鹽生植物內(nèi)生菌多樣性與募集研究進(jìn)展

穆耶賽爾·奧斯曼，祖力胡瑪爾·肉孜，田永芝，安登第

（新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

鹽生植物是能夠在高鹽度（＞200 mmol/L NaCl）土壤中生長(zhǎng)的一類植物，僅占植物種類的約1%［1］，但它們對(duì)鹽堿土壤特別是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。全世界有10億公頃的土地受鹽堿的影響［2］并以每年10%的速度遞增［3］，故此鹽生植物對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)安全特別是人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

研究已證實(shí)所有植物的生長(zhǎng)發(fā)育均與環(huán)境及體內(nèi)微生物相關(guān)，其中共生微生物是植物生態(tài)多樣性產(chǎn)生的動(dòng)力并具有決定性作用［4-5］，且物種的進(jìn)化也是由共生微生物推動(dòng)的［6-7］，亦表明鹽生植物適應(yīng)高鹽度的機(jī)制與高度專一的、耐鹽的內(nèi)生和根際微生物相關(guān)，這些微生物可促進(jìn)植物生長(zhǎng)和對(duì)不利環(huán)境的耐受［8-13］。故此了解鹽生植物內(nèi)生菌多樣性及募集策略對(duì)揭示共生抗逆機(jī)制及將其應(yīng)用于環(huán)境改良有重要價(jià)值。

1 脅迫塑造鹽生植物內(nèi)生菌類群

植物與微生物共生是自然界的普遍現(xiàn)象，研究顯示地球上約30萬(wàn)種植物中，每種都是一種或多種內(nèi)生菌的宿主，內(nèi)生菌種類從數(shù)個(gè)到數(shù)百個(gè)不等［14］。作為鹽生植物，其遭受的非生物因子脅迫，特別是陰陽(yáng)離子脅迫比其它植物更為嚴(yán)重，但它們?nèi)匀豢梢陨娌l(fā)展壯大，其原因之一是與共生微生物的協(xié)同作用，已有大量報(bào)道證實(shí)了與鹽生植物相關(guān)的內(nèi)生細(xì)菌具有促進(jìn)宿主生長(zhǎng)及提高鹽耐受的特性［8，15-17］，如分離自耐鹽水稻的內(nèi)生鐮刀霉屬（Fusariumsp.）真菌接種到鹽敏品種IR-64上可促進(jìn)其在鹽脅迫下的生長(zhǎng)并提高植株同化率、葉綠素穩(wěn)定性等［18］，顯示了內(nèi)生菌在宿主環(huán)境適應(yīng)中的重要價(jià)值。

植物體內(nèi)微環(huán)境被認(rèn)為是相對(duì)穩(wěn)定的［19-20］且營(yíng)養(yǎng)豐富，為內(nèi)生菌生存提供了良好條件，內(nèi)生菌多樣性與組成似乎也應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，但其實(shí)內(nèi)生菌多樣性與多種植物、細(xì)菌和環(huán)境因素［21］相關(guān)，其中一些微生物似乎只適合生活在植物體內(nèi)，如存在于鹽生植物（Arthrocnemum macrostachyum）體內(nèi)的加拿大嗜色鹽桿菌（Chromohalobacter canadensis）和此前從未作為內(nèi)生菌報(bào)道過(guò)的Rudaea cellulosilytica，以及嗜冷桿菌屬（Psychrobacter）、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）和鹽單胞菌屬（Halomonas）等部分菌株，并不能總在其宿主生長(zhǎng)的土壤中被檢測(cè)到［22］，也無(wú)法證實(shí)這些類群是由種子傳播的；而加拿大嗜色鹽桿菌在低鹽度植物體內(nèi)豐度低，但一旦在高鹽環(huán)境的植物中定居就會(huì)獲得優(yōu)勢(shì)［22］。此現(xiàn)象有悖于常識(shí)，但似乎可用代謝重置（Metabolism reconfiguration）［23］來(lái)解釋，即生存于高鹽環(huán)境的植物會(huì)被激活特定的生理和分子反應(yīng)而導(dǎo)致代謝變化，從而為特定微生物提供更適合的營(yíng)養(yǎng)或更適宜的環(huán)境。

