植物內(nèi)生菌對重金屬脅迫下植物生長的影響綜述

馮君 王宇楠 于翠梅 李夢雪 陳熙 姜媛媛 馬蓮菊

摘要：重金屬污染是近幾年來人們熱議的話題，利用綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方法緩解重金屬脅迫是人們一直所追求的，內(nèi)生菌與植物聯(lián)合緩解重金屬脅迫就是其中之一。內(nèi)生菌能夠緩解重金屬對植物生長的影響，本文綜述了近年來植物內(nèi)生菌對重金屬脅迫緩解的相關(guān)研究，以及內(nèi)生菌在重金屬脅迫下促進(jìn)植物生長發(fā)育的作用機(jī)制。

關(guān)鍵詞：內(nèi)生菌;重金屬;植物生長

中圖分類號： Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0042-04

收稿日期：2018-05-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：31600314）;遼寧省自然科學(xué)基金（編號：2015020762）;遼寧省沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（編號：F16-205-1-50）;沈陽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號：201810166302）。

作者簡介：馮?君（1996—），女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。E-mail：791306403@qq.com。

通信作者：馬蓮菊，博士，副教授，主要從事生物化學(xué)與分子生物研究。E-mail：744289467@qq.com。

重金屬污染已成為國內(nèi)外亟待解決的主要問題。近年來，隨著城市化、工業(yè)化不斷深入，如礦產(chǎn)資源開發(fā)、金屬冶煉、污水灌溉、化肥的大量使用等人類活動，含多種重金屬的污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤、水源，造成了嚴(yán)重的重金屬污染，生態(tài)被嚴(yán)重破壞。目前我國受重金屬污染土壤面積約2 000萬hm2，占耕地總面積的1/5，每年因土壤重金屬污染帶來的糧食減產(chǎn)高達(dá)1 000多萬t，被重金屬污染的糧食每年約1 200萬t，年經(jīng)濟(jì)損失超200億元[1]。重金屬影響植物的酶活性與功能、養(yǎng)分膜運(yùn)輸和對其他營養(yǎng)元素的吸收等，這些毒害作用更會通過食物鏈間接威脅到人類健康和生命安全。

微生物具有可從污染媒介中直接去除重金屬、緩解重金屬脅迫對植物生長抑制作用的能力[2-3]。植物內(nèi)生菌是指那些對植物生長不會引起病害癥狀并且生長在植物體內(nèi)的微生物[4]，主要包括內(nèi)生真菌、內(nèi)生細(xì)菌和內(nèi)生放線菌。植物內(nèi)生菌主要在藥用植物、羊茅屬植物[5-6]以及熱帶樹木中研究較多[7-8]，它可以產(chǎn)生植物激素、提高植物固氮能力等，幫助植物抵抗逆境[9]。

1?重金屬脅迫對植物生長的影響

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工業(yè)和城市“三廢”大量排放，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、肥料和殺蟲劑等的大量使用，導(dǎo)致土壤中重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）等含量嚴(yán)重超標(biāo)[10]。重金屬在植物體內(nèi)積累，不僅影響植物從種子萌發(fā)到生長發(fā)育的一系列生理過程，而且導(dǎo)致其品質(zhì)和產(chǎn)量下降[11]。例如，孫園園等研究了Cd對植物光合指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)Cd抑制植物葉綠素的合成，導(dǎo)致葉綠素含量降低，從而降低植物的光合作用[12]。還有研究表明，低濃度Cu脅迫對蘇丹草種子萌發(fā)時發(fā)芽率和發(fā)芽勢具有促進(jìn)作用，而隨Cu濃度的增加，抑制作用逐步替代了促進(jìn)作用，當(dāng)Cu濃度為10 mg/L 時，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均高于對照，濃度大于10 mg/L 時，則均小于對照[13]。重金屬脅迫對植物根尖的有絲分裂產(chǎn)生影響，鉛離子脅迫處理的時間和濃度不同，對蠶豆根尖的生長及其根尖部位細(xì)胞的有絲分裂作用產(chǎn)生不同程度的抑制作用[14]。有人研究了鉻脅迫對三葉草、高羊茅和紫花苜蓿這3種植物生長的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鉻濃度的增加，植物的株高和根長均降低，而且對根長的影響比株高更顯著，甚至導(dǎo)致根部生長受抑制，側(cè)根量減少以及斷根現(xiàn)象[15]。重金屬脅迫也影響植物的抗氧化系統(tǒng)，有學(xué)者用4種重金屬Cd、Cu、Pn、Zn對任豆幼苗進(jìn)行脅迫處理，發(fā)現(xiàn)其超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性均受這些重金屬脅迫的影響而不同程度地降低[16]。

