内生菌对植物的影响

内生菌对植物的影响

摘要:植物内生菌生物学特性、动力学规律、群落生态组成,目前已成为国内外学者研究的热点。随着其研究领域的不断拓宽和研究方法的不断深入,植物内生菌在科研、农业生物防治、医疗卫生等领域中的应用越来越广泛。本文介绍了植物内生菌的发现过程和定义,概述了其生物多样性、动力学、研究方法、在农业和医药上的应用等方面的研究进展,并探讨了该研究领域中存在的一些问题。

关键词: 植物内生菌; 生物多样性; 研究进展

植物内生菌是植物微生态系统的重要组成部分,在长期的协同进化过程中,与植物形成了互惠互利的关系。植物内生菌能够产生活性物质,可作为生物防治资源、外源基因的载体和新药的来源,在农业、医药卫生领域有着巨大的应用潜力。2006年我国学者利用植物内生菌技术培育出优质高产水稻,显示了植物内生菌是一类非常重要的资源。虽然经过几十年的研究,但是目前植物内生菌的研究仍处于起步阶段,对其开发和应用刚刚展开。本文对植物内生菌的发现过程、定义、生物多样性、动力学规律、研究方法及应用方面进行概括,为植物内生菌深入研究提供理论参考。

1 植物内生菌的发现过程和定义

植物体内普遍存在着内生菌,由于其生活在没有外在感染症状的健康植物组织内部,因此植物内生菌的存在和作用长期以来未被发现。直到20世纪30年代,由于牲畜食了感染内生真菌的牧草,给畜牧业造成重大损失,才开始对植物内生菌有了初步认识。内生菌一词“endophyte”最早是由德国科学家DeBarry于1886年提出。1986年,Carrol将植物内

生菌定义为生活在地上部分、活的植物组织内不引起明显症状的微生物。1991年,Petrini提出植物内生菌是指生活史的一定阶段生活在活体植物组织内不引起植物明显病害的微生物。1992年,Kleopper等认为植物内生菌是指能够定殖在植物细胞间隙或细胞内,并与寄主植物建立和谐联合关系的一类微生物,并首次提出了“植物理内生细菌”的概念,他认为能在植物体内定殖的致病菌和菌根菌不属于内生菌。

目前,植物内生菌较被公认的定义是指那些在其生活史的一定阶段或者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者细菌,被感染的宿主植物(至少是暂时)不表现出外在症状,是一个生态学概念,而非分类学单位。

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[1～3],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[4],大多数内生真菌都属于子囊孢子类(Ascomycetes),包括核菌纲(Pyrenomyetes)、盘菌纲(Discomyetes)和腔菌纲(Loculoascomyetes)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[5]。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[6,7]。近年来关于内生放线菌的报道也陆续增多,1992年,Saarcchi等[8]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Amy-5colata的新种(A.alni)[9],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[3,10,11]。

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[6,12]。

3 内生菌与宿主的共处方式

内生菌与宿主在长期共处中形成了一种复杂、特殊的关系。它们有的是互利共生关系，而有的是无害或微害寄生关系。两种关系可随多种因素变化而相互转化。在共生时，不同内生菌对其宿主专一性差别较大，有的内生菌只与某种植物共生，而有的则可同时与多种植物共生。

3.1 内生菌与宿主的互利共生关系

研究表明许多内生菌由于与宿主的长期共处，与后者形成互利的共生关系[13]。一方面，宿主为内生菌提供充足的营养和适合的生长环境促进其生长。如Rudrappa等[14]发现，植物组织内充足的水分及特定的分泌物产生，有利于微生物黏附在一起形成微生物在宿主内赖于生存的特殊结构—生物薄膜（biofilm），进而促进内生菌的生长；易婷等[15]报道，如宿主长时间处于各种逆境中，反过来也能大大提高biofilm中细菌的各种抗性及生存能力。另一方面，内生菌在宿主应对外界环境的应激耐受性[5,11,16]（包括抗旱、抗病虫害及对病

原体拮抗等）、宿主植物的生长、宿主植物中的有效活性成分的产生等方面也产生重要影响。

3.1.1 增加宿主应激耐受性

宿主应激耐受性主要包括抗旱、耐热、抗病虫害及对病原体拮抗等。研究发现，即使不是所有，也应是大部分的内生真菌增加了其宿主的应激耐受性。至少有部分植物在没有内生真菌存在的情况下，因不能耐受居住地的各种生物或非生物的应激而无法生存[19]。相反有大量证据证明内生菌与植物的共生协助了早期植物在一些环境恶劣、贫瘠的土地上的生存[20]。当植物感染内生菌后，其针对某种应激的耐受性将大大加强，并能明显增加自身存活率。例如，Rodriguez [5,19]报道一种非沿海地生长的植物在感染黄色镰刀菌（Fusarium culmorum）后，具有了很强的耐盐性，并能在沿海地存活。感染炭疽菌属内生真菌Colletotrichum protuberata后宿主植物具有了很强的耐热性[5,17]。

