植物種子內(nèi)生菌及其應用前景的研究進展

陳柯璇，李海燕

（昆明理工大學醫(yī)學院，云南 昆明 650500）

當前，普遍認為植物內(nèi)生菌是一類微生物，包括細菌，真菌，放線菌和藻類，它們定植在植物的組織或器官內(nèi)部度過整個生命周期但不會引起宿主植物任何疾病癥狀［1-2］。種子作為植物的重要繁殖器官，是多種有益菌的載體，能夠通過垂直傳播的方式將有益菌代代相傳［3］。種子內(nèi)生菌作為第一個定植在新幼苗體內(nèi)的微生物群，對于宿主植物來說具有重要的生態(tài)學意義，目前針對種子內(nèi)生菌對植物生長發(fā)育影響及應用前景的研究較少［4-5］。

本研究將對內(nèi)生菌與種子的關系及其傳播方式以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、生物醫(yī)藥、作為外源基因載體等方面應用前景進行總結，旨在為種子內(nèi)生菌的應用提供新思路，對下一步研究方向予以展望。

1 內(nèi)生菌與種子的關系及其傳播方式

1.1 內(nèi)生菌與種子的關系

內(nèi)生菌是植物微生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，生活于植物組織內(nèi)，與宿主形成緊密的共生關系，從宿主植物中獲取營養(yǎng)和庇護，進而通過各種機制促進宿主植物生長，抑制病害［2，6］。種子內(nèi)一旦建立微生物群，這些微生物就可以在種子萌發(fā)期間自然轉移到幼苗，促進幼苗生長［7］。種子內(nèi)生菌必須具有高效的運動性和進入種子并在種子中生存的能力［8］。

1.2 內(nèi)生菌的傳播方式

種子內(nèi)生菌有不同的植入方式。Maude等人［9］認識到，內(nèi)生菌進入種子主要是通過親本植物中的維管束或木質部組織經(jīng)開花后的柱頭進入。Truy?ens等人［10］討論了內(nèi)生菌進入種子的三種主要方式：（1）利用維管組織從親本植物傳遞到種子胚乳；（2）通過配子直接傳遞到胚乳；（3）從成熟果實直接垂直傳播。

內(nèi)生菌的傳播方式很重要，它決定了傳播的效率［11］。研究表明，許多內(nèi)生菌的垂直傳播率大于90%［12］。顯然，垂直傳播是更廣泛和有意義的，因為它能夠為植物世代生長提供一個從親本植物選擇性傳遞有益內(nèi)生菌的機會［13-14］。Walitang等人［15］在不同地點的雜交或近親繁殖后的水稻種子中發(fā)現(xiàn)了相似的內(nèi)生菌種群，表明內(nèi)生菌能夠跨世代、跨環(huán)境傳播。Anderson發(fā)現(xiàn)帶有綠色熒光蛋白（Green fluorescent protein，gfp）標記的種子成團泛菌（Pantoea agglomerans）能夠向幼苗傳播，證明了桉樹種子內(nèi)生菌的垂直傳播［16］。

2 應用前景

種子內(nèi)生菌是建立植物內(nèi)生菌群的基礎，能為宿主植物的生長發(fā)育和植物保護提供許多益處，可以賦予宿主植物抗草食性［17］、害蟲抗性［18］、增加耐旱性［19］、抗病性［18］、強化微量營養(yǎng)素［20］、抗鹽脅迫［21］和提高對重金屬脅迫的耐受性［19］。不同的研究者對內(nèi)生菌分泌的天然化合物進行了詳細的研究，這些化合物屬于生物堿類、萜類、類黃酮類、甾類聚酮類等多種化學基團，具有抗菌、抗瘧、抗癌、殺蟲等多種生物活性［22-25］。

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面

2.1.1 促進種子萌發(fā)

在種子萌發(fā)過程中，內(nèi)生菌可以直接或間接地促進植物生長［26］。伴隨植物種子萌發(fā)，會出現(xiàn)乙烯釋放高峰，在幼苗出土后如果仍有大量乙烯產(chǎn)生就會抑制幼苗生長。此時內(nèi)生菌產(chǎn)生的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基（1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic Ac?id，ACC）脫氨酶就可以降低乙烯產(chǎn)生量，促進幼苗生長［27］。枝孢霉菌（Cladosporium cladosporioides）是堿蓬的種子內(nèi)生真菌，它表現(xiàn)出促進種子萌發(fā)和植物生長的特性［28］。藜麥種子內(nèi)生菌對宿主細胞增殖有積極的促進作用，從而支持宿主的快速萌發(fā)［29］。

