內(nèi)生菌增強園林植物抗旱能力的作用機制及應(yīng)用

張巖峰 谷媛媛 李焱波 楊易青

石家莊市龍泉湖園林事務(wù)中心，河北 石家莊 050000

0 引言

隨著全球氣候異常變化，干旱現(xiàn)象越來越頻繁，嚴(yán)重制約植物生長和園林事業(yè)的發(fā)展。植物內(nèi)生菌是指其生活史的一定階段或全部階段生活于健康活體植物各種組織和器官內(nèi)，又不引起明顯病害的微生物，可產(chǎn)生植物激素、誘導(dǎo)耐旱相關(guān)基因表達、產(chǎn)生大量小分子物質(zhì)、改變根系結(jié)構(gòu)等，能提高植物抗旱能力［1］。植物內(nèi)生菌及其制劑可增強園林植物抗旱能力、提高觀賞性，應(yīng)用潛力巨大。

1 植物內(nèi)生菌的種類

植物內(nèi)生菌分布廣，種類多，主要包括內(nèi)生細(xì)菌、內(nèi)生真菌、內(nèi)生放線菌［2-3］。松科、檉柳科、豆科、菊科、禾本科等植物中均可分離到內(nèi)生細(xì)菌，常見的有芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、葡萄球菌屬、泛菌屬、腸桿菌屬等。松科、木樨科、無患子科等木本植物均可分離到內(nèi)生真菌，主要有鏈格孢屬、枝孢屬、青霉菌屬、擬莖點霉屬等。禾本科、豆科、藜科、菊科等草本植物也可分離到內(nèi)生真菌，以子囊菌和深色有隔內(nèi)生真菌（Dark Septate Endophytes，DSE）為主，包括青霉屬、曲霉屬、鐮孢霉屬、匍柄霉屬等。植物內(nèi)生放線菌中常見的有鏈霉菌屬、小單孢菌屬等，如禾本科植物內(nèi)生放線菌多為鏈霉菌屬。

2 植物內(nèi)生菌的傳播方式

植物內(nèi)生菌具有在植物之間轉(zhuǎn)移的能力，其轉(zhuǎn)移主要包括垂直傳播和水平傳播兩種方式［4］。垂直傳播，即植物內(nèi)生菌通過親本植物進入種子，通過種子傳給子代，提高子代存活能力和抗病抗逆水平，傳播效率可超過90%。水平傳播，即外界微生物通過降解植物細(xì)胞壁進入宿主植物細(xì)胞間隙或細(xì)胞內(nèi)定殖的傳播途徑，是最常見的傳播方式。

3 植物內(nèi)生菌的抗旱作用機制

干旱是制約植物生長的最主要的非生物脅迫因素之一。干旱脅迫可造成植物細(xì)胞損傷和膜的過氧化等，最終影響植物生存和生長發(fā)育。植物內(nèi)生菌具有多種生物學(xué)作用，如促進種子萌發(fā)、促進植物生長、抗病蟲害、固氮、溶磷、作鐵載體、增強植物抗旱能力和抗鹽堿能力等。內(nèi)生菌增強植物抗旱能力的方式有多種，可通過產(chǎn)生植物激素（吲哚乙酸、水楊酸、脫落酸等）、誘導(dǎo)植物防御基因表達（超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等）、產(chǎn)生大量小分子物質(zhì)（脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿等）、清除過多的活性氧及平衡滲透壓等，提高植物抗旱能力。部分植物內(nèi)生菌可增加宿主植物根毛數(shù)量，促進側(cè)根發(fā)育，從而增強植物吸收水分的能力，這在干旱期間尤其重要。叢枝菌根真菌還可通過菌絲直接吸收和轉(zhuǎn)移水分來緩解干旱脅迫。DSE可改變宿主根系發(fā)育、產(chǎn)生植物激素，還可從根部延伸出菌絲維持水分運輸。藤黃微球菌表達海藻糖磷酸酶和磷脂酶D，增強植物耐鹽能力和耐旱能力。野萵苣種子中可分離出129 株內(nèi)生菌，其中42 株在水分脅迫條件下可產(chǎn)生更多的胞外多糖，從而提高土壤持水量［5-6］。

4 內(nèi)生菌對園林植物抗旱能力的影響

多種園林植物體內(nèi)均可分離出內(nèi)生菌，如海棗、多枝檉柳、抱莖獨行菜、落葉松、挪威云杉、白蠟樹、雞爪槭、高羊茅、黑麥草等，且其內(nèi)生菌可增強宿主植物的抗旱、抗鹽堿、抗病蟲害等能力［2-3］。

4.1 增強木本園林植物抗旱能力

在木本園林植物中，有關(guān)松科植物內(nèi)生菌的研究較多。Gehring等［7］在美國新墨西哥州進行為期6年的野外研究發(fā)現(xiàn)，以DSE 接種松科植物，在干旱和熱處理下，DSE定殖率超過50%，其多樣性和物種組成不受任何溫度和降水減少的影響，增加了松樹根系的長度和生物量，有效提高了松樹的抗旱能力，且DSE 可定殖于多種宿主，應(yīng)用范圍廣泛。董碩等［8］研究發(fā)現(xiàn)，菌根菌劑（根內(nèi)根孢囊霉）對3種常見綠化樹種（樟子松、紫穗槐、水蠟）幼苗株高、地上部分生物量、根冠比等產(chǎn)生了顯著影響，可為合理施用菌根菌劑提供依據(jù)。郭淵［9］采用菌根生物技術(shù)在野外山地條件下研究菌根化對造林（杉木、油松、木瓜、杜仲）成活率和苗木生長的影響，發(fā)現(xiàn)菌根化可顯著提高苗木抗性、成活率、生長量。張可可等［10］利用菌根菌劑接種五角楓、榆樹、白蠟和樟子松，進行沙地造林試驗，發(fā)現(xiàn)菌根菌劑在干旱貧瘠地區(qū)造林中具有很高的應(yīng)用價值。李丹丹等［11］研究發(fā)現(xiàn)，菌根真菌可誘導(dǎo)杜鵑水通道蛋白基因、ABA 合成關(guān)鍵基因等上調(diào)表達，增強水分利用率、清除多余活性氧，增強植物抗旱能力。洪文君等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下人工接種菌劑，可增強毛棉杜鵑的耐旱能力。

