植物內(nèi)生酵母研究簡況*

慕麗琴 馮漢青

（西北師范大學生命科學學院 甘肅蘭州 730070）

酵母是植物中內(nèi)生微生物的獨特類群，與內(nèi)生細菌和絲狀真菌一起棲息在一個小而獨特的生態(tài)位中。內(nèi)生酵母生長過程中所產(chǎn)生的植物激素和其他因子可促進寄主植物生長、維持寄主植物健康。不同于細菌在植物體內(nèi)的繁殖，酵母缺乏鞭毛，可能已開發(fā)出其獨特的植物繁殖方式。在改善作物生長及提高經(jīng)濟效益等方面，酵母菌的社會接受度比細菌高。內(nèi)生酵母在生物化學生產(chǎn)方面具有優(yōu)于工業(yè)酵母菌株的優(yōu)勢，因為它們更擅長利用植物的己糖和戊糖，并且對植物化學物質的耐受性更強。對內(nèi)生酵母的研究是一個新領域，可為植物微生物學及重要的農(nóng)業(yè)和工業(yè)應用提供新的知識。本文對來自各種植物物種的內(nèi)生酵母分離的有限文獻進行調查，并總結這些探索酵母分離物的應用。

1 植物內(nèi)生酵母的多樣性

目前，有關內(nèi)生酵母的研究大部分都集中在對多年生木本植物的研究上，最早的相關報道是對黑云杉（Picea mariana）芽和針葉中內(nèi)生真菌的研究［1］。在該研究中，研究者對400 個黑云杉芽進行檢測后，僅發(fā)現(xiàn)了1 種內(nèi)生真菌分離菌株，然而從針葉里卻分離出914 種。其中，大多數(shù)真菌分離菌株屬于少數(shù)分類群，只有11%是酵母菌，研究表明了內(nèi)生酵母在黑云杉中的定殖是發(fā)生在發(fā)芽之后。通過深入研究，研究者還發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌的數(shù)量與樹齡呈正相關。第1年從針葉樣本中分離的內(nèi)生菌中僅有4%為真菌樣本，而到第3年時達到了90%。

研究發(fā)現(xiàn)，北京油松松枝的內(nèi)生酵母菌株相對其他植物較少［2］。實驗選取了30 棵不同的油松并制成小枝切片，用麥芽提取物平板僅分離出3個酵母菌落，未發(fā)現(xiàn)絲狀真菌。這些被分離的酵母菌株在最初被確定為Rhodotorula minuta，但隨著研究的推進，研究者發(fā)現(xiàn)這些酵母菌株核苷酸的差異存在于一些核糖體基因區(qū)域中，并進一步證明該菌株是一個新的物種Rhodotorula pinicola，與從南極分離出的一種酵母密切相關。

與北京油松一樣，在研究紅杉枝條時，研究者幾乎沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌［3］。但卻從紅杉的嫩枝中分離出4 種酵母菌種：包括2 種漢遜德巴利酵母（Debaryomyces hansenii）、出芽酵母菌（Trichosporon pullulans）和未知的紅色擔子菌（Basidiomycete）。隨后，研究者對紅杉老枝進行研究時，從中分離出漢遜氏芽孢桿菌，同時指出紅木森林生物多樣性水平總體上低于相關的酵母多樣性水平。

在研究以橡樹和榆樹為主的溫帶森林時，研究人員用頂鶴從植物葉片中分離出多種內(nèi)生真菌［4］，并指出各種內(nèi)生真菌對于棲息地的偏好，其中包括對寄主物種的選擇、對光照的需求和對季節(jié)變化的適應。在分離出的48 個真菌分類群的626 個分離物中，只有1 個是酵母物種Filobasidium uniguttulatum。

英國橡木的橡子中也分離出了內(nèi)生酵母［5］。發(fā)現(xiàn)在橡樹種子發(fā)芽之前，唯一存在的酵母菌種是Candida railenensis；而在其種子萌發(fā)過程中，內(nèi)生酵母的數(shù)量高達107 CFU／g。

同時，從楊樹（Cottonwood）中也分離出3 種粉紅色素的酵母。包括從俄勒岡州和華盛頓州的溫室中生長的雜交楊樹中分離到2 種不同的Rhodotorula mucilaginosa菌株；從俄羅斯河岸環(huán)境中生長的毛果楊中分離出的Rhodotorula graminis菌株。這3 種菌株均可產(chǎn)生高水平的植物激素吲哚乙酸，并且在普通植物糖（包括蔗糖、葡萄糖和木糖）上生長良好。

新疆大學研究者從胡楊樹干汁液中也分離出了內(nèi)生酵母［6］，經(jīng)形態(tài)學特征、生理生化特征等方面進行對比分析，最終鑒定該菌株為Rhodotorula minuta近似種。