2?內(nèi)生菌改善植物在重金屬脅迫下的生長狀況

重金屬對植物產(chǎn)生的毒害作用嚴(yán)重影響了植物的生長發(fā)育，主要表現(xiàn)在植株發(fā)育遲緩、葉片褪綠等方面[17-18]。內(nèi)生菌可以通過誘導(dǎo)植物合成一些物質(zhì)來抵抗重金屬脅迫。Ma等研究表明，內(nèi)生真菌在一些植物體內(nèi)可以把一些有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成無機(jī)物質(zhì)，從而使植物具有充足的礦質(zhì)元素，并且能誘導(dǎo)合成具有特異性的酶和激素，達(dá)到促進(jìn)植物生長的作用[19-20]。丁建等發(fā)現(xiàn)，具有重金屬抗性植物內(nèi)生真菌也能通過產(chǎn)生類植物激素物質(zhì)、ACC脫氨酶、溶解性礦質(zhì)營養(yǎng)元素、鐵載體等產(chǎn)物及固氮作用來加速植物生長[21]。內(nèi)生菌還可以改善重金屬脅迫下植物的生長狀況。重金屬脅迫對根的影響一般都大于對地上部的影響[22-23]。內(nèi)生菌侵染可以顯著改善植物在重金屬脅迫下根的生長狀況，進(jìn)而緩解重金屬對植物的毒害作用。與不被內(nèi)生菌侵染的植株相比，內(nèi)生菌侵染的植株在重金屬脅迫下根的生長速度和分蘗數(shù)等都有顯著的提高。如在Al3+脅迫條件下，內(nèi)生真菌感染的植株可保持相對較高的根生長速度和根生物量[24]。內(nèi)生真菌侵染的高羊茅在銅脅迫下具有更高的地下生物量[25]。從大豆根瘤中分離出的20株內(nèi)生菌中有7株不僅具有較高的耐鹽堿性和強(qiáng)溶磷性，還能提高植物在Cr6+、Cu2+和Pb2+等重金屬離子脅迫下的生長狀況?？赡苁怯捎诋a(chǎn)生某些氨基酸、質(zhì)子以及有機(jī)酸等增加植物體內(nèi)酸性，溶解重金屬或產(chǎn)生活性物質(zhì)結(jié)合重金屬，使其毒性降低，增強(qiáng)植物的重金屬抗性[26-27]。從上述研究可以看出，重金屬脅迫下內(nèi)生菌能通過與植物的相互作用利用多種生物途徑提高植物重金屬抗性。

3?內(nèi)生菌在重金屬脅迫下促進(jìn)植物生長的作用機(jī)制

3.1?提高植物光合作用

光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳-氧平衡的重要媒介。內(nèi)生菌可以通過提高植物的葉綠素含量、凈光合速率、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）及氣孔導(dǎo)度等影響光合作用。內(nèi)生菌B3能夠從拔節(jié)期開始，逐步提高水稻葉片內(nèi)葉綠素含量，且葉綠素降解速度均慢于滅菌培養(yǎng)基和CK處理組。內(nèi)生多黏類芽孢桿菌S7能通過提高凈光合速率和氣孔導(dǎo)度等顯著促進(jìn)甜菜的光合作用[28]。這使植物可以通過內(nèi)生菌侵染減輕重金屬對其光合作用的影響。內(nèi)生真菌可以顯著緩解高濃度鎘條件下高羊茅和黑麥草的凈光合速率和光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）的下降趨勢[29-30]。在鎘脅迫下接種了內(nèi)生菌的植株要比未接種的植株具有更高的氣孔導(dǎo)度，緩解對光合速率的影響[31]。在鉛污染的土壤中，接種內(nèi)生菌的油菜葉綠素含量要比接種滅活菌懸液植株的高[32]。內(nèi)生菌提高植物光合作用的具體機(jī)制還不清楚，可能是由于內(nèi)生菌寄生在宿主的各個器官內(nèi)，影響了植物體內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，從而調(diào)節(jié)了植物體內(nèi)導(dǎo)管運(yùn)輸與氣孔開閉，進(jìn)而影響了光合作用[33]。