2.1.2 促進植物生長

內(nèi)生菌直接促進植物生長的機制包括固氮作用、養(yǎng)分動員（如通過產(chǎn)生有機酸和鐵載體促進植物對磷和鐵的吸收）、產(chǎn)生植物激素（如生長素、吲哚-3-乙酸、ACC脫氨酶）。間接促進植物生長的機制包括通過競爭空間和養(yǎng)分、拮抗、水解酶的分泌、抑制毒素和誘導植物產(chǎn)生防御機制來抑制植物病原菌的活性［2，30-33］。瓜類的種子內(nèi)生菌有33%的菌株能夠產(chǎn)生吲哚-3-乙酸，可促進宿主植物對營養(yǎng)物質的獲?。?4］。水芹種子內(nèi)生菌可以通過提高礦物質養(yǎng)分利用率和誘導植物激素的產(chǎn)生來促進植物生長［35］。松樹種子內(nèi)生菌能夠通過產(chǎn)生有機酸來釋放巖石粉末中的無機營養(yǎng)物質［20］。

2.1.3 抗植物病原體

種子內(nèi)生菌可以保護宿主植物抵抗各種病原體［36］。矢車菊內(nèi)生菌布勒擲孢酵母（Bullera）能夠產(chǎn)生苦參堿，保護宿主植物免受病蟲害侵擾［37］。玉米種子內(nèi)生菌芽孢桿菌（Bacillus）能產(chǎn)生揮發(fā)性物質抑制玉米大斑病菌、水稻紋枯病菌等多種病原菌菌絲的生長［18］。解淀粉芽孢桿菌（Bacillusamylolique?faciens）產(chǎn)生的芽孢桿菌脂肽被認為是用于植物病害生防的通用武器，它們作為“拮抗劑”通過對細胞膜的破壞或增溶來抑制許多植物病原體的生長［38］。

2.1.4 抗逆作用

土壤干旱、鹽堿化、重金屬污染等不良環(huán)境都是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。一些種子內(nèi)生菌可以提高宿主植物對重金屬的耐受性，并幫助宿主植物從不正常的土壤中獲取無機養(yǎng)分［20］。藤黃微球菌（Micrococcusluteus）能夠表達海藻糖磷酸酶和磷脂酶D，從而增加植物的耐鹽性和耐旱性［21］。仙人掌種子內(nèi)生菌能夠遷移到根部，在貧瘠巖石上參與巖石礦物質轉化［20］。從生長在鉛鋅污染地超富集植物小花南芥中分離出來的內(nèi)生真菌FXZ2，能夠提高宿主植物的抗逆性和增加其對重金屬（鉛、鋅和鎘）的耐受性［19］。

2.2 環(huán)境保護方面

目前，工農(nóng)業(yè)來源的有害污染物對人類健康有很大影響并造成生態(tài)失衡。植物與內(nèi)生菌共生共進化策略是針對重金屬污染、土壤污染等環(huán)境條件，通過內(nèi)生菌輔助植物修復過程來實現(xiàn)的。植物修復（植物的代謝系統(tǒng)從環(huán)境中提取有毒化學物質、重金屬和污染物的過程），植物提?。ㄖ参飶耐寥阑蛩腥コ亟饘倩蛴卸净衔铮?、植物穩(wěn)定（植物固定金屬和降低不同營養(yǎng)水平污染物的生物有效性）、生物積累（積累或吸收有機和無機污染物、根際過濾和揮發(fā)物的蒸散），這一系列操作都是在內(nèi)生菌輔助下完成的［39-41］。內(nèi)生菌可以通過金屬抗性或螯合途徑減輕污染物的植物毒性［42］，并通過釋放金屬螯合劑（例如鐵載體、生物表面活性劑和有機酸）提高重金屬的植物利用率、土壤酸化、氧化還原活性和磷酸鹽溶解［43］。禾草細弱剪股穎（Agrostis capillaris）種子內(nèi)生菌芽孢桿菌（Bacillussp.）以及泛菌（Pantoeasp.）具有增磷、耐鎘、生產(chǎn)鐵載體的能力，有利于植物提取和植物穩(wěn)定［44］。拉烏爾菌（Raoultellasp.）通過離子交換攝取土壤中的鎘，修復重金屬污染的土壤［39］。種子內(nèi)生菌隱球菌（Crypto?coccussp.）可以提高宿主甘藍在多金屬污染的土壤中對重金屬鎘、鉛、鋅的植物萃取率，以降低土壤中重金屬的含量［45］。內(nèi)生菌（Phomopsisiquidambaria）能有效降解宿主重陽木中的多環(huán)芳烴，達到對有機污染物的植物修復的目的［46］。