另一些研究人員從柳樹中分離出了內(nèi)生酵母［7］。在葉表面上分離出3 種 酵母菌種：隱球菌屬、粘帚菌屬和胞囊線蟲屬。但在植物內(nèi)部卻主要以新種Ogataea cecidiorum為主。與畢赤酵母種類最接近的菌株在延遲幾天后能發(fā)酵葡萄糖（具體菌株尚不明確），但不能發(fā)酵植物糖、蔗糖、半乳糖和木糖。

在對巴西熱帶生態(tài)系統(tǒng)中的植物進行研究時，研究人員共收集了54 種蘭科植物作為主要研究對象，共分離出10 多株絲狀真菌［8］，子囊菌（念珠菌屬）和擔子菌屬（R.mucilaginosa）酵母菌在植物體內(nèi)也被發(fā)現(xiàn)。

評估印度藥用植物Alstonia scholaris內(nèi)生真菌的抗菌活性時，研究人員對印度西孟加拉邦7個不同地點選取的1 002 個植物樣本的3 種組織（葉柄、樹皮和葉片）進行了植物內(nèi)生菌的分離，分離出的真菌屬于19 屬，包括4 種不明真菌和酵母，共計分離出1 152 個內(nèi)生真菌。同時，研究者還發(fā)現(xiàn)3 種植物組織（葉柄、樹皮和葉片）的內(nèi)生真菌定殖率有較明顯的差異。此發(fā)現(xiàn)為內(nèi)生真菌的組織具有特異性提供了有力的證據(jù)。

2012年，研究人員對被稱為萬年青（Solanum cernuum）的巴西藥用植物進行了內(nèi)生真菌多樣性及抗菌活性的研究，最終共得到246 株內(nèi)生真菌，其中包括21 種酵母及225 種絲狀真菌［9］。隨著研究的推進，研究者還發(fā)現(xiàn)分離出的酵母菌數(shù)量有隨季節(jié)變化而變化的趨勢，在冬季共分離得到18種酵母，而在夏季僅分離到3 種。

內(nèi)生植物酵母的存在已被證明是一個廣泛的自然現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，植物貯藏組織很有可能是內(nèi)生酵母的最佳定殖環(huán)境。該研究共篩選了29 種森林和草地植物中的內(nèi)生酵母，包括最常見的白色隱球酵母（22 株）、漢遜酵母（34 株）、Metschnikowia pulcherrima（11 株）、Rhodotorulaspp.（4 株），此外，還有其他19 種較低頻率的物種。通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同植物器官中有不同的優(yōu)勢酵母菌屬，例如，紅酵母屬是地下植物貯藏器官中最普遍的屬，而在肉質果實的組織中內(nèi)生酵母主要為Hanseniaspora和Metschnikowia屬。

對玉米根內(nèi)生酵母的篩選中，研究者共分離出24 株內(nèi)生真菌，并且發(fā)現(xiàn)一些菌株能產(chǎn)生植物激素（IAA 或IPYA），Williopsis saturnus激素產(chǎn)量最高，而那些不產(chǎn)生植物激素的菌株最終被鑒定為粘紅酵母（Rhodotorula glutinis）。

研究者從巴西的甜橙植物（Citrus sinensis）中也分離出內(nèi)生酵母。根據(jù)形態(tài)特征，研究者將分離出的24 株菌分為3 組：A 組包括念珠菌屬、畢赤酵母屬和短柄亞種。B 組由隱球菌屬（Cryptococcusspp.）組成。在所有樣品中都檢測到C 組包含的粘液菌，而蒙古畢赤酵母主要存在于感染了病原體Xylella fastidiosa的植物中。未感染植物中的內(nèi)生酵母菌濃度最高，以隱球菌為優(yōu)勢種。當3 組加入到無菌苗的根中時，45 d 苗齡的幼苗內(nèi)的內(nèi)生菌濃度為106～109 CFU／g。酵母主要在植物根、莖和葉中定殖，部分酵母則是在氣孔中被觀察到，植物表面并未發(fā)現(xiàn)有酵母的存在。為了研究畢赤酵母與疾病的相關性，研究人員分別將畢赤酵母培養(yǎng)物的無細胞提取物和隱球菌培養(yǎng)物添加到病原體的體外培養(yǎng)物中。隱球菌提取物無效，但畢赤酵母提取物促進了Xylella的生長。

