植物内生菌的研究进展

化学与生物工程2011,Vol.28No.3

Chemistry &Bioen gineering

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20802057)收稿日期:2011-01-07

作者简介:王莉衡(1977-),女,陕西西安人,博士,副教授,研究方向:植物内生菌的筛选及其活性代谢产物研究。E mail:heng heng _

1103@ 。

doi:10.3969/j.issn.1672-5425.2011.03.002

植物内生菌的研究进展

王莉衡

(西安文理学院生命科学系,陕西西安710065)

摘 要:植物内生菌是一种新型的微生物资源,具有重大的研究意义和潜在的应用价值,近年来成为微生物资源研究的热点之一。对植物内生菌的研究进展和生物学作用进行了综述,以期更好地了解和研究植物内生菌。

关键词:植物;内生菌;生物多样性;研究进展中图分类号:Q 949 32 文献标识码:A

文章编号:1672-5425(2011)03-0005-03

在植物的生态环境中,存在着各种各样的微生物,它们有的附着于植物的表面,有的则生活于植物体内。对于附着于植物表面和根际的微生物已有很多研究,而对于植物体内微生物的研究却刚刚起步。但有资料显示,一些植物内生微生物与宿主发生关系时,可明显增强宿主的抗病性,提高植物的生产力。因此,合理利用植物的内生微生物具有重要的理论意义和实用价值[1~5]。植物内生菌作为微生物研究领域之一,近年来一直备受关注。内生菌不仅在农牧业生产和环境净化领域有良好应用效果,而且在植物病虫害防治、新型无公害农药研发、保持植物微生态系统的生物多样性以及维护农田生态平衡等方面都得到了广泛应用。

1 植物内生菌的起源

内生菌(Endophy te)概念是在1866年首先由Ba ry 提出的,是指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的组织或器官内部的微生物(主要为真菌和细菌)。其后的很长时间内,内生菌研究进展缓慢。直到1993年,美国蒙大拿州立大学Str obel 等[6]

从短叶红豆杉的韧皮部位分离到一株产新型抗癌物质紫杉醇的内生真菌,从而启发人们可望从植物内生菌寻找与植物产生的相同或相似的化合物,由此促进了植物内生菌的研究。

2 植物内生菌的生物多样性

植物内生菌为植物组织内的正常菌群,包括植物

内生真菌、内生细菌和内生放线菌[7~9],广泛分布于各种陆生及水生的低等植物和高等植物中。植物内生菌具有丰富的生物多样性,主要有以下三方面:寄主植物种类多样性、内生菌在寄主植物不同部位分布多样性和内生菌自身种类多样性。

目前全世界至少已经从上百种植物中发现了内生菌,其中仅在禾本科植物中发现的内生真菌就有80个属290种之多[10],大多数内生真菌都属于子囊孢子类(Asco mycetes),包括核菌纲(Pyr enomy etes)、盘菌纲(Disco myetes)和腔菌纲(Loculo asco myetes)的许多种类以及它们的一些衍生菌。自20世纪70年代后期,内生菌在一些重要的经济林木如针叶类的各种冷杉、云杉、红杉、紫杉、松柏等以及阔叶的桉树、桦树、恺木等植物的树皮、枝叶中相继被发现并得到了广泛的研究。进而在多种灌木、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细菌[11]。内生细菌在植物中的数量比内生真菌要少得多,但早在50多年前就已有关于植物体内存在内生细菌而不引起植物病症的报道。据不完全统计,已从小麦、棉花、水稻、花生、马铃薯、番茄、柠檬、柑桔等近30种植物中分离出了近60个属的内生细菌,其中约有三分之二为革兰氏阴性细菌[12,13]。近年来关于内生放线菌的报道也陆续增多,1992年,Saarcchi 等

[14]

对意

大利28种植物根进行表面消毒分离培养出大量放线菌。此外,还从赤杨根际和根瘤中分离出一个Am y

5

co lata的新种(A.alni)[15],从日本猫尾木及泥炭藓中均分离到放线菌。在我国,也报道了从棉花、香蕉等植物中分离出内生放线菌[5,16,17]。

内生菌的菌丝生长于植物组织的细胞间,分布于叶鞘、种子、花、茎、叶片和根。研究表明,叶鞘和种子的内生真菌菌丝含量最高。已经从黄瓜、甜菜根、花生果仁、马铃薯的块茎、种子和胚珠、棉花的培根、未开的花及水稻叶子及其它植物的储藏器官中分离得到大量内生菌,可见植物内生菌的分离部位趋于多样化[17,18]。