2.3 生物醫(yī)藥方面

美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and drug ad?ministration，F(xiàn)DA）有報告顯示，在從天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)的38%藥物中，微生物貢獻了約25%［47］。植物內(nèi)生菌主要從直接分泌醫(yī)用代謝產(chǎn)物和促進宿主植物產(chǎn)生醫(yī)用代謝產(chǎn)物的形成和積累兩方面在生物醫(yī)藥方面發(fā)揮作用。研究表明植物內(nèi)生菌代謝產(chǎn)物有抗腫瘤、抗菌，抗病毒等作用［48］。紅樹根中的嗜冷桿菌（Psychrobacter）代謝產(chǎn)物具有抗真菌病原體的活性，是潛在的醫(yī)藥抗生素來源［49］。從雷公藤中分離到的內(nèi)生菌能產(chǎn)生一種新型環(huán)肽抗生素，對癬菌及白色念珠菌等人類病原真菌具有強烈抑殺作用［50］。鐮刀菌（Fusariumsp.）的幾種代謝物可用于癌癥、瘧疾、神經(jīng)、心血管疾病和自身免疫性疾病等疾病有效治療藥物的開發(fā)［48］。Stierle等人從短葉紅豆杉內(nèi)生菌安德列亞霉（Taxomycesandreanae）的次生代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了著名的抗癌化合物紫杉醇［51］。黃花蒿內(nèi)生膠孢炭疽菌（Colletotrichum gloeo?sporioides）可促進宿主植物產(chǎn)生抗瘧藥青蒿素［52］。紅花風車子內(nèi)生菌耐輻射甲氧半乳桿菌（Methylo?bacterium radiotolerans）可以與宿主植物有共同的次生代謝產(chǎn)物生物合成途徑，這些產(chǎn)物包括黃酮類化合物和生物堿［53］，黃酮類化合物具有抗菌、抗癌、抗炎、抗過敏、抗氧化和抗病毒特性［54］。

2.4 作為外源基因載體

利用有益內(nèi)生菌進行基因組學輔助育種可用于農(nóng)作物改良［3］。目前，已經(jīng)有人以內(nèi)生菌為受體轉入抗病或抗蟲基因，再將其引入植物體內(nèi)，使植物起到與防病殺蟲轉基因植物相同或類似的作用。研究者將抗病chiA基因轉入從蘋果苗中分離出的內(nèi)生菌內(nèi)，再將其接種到豆苗中，可以防治豆苗病原真菌棉花立枯菌（Rhizoctomia solani）。在甘蔗內(nèi)生菌中轉入抗蟲基因cry 1AC，再回接甘蔗，可以防治甘蔗莖螟［50］。

3 展望

種子的垂直傳播是植物獲得有益內(nèi)生菌的重要途徑，通過生物技術的應用了解種子內(nèi)生菌群落組成和影響群落的因素有助于提高種子質量、促進重要農(nóng)業(yè)作物的生長［55］。目前，種子內(nèi)生微生物群落組成仍不十分清楚，在此背景下，使用PacBio單分子實時測序技術（Single molecule real-time，SMRT）中 的16S核蛋白 體RNA（16S ribosomal RNA，16SrRNA）擴增子測序方法對種子內(nèi)生菌進行全基因組測序，可以觀察其在種水平上的組成特點，有助于深入挖掘種子內(nèi)生菌的菌群結構，完善內(nèi)生菌基因組數(shù)據(jù)資源，尋找不同脅迫環(huán)境下種子內(nèi)生菌之間的差異菌種，在此基礎上結合蛋白質組、轉錄組和代謝組學方法可以對植物內(nèi)生菌-種子-幼苗相互作用的機制提供詳細的解釋，進一步預測內(nèi)生菌群的多樣性、群落組成及其在種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育中的潛在作用，為下一步將種子內(nèi)生菌相關研究應用在促進植物生長及抗逆、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護等方面提供重要的前期積累和理論參考。