3.2?提高植物抗氧化酶活性

植物體內(nèi)活性氧（ROS）包括超氧陰離子（O-2· ）、羥基自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）?；钚匝醮罅糠e累，打破了正常代謝時活性氧的產(chǎn)生與清除之間的平衡，進(jìn)而引發(fā)膜脂過氧化，造成對細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷。植物通過提高抗氧化酶活性來消除活性氧，如POD、SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH）等。內(nèi)生菌可以通過提高植物抗氧化酶的活性來抵抗重金屬脅迫[34]，如內(nèi)生真菌B3有效刺激誘導(dǎo)水稻體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)活力提高，減輕了活性氧對膜質(zhì)的攻擊。在鎘脅迫下，內(nèi)生真菌顯著提高了披堿草抗氧化酶的活性[35]。當(dāng)鎘濃度≥100 μmol/L時，帶菌醉馬草幼苗抗氧化酶活性顯著高于不帶菌幼苗[36]。內(nèi)生菌增強(qiáng)植物抗氧化系統(tǒng)的機(jī)制還不十分明確，有人根據(jù)接種菌株的性能作出假設(shè)去解釋這一現(xiàn)象，可能是因?yàn)榧木釉诔鄯e植物體內(nèi)的內(nèi)生菌被誘導(dǎo)產(chǎn)生抗氧化酶，來抵抗重金屬離子對其的傷害[37]。

3.3?促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收

重金屬除了本身可能對植物產(chǎn)生毒性外，還能影響植物對其他元素的吸收，包括微量元素和大量元素，從而造成植物體元素失調(diào)[37]。內(nèi)生菌可以促進(jìn)植物體吸收營養(yǎng)元素。如在內(nèi)生菌PG-3處理后，甜菜中營養(yǎng)元素N、P、K、Mg和蛋白質(zhì)的含量分別提高了0.18、0.51、0.08、0.33、0.60倍[38]。Mn是植物新陳代謝和激活酶活性的必要元素，接種菌株的植株在鎘脅迫下吸收的Mn要明顯高于未接菌植株，并且接種內(nèi)生菌明顯緩解了鎘對其他重金屬吸收量的影響，進(jìn)而維持了植物體營養(yǎng)元素的平衡[37]。有些內(nèi)生菌具有較強(qiáng)的固氮能力，能夠利用更多的氮元素，減輕重金屬對植株的傷害。如固氮內(nèi)生菌HMLR8和HMLR13均能不同程度地提高水稻植株的氮含量，促進(jìn)水稻生長[39]。在Cu2+脅迫下，接種有野生型菌株186和突變體3-42的植物，其莖葉和根中氮含量均比沒有接種的植物增加了1倍左右[40]。

Fe是植物生命活動的基本物質(zhì)，有些細(xì)菌分泌一種專門結(jié)合Fe的小分子蛋白從土壤中收集Fe，這種物質(zhì)被稱之為鐵載體。一些內(nèi)生菌可以產(chǎn)生鐵載體，加強(qiáng)植物對Fe元素的吸收。如內(nèi)生細(xì)菌LRE07接種于藍(lán)色平板后，在菌落周圍有顯著黃色暈圈出現(xiàn)，這表明內(nèi)生細(xì)菌LRE07有產(chǎn)鐵載體的能力[41]。商陸內(nèi)生菌SLR09、SLS04和SLL03也被發(fā)現(xiàn)有較高的產(chǎn)生鐵載體的能力[42]。

