi)的分布存在差異，同屬間相似性大，野生稻的內(nèi)生菌在水稻中發(fā)現(xiàn)的最多，其次是其他禾本科植物和牧草，而在其他科屬的作物和蔬菜等植物內(nèi)報道相對較少。研究表明，禾本科植物的共同特點是維管束分散、沒有表皮層和中柱的界限，只能劃分為表皮、基本組織和維管束3個基本的組織系統(tǒng)。而其他植物有表皮層和中柱，這些結(jié)構(gòu)有可能妨礙細(xì)菌侵入植物體內(nèi)和在植物體內(nèi)生存[16]。

野生稻內(nèi)生固氮菌不僅在植物體內(nèi)分布廣泛，在自然環(huán)境中的分布也存在多樣性，如莖瘤固氮根瘤菌(A.caulinodans)[7]、脫氮芽生桿菌(B.denitrificans)[36]、蒙氏假單胞菌(P.monteilii)[72]等也可分別從土壤、淡水和深海中分離獲得。隨著植物的成熟和營養(yǎng)體的老化，內(nèi)生菌中的絕大部分又重新回歸到土壤中，由雨水的沖刷進(jìn)入河流江海，這也是土壤微生物的生活方式之一[2]。內(nèi)生固氮菌能長久定居在植物的營養(yǎng)體內(nèi)，與植物建立比較穩(wěn)定的共生和協(xié)同關(guān)系，且不是必需依賴在植物體內(nèi)才能完成生活史，因此它們在促進(jìn)植物生長、增強植物抗性等方面有較大的實用空間。

2.3 地域分布全球性

眾所周知，微生物的分布不具有明顯的地帶性分布特征[89]。由于野生稻廣泛分布于亞洲、非洲、拉丁美洲和澳洲等地域，野生稻內(nèi)生固氮菌的宿主植物和生存環(huán)境又具有多樣性，因此，野生稻內(nèi)生固氮菌的地域分布具有全球性。

除了極地生境的南極洲，其他6大洲都有野生稻內(nèi)生固氮菌的分布(表1)。野生稻內(nèi)生固氮菌在亞洲有著十分豐富的地理生態(tài)多樣性，主要集中在中國、日本、韓國、印度、泰國、緬甸、菲律賓、尼泊爾、柬埔寨、斯里蘭卡等國家。在西非、馬達(dá)加斯加、加拿大、美國、巴西、澳大利亞、德國和意大利等其他地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了野生稻內(nèi)生固氮菌，其生存痕跡遍布全球。我國幅員遼闊，植物資源和內(nèi)生固氮菌資源十分豐富，北自黑龍江，南至海南省，東起長江三角洲地區(qū)，西至新疆維吾爾自治區(qū)，都發(fā)現(xiàn)了野生稻內(nèi)生固氮菌，這也說明中國可利用的內(nèi)生固氮菌資源潛力巨大。

3 野生稻內(nèi)生固氮菌功能多樣性

內(nèi)生固氮菌能夠系統(tǒng)的分布于植物組織內(nèi)，并占據(jù)有利的生態(tài)位，有充足的碳源供給，受到植物組織的保護(hù)，這就有可能比根際、葉際等環(huán)境微生物更容易發(fā)揮生物學(xué)功能[56]。野生稻內(nèi)生固氮菌具有促進(jìn)宿主植物生長、增強植物對病蟲害的抗性、改善土壤環(huán)境等作用，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和加強生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面都有著重要的意義。

3.1 固氮作用

內(nèi)生細(xì)菌在非豆科植物體內(nèi)的固氮作用，是目前最令人感興趣的研究課題之一。內(nèi)生固氮菌以相當(dāng)高的數(shù)量存在于植物組織內(nèi)，形成被膜或基質(zhì)包圍的內(nèi)生特征，使其無需形成根瘤等特殊共生結(jié)構(gòu)就能發(fā)揮固氮作用[90]。如土壤固氮菌需要待菌體死亡崩解后釋放有機氮，才對增加土壤的氮含量有一定的效果，而內(nèi)生菌固定的氮素是直接提供給植物吸收同化的[91]。作物通過生物固氮減少了化肥的投入，進(jìn)而減少了化學(xué)物質(zhì)對土壤的破壞，即在增加產(chǎn)量的同時，還可在一定程度上起到保護(hù)環(huán)境的作用。

