植物内生菌及其在植物修复中的作用以及研究进展

植物内生菌及其在植物修复中的作用以及研究进展摘要：研究了植物内生真菌越来越广泛的分布，发现几乎在所有陆地和水生植物内。

内生真菌通过产生抗生素类，水解酶，植物生长调节剂和生物碱的物质，营养物质和病原体竞争，增强抵抗力的寄主植物，诱导植物产生全身性疾病的预防机制，使病原体不能生长。

此外，对植物内生真菌和内生细菌的概念、普遍性和对植物修复的促进作用；利用植物内生菌控制植物病害的途径如人工接种内生菌，利用内生菌代谢产生的抗生素以及将内生菌作为基因工程的载体菌等进行了综述。

进行了内生细菌作为生物控制因素，未来的发展前景展望和存在的问题的讨论。

关键词：植物内生菌重金属污染生物防治因子
我们都知道人类生存和发展的重要基础是土壤，但如今土壤重金属污染已成为我们人类面临的恶劣的环境问题。

土壤中的重金属通过进入食物链进而威胁到人类的健康。

农业和可持续的经济发展有很多的重金属污染土壤的限制。

而对于土壤重金属污染，通常采用清洗、热处理、电化学、施改良剂等传统的治理手段。

这些传统方法虽然可以较快地去除重金属污染物，但容易破坏土壤结构和肥力，也可能带来污染物造成二次污染，且费用比较高。

近年来，植物修复技术由于经济、绿色、环保而倍受人们青睐，成为非常有发展前途的土壤重金属污染治理技术。

但植物修复技术的开展对超积累植物的筛选与生长依赖较大，治理效果取决于超积累植物对重金属的提取和固定效果。

如何促进超积累植物生长、提
高重金属吸收是植物修复技术中的关键。

目前大多超积累植物生长慢、周期长、生物量小、对金属有选择性制约了植物修复技术的发展。

研究发现，微生物可以促进超积累植物生长、提高重金属吸收。

其中植物内生细菌作为一类特殊的与物共生菌类，其在植物修复中的应用得到了研究者的关注。

内生细菌在植物体内生长，具有稳定的生长环境，易获得有机物质，没有其他微生物对植物产生的影响波动大。

而且，作为特殊基因载体，内生细菌可将目的基因带入植物体使植物产出对人们有利的生物性状。

目前已在农业生产、植物保护等实践中植物内生细菌都有所应用，但在对其在植物修复中所起的作用的研究尚在探讨之中。

本文讨论总结了内生细菌提高重金属抗性、增加其吸收重金属的潜力，以及植物内生细菌定殖技术，开阔了植物内生细菌在土壤重金属污染修复工程中的应用的思路。

1.植物内生菌的概念
按照目前比较普遍的的宽泛的可用性概念，植物内生菌是指那些在其生活的整个历程中的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的真菌或细菌，被感染的宿主植物（至少是暂时）不表现出外在症状。

植物内生菌也可以理解为植物组织内的菌群中正常的那些，是植物微生态系统中的天然组成成分，它们不但包括了互惠共利的和中性的内共生微生物，也包括了那些病原微生物，这些病原微生物潜伏在宿主体内。

要证明内生菌的存在可通过组织学方法或从严格表面消毒的植物汁液和组织中分离获得，
还可以从植物组织内直接扩增出微生物dna 的方法来证明。

2.植物内生菌存在具有普遍性
内生菌几乎普遍存在于植物体内，植物内生菌与植物之间的关系是一种复杂的慎微的生态关系。

虽然早在100多年前就己经发现微生物也存在于健康植物组织的内部，这类微生物在文献中后来被称为植物内生菌，但由于在没有外在感染症状的健康植物组织内部有内生菌存在，所以很长时间都没有发现内生菌的存在和它的作用是什么。

直到20世纪30年代，某些感染内生真菌的牧草可产生毒性被发现，给畜牧业带来了重大损失。

许多牲畜中毒是由于食用了被内生真菌侵染的牧草，这时才开始对内生菌开展广泛而且进行了深入的研究
在内生菌植物宿主食草动物生态系统中，发挥植物内生菌的重要的生态学作用的物质基础是内生菌产生的次生代谢产物并且产物是多种多样的，它们具有很多种生物活性，有关植物内生菌的研究开展得十分活跃，在农业和（或）医药业中的应用潜力很重要的意义。

最早对内生菌的认识主要来自禾本科植物如牧草中的系统发生的内生真菌。

内生菌普遍存在于目前已研究过的各种陆生及水生植物中。

全世界目前至少己在80 个属290 多种禾本科植物中都发现有内生真菌。

近年来在甘蔗（ saccharum off icinarum l.）、玉米（ zay mays）、水稻（ oryza sativa l.）等禾本科农作物中还发现多种有固氮作用的内生细菌。