3.4?產(chǎn)生激素及次生代謝產(chǎn)物

內(nèi)生菌可以產(chǎn)生許多如生長素（IAA）、赤霉素（GA）、細(xì)胞分裂素（CTK）等促進(jìn)植物生長的激素，這是內(nèi)生菌促進(jìn)植物生長的主要機(jī)制之一。如假單胞菌（Pseudomonas sp.）、腸桿菌（Enterobacter sp.）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus Rosenbach）、固氮菌（Azotobacter sp.）和固氮螺菌（Azospirillum sp.）產(chǎn)生生長激素及細(xì)胞分裂素等[43]。內(nèi)生菌可以產(chǎn)生赤霉素和生長素來減輕植物的非生物脅迫[44]。從苜蓿中分離的內(nèi)生菌ASR16和ALR33可以產(chǎn)生生長素，對植物具有促生功能[45]。

內(nèi)生菌是誘導(dǎo)宿主植物分泌代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)物，在一定的環(huán)境條件下，刺激植物產(chǎn)生多種次生代謝產(chǎn)物如生物堿類、酚類和萜類物質(zhì)等，提高宿主的應(yīng)激耐受性。例如，F(xiàn)usarium sp.內(nèi)生菌侵染的明黨參細(xì)胞內(nèi)多糖積累發(fā)生明顯變化[46]。有人從虎皮檀中得到Aspergillus fumigates內(nèi)生菌，發(fā)現(xiàn)該內(nèi)生菌能產(chǎn)生具有強(qiáng)抗氧化能力的黃酮類物質(zhì)[47]。在滲透脅迫下，內(nèi)生菌次生代謝產(chǎn)物處理的玉米植株，經(jīng)基因芯片技術(shù)進(jìn)行差異表達(dá)基因分析發(fā)現(xiàn)，存在于玉米根系的許多基因產(chǎn)生了變化，涉及了21條代謝途徑，說明內(nèi)生菌次生代謝產(chǎn)物通過調(diào)控多個生物學(xué)途徑來減緩滲透脅迫對植物的毒害作用[48]。

3.5?產(chǎn)生有機(jī)酸

有機(jī)酸在植物體內(nèi)能夠參與多種非生物脅迫應(yīng)答反應(yīng)及調(diào)節(jié)酸堿平衡，其種類和含量的變化是植物提高抗逆性的重要組成部分[49]。光合細(xì)菌（PSB）可以產(chǎn)生有機(jī)酸，將不溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄粤姿猁}，增加土壤微生物對磷的攝取和利用，加速土壤中的磷循環(huán)[50]。在重金屬Cd處理的水稻根系中，檸檬酸、蘋果酸等含量均降低，而葉片中琥珀酸、酒石酸含量也均降低。通過施加內(nèi)生菌高Y1-1，使水稻根系中蘋果酸、檸檬酸等及水稻葉片中酒石酸、琥珀酸等的含量均有所增加[51]。Ren等發(fā)現(xiàn)，黑曲霉菌能產(chǎn)生多種有機(jī)酸來去除土壤中重金屬，從而提高植物的抗逆能力[52]。由此可見，植物內(nèi)生菌能通過產(chǎn)生有機(jī)酸來增加植物的抗逆能力。

3.6?內(nèi)生菌自身吸附重金屬

內(nèi)生菌不僅能通過提高植物本身的防御能力來抵抗重金屬脅迫，自身還能吸收和清除植物體內(nèi)的重金屬。植物內(nèi)生菌LK9對重金屬離子具有一定的吸附能力，通過進(jìn)一步修飾制成生物吸附劑LK9-2P來清除重金屬[53]。有研究表明，深色有Cd內(nèi)生真菌對Zn（Ⅱ）具有一定抗性的作用機(jī)制可能是以細(xì)胞壁吸附為主的物理過程[54]。蘆葦中長野雷夫松氏內(nèi)生菌RE3-4自身能產(chǎn)生胞外的多糖類物質(zhì)，該物質(zhì)能吸附水溶液中的Cd2+、Pb2+[55-56]。董睿智研究高砷抗性大葉井口邊草內(nèi)生菌L01時發(fā)現(xiàn)，其對Pb有非常好的吸附效果[57]。

4?展望

內(nèi)生菌具有巨大的生物潛能和開發(fā)應(yīng)用前景[58-59]，在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用內(nèi)生菌促進(jìn)植物生長，提高植物對生物脅迫和非生物脅迫的抗性，以及通過內(nèi)生菌制備生物吸附劑吸附重金屬，減輕其對環(huán)境的污染等。未來還可從重金屬脅迫下內(nèi)生菌相關(guān)抗逆基因著手，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良農(nóng)作物相關(guān)基因，提高作物產(chǎn)量，以及著重研究植物和內(nèi)生菌共生體系在響應(yīng)重金屬脅迫下的調(diào)控機(jī)制及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，利用現(xiàn)代組學(xué)技術(shù)深度剖析共生體系在響應(yīng)重金屬脅迫時發(fā)揮關(guān)鍵作用的特異代謝途徑等。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋朝陽，陳同斌. 重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（7）：1196-1203.

