2008-植物相关细菌生物膜研究进展

收稿日期：２００８－０４－２９

基金项目：江苏省农科院院基金（６２１０７３０）

作者简介：杨敬辉（１９７３－），男，云南丽江人，助理研究员，从事植物病害生物防治工作。

河北农业科学，２００８，１２（９）：１－３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｂｅｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

责任编辑李布青

在自然环境中生存的细菌结合于固体、液体介质表面或与别的微生物细胞密切接触，以多细胞形式聚集在一起称作生物膜［１］。细菌粘附于寄主表面，彼此间由１个结构复杂的基质包裹，基质通常由不同的胞外多聚物，包括多聚糖、蛋白和ＤＮＡ等组成。生物膜的构型排列很复杂，有些是表面平坦无特征的膜，有些则是由多层细胞聚集形成形状各异的膜，如塔型和彩带型等。

生长于生物膜内的细菌所表现的细胞生理学，与其

分散生长于组织内时所表现的生理学不同［２］。在生物膜

内，细菌能对营养、代谢排泄物的浓度和细菌群体密度作出反应，调节新陈代谢，并能与邻近细胞相接触，参与细胞之间的交流。细菌形成生物膜后增强了对抗生素的忍耐力。生物膜所具有的有益和有害的活性，使其在工业、医药和设施农业上具有重要意义。

虽然许多关于微生物生物膜形成的基础研究大多集中在无生命物质的表面，但很明显在寄主植物与细菌互作过程中，细菌可在生物体表面上形成生物膜。粘附于植物表面的多细胞聚集体被描述为微菌落、聚集体或细

胞簇［３］

。综述了有关生物膜结构、形成和微生物与陆生

植物结合所形成生物膜特性等方面的研究进展。

１细菌生物膜形成的影响因子

１．１复杂而动态的植物表面环境影响生物膜的形成

陆地环境中蕴藏着丰富而多样的微生物群落，这些

微生物群落能参与资源库的竞争和修整。在复杂而竞争的环境中，植物提供微生物赖以生存的环境。细菌定殖于植物的叶面、根、种子和内部脉管系统，这些类型的组织有特殊的化学和物理特性，这些特性影响了微生物的定殖机会和挑战能力。

陆生环境中水的可利用程度及其饱和水平是多样的，植物与细菌的互作大多经历不同水平的水合作用。此外还依赖于定殖位点、气侯条件和适宜的土壤组成等。植物的叶表面相对干燥，但能被雨水和露水淋湿。植物根围和土壤中种子表面含水量则更依赖于土壤中水的饱和度。水的限制作用能极大的影响生物膜的结构。

因此，特定环境和特定组织内水的饱和水平将极大

的影响生物膜的形成［３］

。而在每个大的组织类型中又有

不同的微环境，如：植物根的不同部位表现出不同的小生境，生长活跃的根组织在土壤中的分泌率较高，而处

于生长点的根冠细胞则不断脱落［４］

。不同场所释放的营

养和渗出物质能在很大程度上影响生物膜的产生。植物叶面组织经常含有一腊质层，其在叶片上表面和下表面分布不同。韧皮部和木质部导管在脉管系统中是不同的组织类型，在叶、茎干和根中的韧皮部及木质部组织，其流动性组成，体系结构和空间排列上均不相同。细菌能适应各种小环境，因此，生物膜的形成反映了其定殖场所的自然状态。

１．２细菌在植物表面主动和被动的沉积作用对生物膜形成的影响

微生物沉积作用的被动机制在整个陆生环境中较为常见，如风、雨的飞溅和根围的水流。而趋化性和运动

性是细菌形成生物膜的主动性机制［５］。不同假单胞菌的

植物相关细菌生物膜研究进展

杨敬辉１，文平兰２，陈宏州１，朱桂梅１，潘以楼１

（１．镇江农科所，江苏句容２１２４００；２．句容市农技推广中心，江苏句容２１２４００）

摘要：介绍了不同类型的植物相关细菌生物膜，综述了有关生物膜结构、形成和微生物与陆生植物结合所形成生物膜的特性等方面的研究进展，阐述了植物表面环境、细菌在植物表面主动和被动的沉积作用等对生物膜形成的影响。关键词：微生物；生物膜；群体感应中图分类号：Ｑ９２５