3.2 促進(jìn)植物生長作用

內(nèi)生固氮菌能分泌吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素等植物生長激素類物質(zhì)[92]，或者是通過產(chǎn)生鐵載體和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylate，ACC)脫氨酶等其他物質(zhì)來促進(jìn)植物生長[93]。陽潔等[18]從野生稻中分離到多種內(nèi)生固氮菌，接種后能顯著促進(jìn)水稻(O.sativa)的生長。尹坤等[8]分離到1株變棲克雷伯氏菌(K.variicola)，具有較強的分泌生長素和鐵載體的能力，能夠有效促進(jìn)水稻(O.sativa)的萌發(fā)和生長。

3.3 生物防治作用

植物病害的生物防治是農(nóng)藥領(lǐng)域的一項重大創(chuàng)新。由于農(nóng)藥、化肥過量施用，導(dǎo)致土壤污染日趨嚴(yán)重，經(jīng)過食物鏈的積累，最終會對人體健康造成危害[94]。內(nèi)生固氮菌可有效地抑制植物病害，通過競爭抑制作用抵制病菌、減輕發(fā)病率、增強作物抗病性[92]。內(nèi)生菌主要通過分泌抗生物質(zhì)、重寄生作用、生態(tài)位競爭和誘導(dǎo)植物抗性等方式抗病[95]。內(nèi)生固氮菌在植物體內(nèi)形成優(yōu)勢菌群后，可以調(diào)節(jié)微生態(tài)平衡，阻止病原微生物的入侵和擴(kuò)散，形成生物屏障，從而起到保護(hù)作用。野生稻內(nèi)生固氮菌能產(chǎn)生許多對植物病原微生物有抑制作用的活性物質(zhì)(如抗生素、抗菌肽等)直接作用于植物體內(nèi)，某些代謝物還能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性[40]。野生稻內(nèi)常見菌種，如根瘤菌(Rhizobium)、鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)、寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas)對水稻紋枯病有一定的抑制作用[29]，芽孢桿菌(Bacillus)對赤霉病等病害可產(chǎn)生良好的防治效果[25]。

雖然內(nèi)生菌可以對病原菌產(chǎn)生抑制作用，但有些拮抗菌株接種后難以在宿主植物內(nèi)發(fā)揮良好的定殖和表達(dá)能力，導(dǎo)致生物防治效果不理想。而且并不是所有內(nèi)生菌都對植物有積極作用，如Delftialacustris既有抗病性[50]又有致病性[96]，克雷伯氏屬(Klebsiella)、伯克霍爾德屬(Burkholderia)、腸桿菌屬(Enterobacter)、泛菌屬(Pantoea)等不少菌株對植物和動物具有致病性。因此，對于不同內(nèi)生固氮菌的生物防治作用有待逐一試驗，同時對內(nèi)生固氮菌與其他作物的病蟲害之間的作用關(guān)系也需進(jìn)一步分析，逐利避害，充分發(fā)揮野生稻內(nèi)生固氮菌的生物防治作用，抵抗病蟲的危害。

3.4 增強宿主植物抗逆境作用

野生稻長期處于自然生態(tài)環(huán)境中，遠(yuǎn)離人為因素破壞，有助于內(nèi)生菌群生長并與野生稻形成穩(wěn)定的互利共生關(guān)系，這與野生稻具有優(yōu)良的抗旱、耐寒、耐貧瘠土壤等農(nóng)藝性狀有著密切聯(lián)系。內(nèi)生固氮菌作為植物微生態(tài)系統(tǒng)的天然組分，在適應(yīng)自身微環(huán)境的同時，還可以提高宿主植物對環(huán)境的適應(yīng)性，這種適應(yīng)性表現(xiàn)在對干旱和低溫等不利環(huán)境因素的耐性和對病原菌、昆蟲等生物因素的抗性[92]。包括野生稻在內(nèi)的其他具有固氮菌的植物，能在貧瘠、鹽堿、水淹等惡劣條件下表現(xiàn)出強大生命力[60]。覃姚紅[55]發(fā)現(xiàn)陰溝腸桿菌(E.cloacae)能夠提高小麥(T.aestivum)的抗旱性;Egamberdieva等[84]的報道指出嗜根寡養(yǎng)單胞菌(S.rhizophila)具有耐鹽特性;李劍峰等[67]的研究表明產(chǎn)酸克雷伯氏菌(K.oxytoca)具有抗旱作用，從而可促進(jìn)燕麥(A.sativa)的生長。