[2]Ike A，Sriprang R，Ono H，et al. Bioremediation of cadmium contaminated soil using symbiosis between leguminous plant and recombinant rhizobia with the MTL4 and the PCS genes[J]. Chemosphere，2007，66（9）：1670-1676.

[3]Weyens N，van der Lelie D，Taghavi S，et al. Phytoremediation：plant-endophyte partnerships take the challenge[J]. Current Opinion in Biotechnology，2009，20（2）：248-254.

[4]Khan A L，Hamayun M，Ahmad N，et al. Exophiala sp. LHL08 reprograms Cucumis sativus to higher growth under abiotic stresses[J]. Physiologia Plantarum，2011，143（4）：329-343.

[5]田?沛，曠?宇，南志標(biāo). 中華羊茅的優(yōu)良特性以及利用內(nèi)生真菌進(jìn)行育種潛力淺析[J]. 草業(yè)科學(xué)，2015，32（7）：1079-1087.

[6]彭清青. Neotyphodium內(nèi)生真菌對中華羊茅耐寒性的影響[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[7]Arnold A E，Maynard Z，Gilbert G S，et al. Are tropical fungal endophytes hyperdiverse？[J]. Ecology Letters，2000，3（4）：267-274.

[8]Azevedo J L，Maccheroni W，Pereira J O，et al. Endophytic microorganisms：a review on insect control and recent advances on tropical plants[J]. Electronic Journal of Biotechnology，2000，3（1）：40-65.

[9]Khan A L，Hamayun M，Kang S M，et al. Endophytic fungal association via gibberellins and indole acetic acid secretion can improve plant growth potential in abiotic stress：an example of Paecilomyces formosus LHL10[J]. BMC Microbiology，2012，12（1）：1-14.

[10]王玉軍，劉?存，周東美，等. 客觀地看待我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀——關(guān)于《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中有關(guān)問題的討論和建議[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（8）：1465-1473.

[11]王皙瑋，王秋紅，於麗華. 土壤重金屬污染及對生物體影響的研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017，33（19）：86-92.

[12]孫園園，張光蘭，楊文杰，等. 鎘脅迫對1年生黑麥草種子萌發(fā)及幼苗初期生理生化特性的影響[J]. 種子，2014，33（8）：25-29.

[13]高?柱，王小玲，劉騰云，等. 重金屬Cu污染對蘇丹草種子發(fā)芽及幼苗生長的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（25）：199-204.

[14]張英慧，韓善華. 鉛對蠶豆種子萌發(fā)及根生長的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（14）：8540-8541，8571.

[15]王愛云，黃姍姍，鐘國鋒，等. 鉻脅迫對3種草本植物生長及鉻積累的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2012，33（6）：2028-2037.

[16]覃勇榮，湯豐瑜，嚴(yán)海杰，等. 重金屬脅迫對任豆種子萌發(fā)及幼苗抗氧化酶活性的影響[J]. 種子，2017，36（10）：31-36.

[17]李子芳，劉惠芬，熊肖霞，等. 鎘脅迫對小麥種子萌發(fā)幼苗生長及生理生化特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（增刊1）：17-20.

[18]宇克莉，孟慶敏，鄒金華. 鎘對玉米幼苗生長、葉綠素含量及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：118-123.

[19]Ma Y，Prasad M N，Rajkumar M，et al. Plant growth promoting rhizobacteria and endophytes accelerate phytoremediation of metalliferous soils[J]. Biotechnology Advances，2011，29（2）：248-258.

[20]Ryan R P，Germaine K，F(xiàn)ranks A，et al. Bacterial endophytes：recent developments and applications[J]. FEMS Microbiology Letters，2008，278（1）：1-9.