文献标识码：Ａ

文章编号：１００８－１６３１（２００８）０９－０００１－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＢｉｏｆｉｌｍＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＰｌａｎｔ!ａｓｓｏｃｉａｔｅｄＢａｃｔｅｒｉａ

ＹＡＮＧＪｉｎｇ!ｈｕｉ１，ＷＥＮＰｉｎｇ!ｌａｎ２，ＣＨＥＮＨｏｎｇ!ｚｈｏｕ１，ＺＨＵＧｕｉ!ｍｅｉ１，ＰＡＮＹｉ!ｌｏｕ１（１．ＺｈｅｎｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ，Ｊｕｒｏｎｇ２１２４００，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｘｔｅｎｓｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＪｕｒｏｎｇ

Ｃｉｔｙ，Ｊｕｒｏｎｇ２１２４００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｅｓｏｆｐｌａｎｔ!ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｂａｃｔｅｒｉａｂｉｏ－ｆｉｌｍｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｏｒ－ｍａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｂｉｏｆｉｌｍｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｐｌａｎｔｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｐｌａｎｔ!ａｓ－ｓｏｃｉａｔｅｄｂａｃｔｅｒｉａｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇｗｉｔｈｈｏｓｔｔｉｓｓｕｅｓｕｒｆａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓａｎｄｓｙｍｂｉｏｓｉｓｏｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅｅｌａｂｏ－ｒａｔｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ；Ｂｉｏｆｉｌｍ；Ｑｕｏｒｕｍ!ｓｅｎｓｉｎｇ

运动性，对其在根部竞争性定殖和在土壤中长期生存是

非常重要的［６］

。在细菌和种子的互作中，细菌的趋向性

和运动性起至关重要的作用。在叶表面，由于细菌可以被气流传播到新的场所，所以被动沉积作用就显得尤其重要。细菌一旦沉积在一个新的叶围，本身的运动性将辅助其获得一个特定的小生境，但多数情况下他们聚集在着落点，在潮湿和营养丰富的场所，细菌能生长并聚集形成生物膜结构［７］。

２植物相关细菌生物膜的类型

２．１根围生物膜

假单胞菌与植物根部互作已有广泛的研究，研究大多集中在应用生防制剂后其对寄主植物的促生作用。假单胞菌属中的一些种，在非生物介质和生物体表面上都能形成浓密的生物膜，因而成为研究生物膜的主要模式

种。恶臭假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｐｕｔｉｄａ）［８］

和铜绿假单胞（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）［９］能快速对植物根部的分泌物

做出反应，汇聚于根部并形成结构稳定的生物膜。已有报道假单胞促进植物生长，其在根部是不连续定殖，即先沿着根外表皮裂缝定殖，再渐渐形成一个小的生物膜。此外据报道在根围形成生物膜的细菌有：巴西固氮

螺菌（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍｂｒａｓｉｌｅｎｓｅ）［１０￣１１］、土壤杆菌属（Ａ－ｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）［１２］和蜡状芽孢杆菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ）［１３］。

２．２种子和芽上的生物膜

细菌粘附于种子形成生物膜能影响其随后在根围的定殖。在种子储藏时经常将种子接种上生防细菌使之形成生物膜而保护种子免受其他病原菌的侵染。恶臭假单胞粘附于种子上随后能在根围定殖。恶臭假单胞ｌａｐＡ突变体，失去粘附种子和在非生物介质表面形成生物膜

的能力。Ｃｏｏｍｂｓ等［１４］

在小麦组织中鉴定出一种非致病性

内寄生放线菌（Ａｃｔｉｎｏｂａｃｔｅｒｉａ），并且证明其能定殖于表面灭菌的种子内部和确保将来在根部定殖。

在紫花苜蓿种子和芽上用扫描电镜发现，有胞外多糖包裹的杆菌和螺菌形成的生物膜［１５］。这些细菌在紫花苜蓿种子上形成生物膜后能抵抗水洗和普通抗菌素的处理。Ｆｅｔｔ等［１６］发现大肠杆菌（ＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉＯ１５７：Ｈ７）和沙门氏菌（Ｓａｌｍｏｎｅｌｌａ）在紫花苜蓿芽上定殖形成生物膜后，简单用水冲洗根本不可能清除。２．３维管束致病菌生物膜的形成