从20世纪70年代后期以来，前后在一些重要的经济林木如针叶类的各种冷杉（ abies spp.）、云杉（picea asperata）、红杉（ sequoia sempervirens endll.）、松（ pinus seylvestris）柏（cupressus sempervirens）等以及阔叶的栎树（quercus sp.）、桦树（ betula l.）等植物树皮、枝叶内发现内生真菌的存在，并进行了广泛的研究。

后来在多种灌木和草本植物以及栽培作物、果树甚至藻类、苔藓和蕨类植物中也发现了内生真菌和（或）内生细菌。

3.内生菌对植物修复的促进作用
植物修复的成功在于通过充足的植物产量和适当有效的从根部向地上组织转移作用，将重金属从污染环境中移除。

已报道的遏蓝菜属、庭芥和商陆等生长在受重金属污染土壤上的现场植物，能在正常的生长发育下富集高浓度的重金属。

但是超富集植物存在以下不足：（1）特定重金属富集植物通常可能只能忍受或吸收一种或两种重金属元素，环境中其他重金属或有机污染物可能对其产生植物毒性，从而不能很好使植物修复技术在复合污染环境治理中有所应用。

（2）大部分超累积植物因修复效率低而植株矮小，生物量低，生长周期长。

应用植物修复技术时，或许要花费几年的时间才能有效地降低重金属的含量；这就要求深入研究植物修复策略，包括非生物和生物性策略。

植物相关根际微生物和内生菌引起了极大关注，迄今在研究植物-细菌-重金属三者相互作用方面很多都是有应用性的。

内生菌的主要来源还有根系微生物，两者都在植物-土壤环境两者关系中起到重要的作用，其中很多学者喜欢研究植物根际促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，pgpr）在植物修复中的作用。

抗重金属根际促生菌通过固氮、使得磷钾溶解、从而产生植物激素（如吲哚乙酸， iaa）和铁载体等方式促进植物生长，sheng 等报道了产iaa 假单胞菌和芽孢杆菌能在cd 毒性浓度条件下促进油菜生长发育、根系延长和对cd 的吸收。

植物因受重金属等环境因子威胁和伤害后生产出“应激”乙烯，这时开始起作用的是次生代谢途径，影响植物正常生理过程， pgpr 可以合成1-氨基环丙烷-1-羧基（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid，acc）脱氨酶，降解乙烯前体物质，提高植物对不良环境的抵抗能力。

很多植物内生菌同样具有促植物生长的特点。

idris 等从thlaspigoesingense 分离出的内生菌均为产生铁载体的ni抗性细菌，其中有36%可以生成 acc 脱氨酶活性。

4.内生菌对植物修复重金属污染有促进作用
内生菌-超富集植物以一种互惠共生关系而存在。

高度富集植物为内生菌提供必要的营养物质和生殖环境，使内生菌的生存处于高浓度的重金属之中。

相反的是，内生菌能直接或间接地促进超富集植物的生长发育和健康。

铁元素几乎是所有有机生命体的必需元素。

铁元素在石灰性土壤中主要存在形式是以fe3+高价态和不溶性氧化态，细菌不能直接利用。

为了获得足量的铁元素，细菌必须具有浸提金属的功能，
其中包括分泌铁载体（siderophores）。

铁载体是一种分子量低的物质，它结合铁的效率很高并且可以供给微生物细胞， fe3+以铁-铁载体复合物形式存在于细胞膜后，被还原成2 价铁后进入到细菌内。

铁载体除了作为螯合剂将矿物或有机化合物溶解之外，还可以与al、cd、cu、ga、in、pb 和zn，甚至和放射性核元素u 和np 形成稳定复合物，提高这些物质的溶解的能力。

已经确定的铁载体有500多种。

分离自不同超富集植物的多种内生菌也可以产铁载体，并且能通过促进植物生长和对重金属的吸收加强植物修复。

barzanti 等报道83% （67 株）分离自alyssum bertolonii的内生菌在ni 胁迫下能分泌铁载体和促进植物生长。

sheng 等分离出荧光假单胞菌g10 和分歧杆菌g16 两株pb 抗性根内生菌，其中g16 菌株能产铁载体，并显著提高在铅污染土壤上的油菜生物量和吸收pb 的总量。

值得注意的是，虽然dimkpa 等报道了铁载体能促进植物的生长，提高植物对重金属毒性的耐受力和从根际区吸收有毒重金属的总量（如cd 和u）；相反的是， lodewyckx等研究表明从超富集植物t. caerulescen 茎和根组织中分离的内生菌在没有铁的条件下不产生铁载体有待直接的证据说明产铁载体内
生菌能提高宿主植物的有毒重金属耐受性。