3 植物内生菌的分类

内生菌按存在方式的不同,可以分为以下三类[17,19]:(1)依赖性(专性、兼性)。植物内生菌不仅存在于植物的内部,也常见于土壤。目前内生细菌中如假单孢菌属、肠杆菌属、沙雷氏菌属、产碱菌属、志贺氏菌属、柠檬细菌属及革兰氏阳性细菌的一些属,都属于兼性内生。红苍白草螺菌或织片草螺菌只能够生活在高粱和甘蔗等作物的组织内,属于只存在于植物内部而在植物根际无法分离得到的专性内生菌。(2)忍耐性(持久、暂时)。植物内生菌不仅可以永久存在于植物组织内,也可以只存在于植物生育期的一段时间内。甜菜中的腐烂棒杆菌和水稻中的成团肠杆菌可以在宿主植物的整个生活史中存在,而大部分内生菌只存在于植物生活史的部分时期。(3)专一性(专一性、非专一性)。有些内生菌可以存在于多种寄主中,而有些内生菌只存在于单一寄主中。大部分内生菌属于非专一性。荧光假单孢菌可以从菜豆、小麦、番茄、柠檬、甜菜、玉米中分离得到。成团杆菌也可以从玉米、柠檬、黄瓜、土豆中分离得到,而重氮营养醋杆菌只存在于甘蔗中。

4 植物内生菌的生物学作用

内生菌在植物体中的生物量是很微少的,但植物内生菌作为植物微生态系统中的天然组成部分,可以通过自身的代谢产物或借助信号传导作用对宿主产生影响。现已发现内生菌对宿主植物至少有以下几个方面的有益作用:固氮作用、促进宿主植物生长、抗逆境、抗病原真菌和细菌以及他感作用等。

4.1 固氮作用

氮是农作物生长发育的必需元素之一,氮的使用量在一定程度上可以决定农作物的产量。定殖在健康植物体内的内生固氮细菌可与宿主植物进行联合固氮,进而促进植物生长。现已从甘蔗、水稻、玉米、高粱及牧草中分离得到内生固氮菌。

4.2 促进宿主植物的生长

研究结果表明,感染内生菌的植株一般比未感染植株生长得快。内生菌对宿主植物的促进生长作用主要表现在种子发芽、分蘖生长、幼苗存活、植株的高重和生长势、生物量积累等多方面[20]。内生菌的这种促植物生长作用可以从两方面来理解。一方面,内生菌可产生促进植物生长的物质如植物生长激素(IAA、吲哚乙腈)、赤霉素以及细胞激素等,直接促进植物生长。另一方面,内生菌也能帮助宿主植物吸收氮、磷等营养元素,或与病原菌竞争营养和空间或直接产生拮抗物质而抑制病原菌,从而间接促进植物生长[21]。禾本科农作物的内生细菌具有很强的固氮能力。感染内生真菌的牧草对氮、磷的摄取能力也有所提高[22,23]。

4.3 增强宿主植物对环境胁迫的抗性

内生菌增强植物的抗逆性可分为非生物胁迫和生物胁迫两类。非生物胁迫主要表现在可增强抗高温、抗干旱、抗盐碱等方面,有研究结果表明感染内生菌的牧草对环境胁迫如干旱[24]具有更强的抗性。生物胁迫主要表现在可阻抑昆虫和食草动物的采食、抵抗病虫害等方面,保护宿主免受危害[25~29]。

4.4 其它生物学作用

植物的他感作用是指植物植株向环境中释放某些化学物质,影响周围其它植株生理生化代谢及生长过程的现象。这种作用是种间关系的一部分,是生存竞争的一种特殊形式,种内关系也有此现象。他感作用是自然界存在的普遍现象。

研究表明,有的感染内生菌植物会对周围的其它植物产生抑制或促进其生长的他感作用,其中牧草内生菌产生的毒麦碱对邻近植物有较强的他感作用[30]。感染内生细菌的红花车轴草(T rif olium p r atense)也具有抑制玉米生长的他感作用[31]。在植物与内生菌的作用过程中,有的内生菌成为了分解宿主植物自身组织的先锋[32],有的内生菌能够诱导宿主植物细胞的活性物质代谢[33~35]。植物内生菌的上述生物学作用使其在菌-植物-动物-环境生态系统中扮演着重要角色。

5 展望

植物内生菌生存环境的特殊性决定了其既有理论研究的广度和深度,又有多方面的应用潜力,是潜力巨大、尚待开发的微生物新资源。近20年来,虽然在植物内生菌的入侵机理、系统学、生态学和资源开发方面开展了一系列研究工作,但是对很多问题还不是很清