土壤鹽梯度直接影響立地植物多樣性［24］和土壤微生物多樣性，隨鹽度增加微生物多樣性降低［25］，而內(nèi)生菌來(lái)源于土壤是公認(rèn)的事實(shí)［26］，故此植物內(nèi)生菌多樣性必然受土壤鹽梯度的影響，如高鹽度環(huán)境鹽角草（Salicornia europaea）內(nèi)生細(xì)菌OTUs的數(shù)量較高，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteriodetes）為優(yōu)勢(shì)菌門，而低鹽區(qū)厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）的數(shù)量較多［27］，且鹽脅迫可促進(jìn)內(nèi)生菌與植物的結(jié)合［28］，顯示鹽脅迫可塑造內(nèi)生菌多樣性和類群結(jié)構(gòu)，而不同種類的植物通過(guò)根分泌物介導(dǎo)根際微生物的豐度和活力［29］是內(nèi)生菌物種特異性的基礎(chǔ)。

植物體內(nèi)離子濃度受土壤含鹽量的影響［30］進(jìn)而對(duì)內(nèi)生菌組成施加影響，其中最顯著的是植物的根，研究顯示鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致植物根70%以上的內(nèi)生菌類群發(fā)生變化［31］。Szymańska等［11］對(duì)波蘭中部的兩個(gè)鹽梯度（55 dS·m-1和112 dS·m-1）鹽堿地的鹽角草根可培養(yǎng)內(nèi)生菌分析顯示，主要類群硬壁菌門和放線菌門源自低鹽區(qū)的分別占40.9%和36.4%，而源自高鹽區(qū)的則分別占31.8%和27.3%，顯示鹽度可降低優(yōu)勢(shì)菌群的豐度；采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)生長(zhǎng)在兩種鹽濃度土壤（113 dS·m-1和64 dS·m-1）的鹽角草根內(nèi)生菌多樣性分析顯示，高鹽分土壤鹽角草內(nèi)生菌主要類群包括浮霉菌門（Planctomycetes）和酸桿菌門（Acidobacteria），低鹽度土壤上內(nèi)生菌主要類群為厚壁菌門、放線菌門和綠彎菌門，變形菌門和擬桿菌門（Bacteriodetes）是兩個(gè)鹽度共有的優(yōu)勢(shì)菌門［27］。我國(guó)新疆古爾班通古特沙漠的鹽角草根、莖和枝的可培養(yǎng)內(nèi)生菌則以放線菌門（65.6%）為主，其次為硬壁菌門（18.8%）和變形菌門（15.6%）［32］，顯著區(qū)別于波蘭鹽角草。二者的區(qū)別是受原生境土壤理化性質(zhì)影響，亦或是受鹽梯度影響？依據(jù)目前資料尚難以做出判斷。但You等［33］對(duì)三個(gè)地理環(huán)境的三種濱海鹽生植物內(nèi)生真菌的研究顯示，不同物種間內(nèi)生菌類群差異巨大，且內(nèi)生菌對(duì)鹽的耐受性與宿主鹽環(huán)境相關(guān)，高鹽環(huán)境植物的內(nèi)生菌對(duì)鹽的耐受性更高，顯示植物內(nèi)環(huán)境并非之前認(rèn)為的那樣溫和，其對(duì)內(nèi)生菌的生物學(xué)特性似乎具有“馴化”作用，即高鹽環(huán)境導(dǎo)致植物體內(nèi)離子濃度增加，進(jìn)而“富集”了耐鹽類群或通過(guò)脅迫“馴化”了固有類群的耐鹽能力。