Ｎｅｗｍａｎ等［１７］发现，木质部难培养菌（Ｘｙｌｅｌｌａｆａｓ－ｔｉｄｉｏｓａ）在昆虫内极性粘附于昆虫前肠组织，在植物寄主内大多稀疏定殖于木质部导管，寄主植物不表现症状。尽管该菌在导管内形成的浓密生物膜并不多见，但一旦形成生物膜就能使寄主植物表现症状。Ｄｏｗ等［１８］报道甘蓝黑腐黄单胞菌（Ｘａｎｔｈｏｍｏｎａｓｃａｍｐｅｓｔｒｉｓｐｖ．ｃａｍｐｅｓｔｒｉｓ，Ｘｃｃ）胞外酶能诱导聚集细菌的分散。分散因子是１个ｅｎｄｏ!β!（１，４）!甘露聚糖酶（ＭａｎＡ），ＭａｎＡ在ｒｐｆ／ＤＳＦ!依赖型中表达，ＭａｎＡ的表达有利于病

原菌在植物脉管系统传播。Ｖｏｎ等［１９］

使用绿色荧光蛋白

标记的玉米细菌性枯萎病菌（Ｐａｎｔｏｅａｓｔｅｗａｒｔｉｉｓｕｂｓｐ．ｓｔｅｗａｒｔｉｉ）侵染幼苗，电子显微成像观察到细菌聚集覆盖

于含纤维素寄主材料上，并粘附于木质部壁上。Ｋａｎｇ［２０］和Ｔａｎｓ［２１］

研究证明，青枯雷尔氏菌（Ｒａｌｓｔｏｎｉａｓｏｌａｎａｃｅａｒｕｍ）

运动性和毒力之间相连锁，并报道在木质部观察到结构一致的生物膜。

２．４植物附生细菌的生物膜

陆生植物表面生长有大量的附生细菌，包括植物病原菌在最初侵染前也先在叶面繁殖。在叶片表面，细菌首选的定殖位点是沿叶脉或靠近毛孔和气孔的小环境，因为这些地方营养较丰富。丁香假单胞菌丁香致病变种（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｙｒｉｎｇａｅｐｖ．ｓｙｒｉｎｇａｅ，Ｐｓｓ）在大豆上引起褐斑病，其在叶表面只有稀疏的少量细菌（少于１０个细菌），而大量的细菌（超过１０００个细菌）主要在靠近香毛簇或叶脉处增殖［２２］。细菌大量聚集在一起比单一分散的细菌更能抵抗干燥胁迫而存活。Ｌｉｎｄｏｗ等［７］报道，Ｐｓｓ的腐生适应能力由ＡｈｌＩ／ＡｈｌＲＱＳ和ＡｅｆＲ调控元控制，ＡＨＬ!缺失突变体对干燥的抵抗力降低。

３结语

细菌与植物的互作有多种形式，这种互作的常见形式是表面定殖，即微生物以单个或簇生的形式粘附于植物组织的内部或外部。具有一定形态和组成的粘附种群被称之为生物膜，生物膜内细菌能表现出群体效应（ｑｕｏｒｕｍｓｅｎｓｉｎｇ，ＱＳ），植物病原菌的致病机制受这种

群体行为的调控［２３］

。生物膜的形成除受其自身ＱＳ系统的

调控外，还受所处环境的影响。植物分泌的营养物质、水的可利用性和表面化学特性等都强烈影响着生物膜的活性和形成。生物膜在医学和环境化学领域有着广泛而深入的研究，在农业上该方面的研究刚刚兴起，但可以预见未来将有广阔的发展前景。

参考文献：

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［５］ＣｈｅｓｎｏｋｏｖａＯ，ＣｏｕｔｉｎｈｏＪＢ，ＫｈａｎＩＨ，ｅｔａｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉ－

ｚａｔｉｏｎｏｆｆｌａｇｅｌｌａｇｅｎｅｓｏｆＡｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｔｕｍｅｆａｃｉｅｎｓ，ａｎｄ

２００８年

河北农业科学２・・