4.2 增強草本園林植物抗旱能力

在草本園林植物中，關(guān)于高羊茅、黑麥草等禾本科植物內(nèi)生菌的相關(guān)報道較多。在早期歐美牧場中，人們會不自覺篩選和使用抗旱能力更強的羊茅類、黑麥草類牧草。之后研究發(fā)現(xiàn)，這類牧草均富含內(nèi)生菌。芽特異性內(nèi)生真菌（Epichlo? coenophiala）在夏季干旱的野外條件下，可提高高羊茅的抗旱能力。內(nèi)生菌陽性植株趨向于產(chǎn)生新生分蘗，使植株展現(xiàn)出更高、更綠、更舒展、更柔軟的形態(tài)，對干旱脅迫具有更強的耐受性?？莶菅挎邨U菌B26菌株有效定殖于禾本科植物功能基因組學(xué)模式種二穗短柄草Bd21并遷移，最終垂直傳播至種子，實現(xiàn)子代植株的系統(tǒng)定殖［13］。該菌株把長期或短期干旱脅迫對植株表型的影響降到了最小，且單次接種會影響植物的整個生長周期，加快其生長，緩解干旱脅迫［14］。Gagné-Bourque等［14］推測，枯草芽孢桿菌對早熟禾、華北剪股穎、高羊茅、黑麥草等常見禾本科草坪草具有抗旱和促生長的潛在價值。Afkhami 等［15］實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生真菌可減小干旱脅迫對植物的影響，使雀麥屬（BromusL.）的適應(yīng)范圍擴大了約20%。用DSE 菌株接種園林花卉禾葉貝母蘭（Coelogyne viscosaRchb. f.），可顯著提高其幼苗生物量，增加其抗旱相關(guān)酶的活性和滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，有效提高了禾葉貝母蘭的抗旱性。

5 內(nèi)生菌在園林植物抗旱中的應(yīng)用

美國、日本、新西蘭等國家一直致力于選育和開發(fā)更安全高效的植物內(nèi)生菌株，進一步提高植物抵抗干旱等各種逆境脅迫的能力。內(nèi)生真菌已較為成功地應(yīng)用于羊茅類、黑麥草類冷季型草坪草。例如，在日本北海道使用多年的草地中，多年生黑麥草的含菌率幾乎為100%，生長繁殖具有明顯的競爭優(yōu)勢［16］。國外的羊茅類、黑麥草類冷季型草坪草中大多含有內(nèi)生真菌，增強了植株對干旱、病蟲害的抗性［1］。我國針對植物內(nèi)生菌在草坪草中的研發(fā)和應(yīng)用仍較薄弱，富含內(nèi)生菌的草坪草多是國外進口。叢枝菌根真菌作為一類可侵入宿主植物根系內(nèi)部并與根系建立菌根共生關(guān)系的菌類，可提高植物水分吸收能力，增強園林植物觀賞品質(zhì)和園林景觀效果，商業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。需要注意的是，植物種類和基因型對不同內(nèi)生菌的定殖存在選擇性，并且植物生長環(huán)境對微生物群落結(jié)構(gòu)同樣存在一定影響。例如，從生長在同一地點、距離1 m 的三角葉楊和柳樹中分離出的內(nèi)生菌完全不同；在4個不同的楊樹克隆品系植株中，所包含的內(nèi)生菌群存在差異［7］。因而，相關(guān)部門在利用內(nèi)生菌提高園林植物抗旱能力的實際應(yīng)用中，應(yīng)針對不同植物、不同生長環(huán)境選擇不同的內(nèi)生菌種類，以最大限度提升園林植物的抗旱能力。

6 展望

多種微生物菌株已成功用于提高植物耐旱能力。接種內(nèi)生菌，可使植物的光合活性、葉綠素含量、根系生長、水分狀況、抗氧化酶含量和活性、植物激素信號分子、養(yǎng)分吸收等均得到改善，顯著增強植株對干旱的適應(yīng)性［1，14］。內(nèi)生菌可以直接接種于植物種子或幼苗，避免處理大量土壤。已建植的園林植物亦可單獨接種內(nèi)生菌。內(nèi)生菌可垂直傳播的園林植物，更利于其定殖和擴散。園林植物抗旱能力的提高將明顯減少管護工作量、提升工作效率、降低經(jīng)濟成本。國內(nèi)關(guān)于草坪草、喬灌木、花卉等內(nèi)生菌的開發(fā)應(yīng)用，仍處于前期基礎(chǔ)研究和應(yīng)用試驗階段。因此，深入研究內(nèi)生菌與植物之間的共生關(guān)系及抗逆作用機制，開發(fā)高效、安全、廉價的內(nèi)生菌制劑，對提升園林植物的抗旱能力、節(jié)約水資源、降低維護成本、提高工作效率、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。