鹽梯度不僅影響鹽生植物內(nèi)生菌的多樣性，也會(huì)影響植物不同器官的內(nèi)生菌組成［28］。Bibi等［34］對(duì)豬毛菜（Salsola imbricate）內(nèi)生菌的分離鑒定顯示，根內(nèi)生菌優(yōu)勢(shì)類群是放線菌門，而葉中為硬壁菌門。Furtado等［35］對(duì)鹽角草的分析顯示，幼芽中的細(xì)菌多樣性顯著低于根，根內(nèi)生菌群落的變異也明顯高于枝條，且不同組織的微生物類群亦差異顯著。對(duì)鹽生植物補(bǔ)血草（Limonium sinense）內(nèi)生菌的可培養(yǎng)與非培養(yǎng)分析也顯示根與葉存在顯著差異［36］，顯示內(nèi)生菌類群也具有組織特異性。

2 鹽生植物內(nèi)生菌募集

共生是微生物與宿主相互選擇的結(jié)果［37-38］，植物體內(nèi)微生物群落的建立是由特定的規(guī)則控制的［39-40］，作用于宿主的選擇壓力會(huì)影響相關(guān)微生物群落，并為宿主選擇適合的微生物，從而影響植物的適應(yīng)性［41］，而鹽生植物可能招募特定的細(xì)菌來(lái)增強(qiáng)它們對(duì)惡劣環(huán)境的耐受能力［36］。

內(nèi)生菌定殖是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以分為五個(gè)階段：（1）游離于土壤中的微生物識(shí)別根分泌物并趨向運(yùn)動(dòng)；（2）吸附于根表面；（3）形成生物膜；（4）穿透根表面；（5）定殖于植物內(nèi)部［42-43］。內(nèi)生菌的定殖是通過(guò)一系列包括運(yùn)動(dòng)性、附著、植物聚合物降解和逃避植物防御等特性實(shí)現(xiàn)的［21］，其定殖過(guò)程的每一個(gè)階段都是由各種生物分子推動(dòng)雙方基因表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的［44］，其中微生物感應(yīng)和快速響應(yīng)植物信號(hào)并侵入宿主體內(nèi)的的能力是其定殖成功的關(guān)鍵。定殖首先是自由生活的細(xì)菌向根的趨化并附著在根表面，其中甲基受體趨化蛋白（MCPs）在第一階段起主要作用，這是一類跨膜傳感器，可以探測(cè)到細(xì)菌周圍的分子，從而引導(dǎo)它們接近或遠(yuǎn)離植物根部［45］，而定殖過(guò)程與細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性［46-47］、附著［48-49］、成功攻擊植物根表面［50-51］及適應(yīng)體內(nèi)環(huán)境［52］等均相關(guān)。

內(nèi)生菌的主要來(lái)源是根際［53-54］。研究認(rèn)為內(nèi)生菌源于土壤微生物群落在趨化作用下定殖于根［40，55-56］，然后遷移到地上部分，或通過(guò)垂直（種子）傳播［57］而建立。植物根是內(nèi)生細(xì)菌數(shù)量最多、種類最豐富的器官［58］，擁有大量微生物物種的土壤是微生物的“種子庫(kù)”，這些微生物的特性會(huì)影響植物的生理和根系分泌物的分布，進(jìn)而對(duì)根內(nèi)微生物的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響［59］。試驗(yàn)證實(shí)，接種到土壤的細(xì)菌首先在根際定殖［60］，然后附著在根表面形成細(xì)胞串［61］，之后在根表面和一些根真皮細(xì)胞定殖，形成微菌落或生物膜［62］。Wagner等［63］對(duì)一種多年生野芥屬植物Boechera stricta的研究表明，細(xì)菌群落在葉片和根系中具有高度相似性，表明細(xì)菌群落是從土壤中募集的［42］。Mora-Ruiz等［22］對(duì)鹽生植物Arrocnemum macrostachyum的根、綠莖和紅莖三個(gè)部位的內(nèi)生菌多樣性分析顯示，從根到紅葉其多樣性逐步減少，即細(xì)菌的定殖源于根際土壤，隨后通過(guò)根遷移到植物的空中部分，故此認(rèn)為植物內(nèi)生菌來(lái)源于土壤。