2 植物內(nèi)生酵母的應用研究

目前，對內(nèi)生酵母的研究主要集中在生態(tài)學方向，植物內(nèi)生酵母還有許多潛在價值并未得到充分開發(fā)。內(nèi)生酵母可生產(chǎn)一定價值的生物化學品，還可作為抗菌劑和生物催化劑，并在促進植物生長方面也有一定的用途，例如，普通釀酒酵母僅能發(fā)酵六碳糖，這是由于高含量的半纖維素是由五碳糖組成，故使木質纖維素發(fā)酵無效。而研究者采用從楊樹中分離的紅酵母分別發(fā)酵木糖和葡萄糖，最終得到了木糖醇和乙醇［10］。糖尿病患者食用木糖醇（甜味劑的替代品）后，血糖水平不會升高。楊樹內(nèi)生酵母菌株的遺傳分析表明，與其他酵母菌的木糖基因相比，楊樹內(nèi)生酵母菌株的木糖代謝基因具有獨特和復雜的多內(nèi)含子結構。而2 種楊樹內(nèi)生酵母木糖基因表達水平的比較表明，較好的木糖發(fā)酵劑具有較高的基因表達，此項研究為進一步改良菌株提供了一定的途徑。楊樹內(nèi)生酵母也顯示出對一些常見的發(fā)酵抑制劑具有抗性［11］。

一些內(nèi)生酵母菌株具有可應用于制藥的抗菌特性。Vaz 等［8］對巴西蘭花內(nèi)生真菌的研究表明，13 株酵母菌中有3 株具有抗菌活性。這3 種酵母的粘液提取物對粘紅霉、貝辛氏菌和近平滑念珠菌這3 種致病性菌株呈現(xiàn)>1 mg／mL 的最小抑制濃度值。盡管酵母提取物的活性比其他一些內(nèi)生真菌提取物的活性弱，但多項研究指出內(nèi)生酵母菌具有很好的開發(fā)潛力。另一種巴西植物的內(nèi)生菌，也顯示了其作為抗菌素來源的潛力［12］。在這2項研究中，目標微生物都是人類病原體，對于分析內(nèi)生酵母保護植物宿主免受病原體侵害的潛在能力提供了一定的依據(jù)。

內(nèi)生酵母也具有工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)治療劑的潛力。對于植物中的各種碳源，由于其能很好地適應，因而可利用低成本的物質將內(nèi)生酵母從環(huán)境中分離出，相比于傳統(tǒng)的工業(yè)酵母菌株，內(nèi)生酵母可能會具有更耐寒、更耐用的優(yōu)勢。

一些內(nèi)生酵母菌株會產(chǎn)生植物激素，進而促進了植物的生長，例如，玉米內(nèi)生酵母菌株中有8株產(chǎn)生生長素IAA 和IPYA［13］。3 株楊樹內(nèi)生酵母Rhodotorula graminis和2 株R.mucilaginosa也 產(chǎn)生IAA，其中一部分的玉米內(nèi)生菌菌株和所有的楊樹菌株需要L-色氨酸作為IAA 生產(chǎn)的前體。玉米內(nèi)生菌對于玉米的生長起著促進作用，一定程度增加了干重及根和芽的長度，內(nèi)生酵母促進了宿主植物及其他植物的生長。來自楊樹的內(nèi)生酵母菌株WP1 強烈地促進了甜椒的生長，根和芽質量均增加了60%，開花和結實提早，并且顯著增加了果實產(chǎn)量［13］。在一項有關測試楊樹內(nèi)生菌對甜玉米影響的研究中，接種了WP1 的玉米增加了84%的根質量和41%的地上部分質量，并且增加玉米葉的面積。在目前的大田試驗中，與未接種的對照組相比，用內(nèi)生酵母接種楊樹也增加了植株高度，這些研究表明，通過內(nèi)生酵母的使用可促進植物生長。

3 結論

對于植物內(nèi)生酵母的研究，當前階段報道較少。Pirttila 等［14］明確指出低估了植物樣品內(nèi)的內(nèi)生酵母的作用，對于植物內(nèi)生酵母種群的精準評估，最必需重視的就是內(nèi)生酵母的分離方法。

內(nèi)生酵母資源十分有價值，卻利用不足，目前研究的重點在于內(nèi)生細菌和絲狀真菌在生物合成、生物轉化和生物降解等方面的應用，而內(nèi)生酵母在工業(yè)生產(chǎn)中，生物化學方向上所具有的重要潛在用途卻沒有得到相應的重視。酵母比絲狀真菌更容易培養(yǎng)，因此，內(nèi)生酵母在各種生物合成應用中存在著巨大的潛力。內(nèi)生酵母在植物病原體生物防治中的應用尚未得到很好的探索。研究證明內(nèi)生酵母對植物生長具有顯著的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用這些天然酵母以改善農(nóng)業(yè)和生物能源的生物質生產(chǎn)，也是植物內(nèi)生酵母的重要研究方向。