3.5 土壤修復(fù)作用

近年來，為了增加作物產(chǎn)量而向稻田中施用了大量的化肥和農(nóng)藥，破壞了土壤結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)的同時也污染了生態(tài)環(huán)境。內(nèi)生固氮菌不僅對宿主植物有一定的影響，同時對其生長環(huán)境也能起到一定的改善作用。它們能減少氮肥流失對環(huán)境的污染，提高土壤肥力，維持生態(tài)平衡[33]。研究發(fā)現(xiàn)，固氮菌可以通過分泌胞外多糖來改變植物周圍的土壤結(jié)構(gòu)和多孔性，從而促進(jìn)植物根部在土壤中伸展[97]，同時，能改善根系周圍土壤的理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤的pH、滲透壓等。王明月等[77]篩選出能夠促進(jìn)碳酸鹽巖風(fēng)化、加快成土速率的優(yōu)勢根瘤菌，將其與豆科植物建立共生體系，進(jìn)行石漠化地區(qū)的修復(fù)與治理。此外，內(nèi)生固氮菌對環(huán)境中的重金屬污染也有一定的緩解作用，這可能與其分泌鐵載體能力相關(guān)。袁梅[29]的研究表明接種沙福芽胞桿菌(B.safensis)、阿氏腸桿菌(E.asburiae)、變棲克雷伯氏菌(K.variicola)、分散泛菌(P.dispersa)、Rhizobiummassiliae等能夠影響水稻(O.sativa)對鎘的吸收，降低植株中的鎘含量，提高水稻對鎘脅迫的抗性，進(jìn)而起到修復(fù)土壤的作用。

4 展望

野生稻內(nèi)生固氮菌種群具有豐富的多樣性，大部分菌株屬于兼性內(nèi)生固氮菌，寄主范圍廣、受益作物多，兼具多種應(yīng)用功能，是一類不可忽視的固氮體系，并已逐步成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一，受到國內(nèi)外許多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的關(guān)注。目前，可培養(yǎng)的微生物不到總數(shù)的1%，每年都有大量新的微生物種屬被發(fā)現(xiàn)，因此野生稻中的內(nèi)生固氮菌也存在巨大的發(fā)掘空間，其多樣的生物學(xué)功能也有待進(jìn)一步發(fā)掘。若能夠像動植物那樣，將內(nèi)生固氮菌的分布在地圖上標(biāo)注出來，繪制成內(nèi)生固氮菌地圖，這將是一個重大的研究突破，對深刻認(rèn)識內(nèi)生固氮菌和宿主植物之間的相互關(guān)系和遺傳進(jìn)化，以及對微生物資源的保護(hù)、開發(fā)、利用都具有重要意義。同時，固氮菌肥的研究還缺乏一定的系統(tǒng)性，如生物防治效果的不穩(wěn)定性，一些固氮菌對植物的作用具有兩面性，固氮菌作為一種引入的外來微生物，可能對植物體內(nèi)原有微生物和周圍環(huán)境的土著微生物造成影響等。仍需相應(yīng)領(lǐng)域的研究人員繼續(xù)深入探究內(nèi)生固氮菌的作用機理，幫助人們充分了解和利用內(nèi)生菌，同時為生物菌肥的開發(fā)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)和方向指引。

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ResearchProgressonDiversityofEndophyticDiazotrophsinWildRices

LIU Lihui1, JIANG Huimin2, WANG Peixuan2, TANG Xiaoyu2, PENG Guixiang2, TAN Zhiyuan1*

1.CollegeofAgriculture,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China; 2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China

Wild rice species are important germplasm resources, which serve as valuable bioresources of functional microorganisms. There are a lot of researches on endophytic nitrogen-fixing bacteria in different host plants at home and abroad, but no report in wild rice. Diverse endophytic bacteria that were found in wild rice at least belongs to 31 generas and 74 species, most of which are facultative endophytic diazotrophs with a wide range of hosts and some of which just had been found for the first time. There is a huge space for the exploration of endophytic diazotrophs in wild rice. The existing research findings focused on the biological characteristics of nitrogen fixing bacteria, such as promote growth and disease resistance aspects. The isolated and identified endophytic diazotrophs in wild rice were summarized and analyzed in this paper, as well as the diversity of their species, habitats and biological functions were comprehensively reviewed, which was aimed to enrich the bioresource of microorganisms used in industrial and agricultural areas, and provide reliable theoretical basis and direction for promoting plant growth and the development of microbial fertilizer.

wild rice; endophytic diazotrophs; plant-growth promoting; microbial fertilizer

2017-04-20;接受日期2017-05-18

國家自然科學(xué)基金項目(31370052)；廣東省自然科學(xué)基金項目(2014A030313459);廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201710564100)資助。

劉麗輝，博士研究生，主要從事微生物遺傳學(xué)研究。E-mail:qingjinsuoyou@126.com。*通信作者：譚志遠(yuǎn)，教授，主要從事生物固氮、微生物分類和生物肥料的研究。E-mail:zytan@scau.edu.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0027