植物只能募集已經(jīng)存在于土壤中的微生物［54］，故此土壤對(duì)植物內(nèi)部共生微生物組成和多樣性有決定作用，而土壤理化性質(zhì)是決定其中細(xì)菌種類組成的主要因素，根區(qū)土壤含鹽量是影響鹽角草內(nèi)生菌菌群構(gòu)建的主要因素，高鹽分土壤中δ-變形菌門（Deltaproteobacteria）、酸桿菌門、暖發(fā)菌門（Caldithrix）、纖維桿菌門（Fibrobacteres）和疣微菌門（Verrucomicrobia）顯著較多說(shuō)明鹽生細(xì)菌在緩解鹽生植物的鹽脅迫方面具有潛在的作用［27］。同時(shí)土壤陰陽(yáng)離子對(duì)內(nèi)生菌組成也有直接影響，如Szymańska等［27］報(bào)道，內(nèi)生細(xì)菌群落與土壤CaCO3、電導(dǎo)率（ECe）、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-呈正相關(guān)。但鹽堿土壤中微生物多樣性隨鹽濃度的增加呈線性下降，高鹽會(huì)降低微生物多樣性而增加相對(duì)豐度，細(xì)菌類群在鹽濃度3.5～4.5%與4.5～5.5%之間相似，但與1.5～2.0%和7.5～8.5%間顯著不同［25］，高鹽脅迫會(huì)增加微生物在根的定殖速率，表明鹽脅迫促進(jìn)了內(nèi)生菌與植物的結(jié)合［28］。鹽生植物A.macrostachyum是可耐受高達(dá)1030 mmol/L NaCl的一種植物［30］，其內(nèi)生菌組成在不同鹽度土壤中生長(zhǎng)時(shí)與相應(yīng)的根際土壤群落共享9%到53%［22］，證實(shí)根定殖是其內(nèi)層組成的主要貢獻(xiàn)者［40］。

植物對(duì)內(nèi)生菌的募集是其相互間復(fù)雜交流的過(guò)程，微生物須識(shí)別根系分泌物中的特定化合物，而植物產(chǎn)生這些根分泌物是為了獲得自身的生態(tài)優(yōu)勢(shì)［64］。當(dāng)然這個(gè)募集過(guò)程也受到植物內(nèi)環(huán)境和遺傳因素［65］的影響，而一旦進(jìn)入根部，內(nèi)生細(xì)菌就可以系統(tǒng)地感染鄰近的植物組織而成為內(nèi)生菌，并通過(guò)對(duì)宿主的代謝與基因表達(dá)的調(diào)控而提高其環(huán)境適應(yīng)性。

3 展望

內(nèi)生菌賦予宿主植物更廣泛的環(huán)境適應(yīng)能力，而微生物是否可以成為內(nèi)生菌受多種因素的影響和限制。首先是宿主植物通過(guò)根系分泌物組建根際微生物群落，盡管此過(guò)程看似是由植物決定的，但實(shí)際上土壤固有微生物類群才是關(guān)鍵；被富集的微生物依趨化效應(yīng)接近并在宿主根表面附著，然后啟動(dòng)相應(yīng)的侵入機(jī)制感染植物并在成功逃避宿主免疫系統(tǒng)后成為內(nèi)生菌。進(jìn)入植物體內(nèi)的微生物相互間還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，包括對(duì)生態(tài)位和營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)宿主代謝的調(diào)控、自身對(duì)內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)等，一方面獲得自身的生存空間，另一方面對(duì)宿主產(chǎn)生或正面、或負(fù)面（如病原菌）的影響。在全面了解微生物對(duì)宿主的調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)上，采用對(duì)土壤施用微生物肥料（接種）的方式調(diào)控內(nèi)生菌類群是利用微生物增強(qiáng)植物環(huán)境適應(yīng)性的重要措施，特別對(duì)于鹽生植物而言，選取耐鹽且可內(nèi)生的菌株接種于土壤，是拓展鹽生植物環(huán)境適應(yīng)性的有效手段，必將對(duì)利用微生物促進(jìn)鹽堿地植物生長(zhǎng)改善環(huán)境起到積極作用。