内生菌能平衡植物因胁迫诱导产生的乙烯。

乙烯是一种激素可促进植物内源成熟，生物性或非生物性环境胁迫因素会上调乙烯的表达，广泛地影响植物正常发育，如抑制根系的延长、侧根的
生长和根毛的形成、种子的萌发、顶芽发育和叶片脱落等。

内生菌通过分泌植物激素如acc 脱氨酶，将acc作为n 源，降低植物细胞乙烯合成量，从而间接促进根系的延长和植物发育。

研究表明相对于根际菌（20%），内生菌有更高比例（36%）能利用acc作为n 源，这可能与内生菌-植物天然的共生关系相关。

sheng 等分离的分歧杆菌g16，是能分泌acc 脱氨酶的pb 耐受型根内生菌，该菌能显著提高受试植物的生物量和pb 的吸收总量。

5.植物修复的种类
（1）植物挥发
植物挥发（phytovolat ilization）是植物将环境中一些挥发性污染物去除的方法，即通过植物和根际微生物共同的作用，将环境中挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为的挥发态物质这
时毒性较小，然后释放到大气中，需收获和处理含污染物的植物。

（2）植物过滤
植物大部分通过植物过滤（phyto filtration）作用来实现对水体重金属和类金属的去除，植物过滤包括根系过滤和种苗过滤2种方式。

根系过滤是植物通过根部对毒害性金属进行吸收、浓缩和沉淀，是比现行化学法和微生物沉积重金属法更具吸引力的处理含重金属废水的方法。

（3）植物固定
植物固定（phytostab ilization）是耐性植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的方式，可以降
低重金属的生物有效性和防止其进入水体和食物链，从而降低其对环境的污染风险。

重金属植物固定技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场、污水处理厂污泥和各种污染土壤的修复（4）植物提取
植物提取（ phytoex tract ion）主要是利用金属富集植物或超富集植物将土壤或水体中的重金属转运到植物的地上部分以降低土壤或水体中的重金属含量，再通过收获植物将重金属移走，是目前研究较多的一种利用植物去除环境污染物的方法。

超富集植物是指某些具有很强的吸收重金属能力并将其运输到地上部分的植物，重金属富集植物则是指某些本身不具有超量富集特性但通过特殊过程可以诱导出超量重金属的植物。

因此，植物提取技术可利用超富集植物吸收土壤或水体中的重金属的持续植物提取技术，其次可利用鳌合剂促进植物吸收重金属的诱导植物提取技术等两种方法。

6.问题与展望
植物修复重金属污染的优势是明显和直观的，虽然近年来大量的研究，但仍然有很多不足，限制了植物修复技术的进一步推广应用，主要在以下几个方面来表现：（1）重金属超富集植物重金属超富集植物的发现只是一种，还没有被发现具有广谱超富集植物的特点，这在今天的土壤污染和更多的应用有一定的局限性并且是在复合污染的情况下；（2）超富集植物目前发现的还不太多，且生长在偏僻遥远的地区占大多数而且这些地区大多是受采矿活动
的影响，超富集植物的生长要有一定的适宜范围，只能在一定的气候和土壤条件下生长，并且在较小范围内应用；（3）目前发现的超富集植物只能清除土壤表层的重金属，而且大多都比较矮小，生物量较低，生长比较慢，修复污染较严重土壤的周期长，且大多根系较短；（4）目前对超富集植物吸收重金属的机理研究，特别是对超富集植物根吸收重金属并转运到地上组织以及重金属
的累积与忍耐等一些生理生化机制的研究进展缓慢，使对超富集植物分子机制以及转基因超富集植物的研究造成了阻碍。

为加快重金属污染土壤植物修复技术走向商业化，在今后的植物修复技术研究中应加强以下方面的研究：（1）进一步深入研究超富集植物对重金属吸收、运输、富集和解毒的生物化学机制，结合野生种质资源的筛选和现代生物工程技术，筛选出能同时富集多种重金属的超富集植物。

（2）加大保护现有超富集植物种质资源的力度，在受污染地区筛选出更多的野生超富集植物。

加强已发现重金属超富集植物的引种和驯化，以打破现有的超富集植物适生范围小、地域性强的限制，引种时要考虑到生态入侵问题。

（3）加强研究超富集植物修复重金属污染的强化措施。

通过适当的农业措施如灌溉、施肥、土壤改良或改善根际微生物的环境，提高植物修复效果，并且利用螯合诱导技术外在的强化对植物修复的作用。

（4）应用分子生物学和基因工程技术，培育出能同时富集多种重金属且富集量大的超富集植物并且生物量大、生长快、根系长。

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