内生菌增加宿主应激耐受性的例子有很多，例如 杜 永 吉[11]等 将 来 自 于 高 羊 茅 的 内 生 真 菌Neotyphodium typhinum通过注射菌液法和菌丝塞入法回接至2种高羊茅宿主中，移栽后发现，含菌植株水分利用效率远高于不含菌植株，同时前者叶片相对含水量高于后者，具有更强保水、抗旱能力。Herre[18] 报道叶内生真菌(foliar endophytic fungi)和枝菌根菌(arbuscular mycorrhizal fungi)普遍具有减少病原菌棕榈疫霉（Phytophthora palmivora）对叶子损伤的作用。Hashiba

[19]发现，真菌

Heteroconiumchaetospira可使卷心菜苗根棒状硬化和黄萎病黄叶的发生概率减少52%~97%。

虽然众多研究表明，内生真菌能增加宿主对某种应激的耐受性。然而宿主这种耐受性增强的机制目前还不甚明了.一些学者从不同角度进行了研究和报道，他们认为：（1）内生真菌可通过增加宿主生物氧化及减少对水的消耗[4]来增强宿主的抗旱能力；（2）可通过产生抗生素或其它次生代谢物，增加自身的竞争优势作用[14-17]，及诱导或增加宿主内的防御

机制来杀死或抑制病原菌[3]；（3）通过增加宿主对矿物质、重金属以及有机质的吸收来提高宿主对恶劣环境的适应性[18]；（4）通过产生生物碱等对昆虫具毒性的次生代谢物来抑制昆虫生长发育甚至促其死亡，进而控制昆虫的蚕食[6]。

3.1.2 促进宿主的生长

内生菌与植物互利共生关系的一个重要体现就是能促进宿主的生长。Hashiba等[11]和Narisawa等[19]发现，感染内生菌Heteroconium chaetospira的白菜苗干重可增加3倍左右。内生菌促生作用的方式有多种，它们有的通过联合固氮来发挥促生作用；而有的则通过产生生长素、赤霉素以及细胞激动素等促植物生长物质来发挥其促生作用；有的甚至还可通过改变根部周围的环境来缓解植物根部的非生物压力，比如在对从向日葵根部分离出的一株根瘤菌研究时发现，其可以通过分泌胞外多糖来改变土壤结构，从而增加植物根部对环境的适应性，促进植物的生长[20]。

3.1.3 促进宿主次生代谢物的产生

目前许多报道称，内生菌可增加宿主次生代谢物的生成量。Mucciarelli等[21]对薄荷无菌苗和感染内生真菌苗的挥发性物质进行比较，发现无论在空气中，还是在薄荷根、茎和叶片中，它们的含量均有显著差异，甚至在感染真菌的薄荷中发现有新的化合物存在。史应武等[21]发现从甜菜根部分离的一株内生菌能显著增加甜菜鲜重、叶绿素含量及含糖率，有明显的促生、增糖作用。另外，研究发现，内生菌不仅会增加宿主原有次生产物生成，而且会促进一些新化合物生成。如内生真菌Neotyphodiumuncinatum可促使生长在欧洲和地中海的麦草合成黑麦草碱[22]。

内生菌促进宿主植物次生代谢物的产生，有学者推测，主要有两种原因。第一、由于基因的重组[22,20]或长期信息交流致使内生菌产生了与宿主相同的信息传导通路，从而使内

生菌能合成与宿主相类似的次生产物。这一点已有很多数据支持，很多抗癌，抑菌作用药物已从相应药用植物中分离的内生菌中获得[2,21]，说明其有单独合成这种化合物的能力。第二、内生菌与宿主分工参与植物次生代谢物的合成，而这些合成在植物体内是无法独立完成的；或通过产生具有催化作用的蛋白，进而改变宿主内某一反应的方向来影响植物的次生代谢产物[22]。

3.2 内生菌与宿主的无病症寄生关系

内生菌在宿主中无害或微害寄生具体表现为，内生菌对宿主无明显的积极影响，同时在一般情况也不导致宿主出现明显病理症状。维持这种寄生关系的两大主要力量为宿主对内生菌的抵抗反应和内生菌的毒性。

3.2.1 宿主对内生菌的抵抗反应

研究发现由于内生真菌和致病菌在结构上的相似性，都可以被宿主植物无差别的认知，当内生菌感染宿主后，将诱导宿主产生慢速或快速的抵抗反应[10,22]。虽然这些机械的抵抗反应没能观察到，但Cabral通过实验发现，宿主在感染内生菌的位点附近有明显的乳状头的产生[10]；Narisawa发现感染的宿主根部有细胞壁的变厚现象[10,23]，在宿主快速反应时能检测到有过氧化物酶活性及过氧化氢等生化物质的产生[10]。宿主对内生菌的这种抵抗反应可看作是宿主的自我保护，但宿主内环境的改变也对内生菌的生存形成压力[31]，为了克服这种压力，研究发现许多内生菌在植物体内定殖时，往往会表现出群体聚集生长行为，相互黏附在一起，形成包括聚集团(aggregates)、微菌落(microcolonies)、共质体(symplasmata)等在内的生物薄膜，并以此形式与宿主进行交互作用[16,24]。

另外，内生真菌为了避免或者克服这种不明确的抵抗反应，必须重组自身以适应宿主细胞进而维护自身的完整性以求得共存[25]。

3.2.2 内生菌对宿主的毒性作用

内生菌对宿主的毒性作用主要表现为在宿主内产生一些不利于宿主生长的次生物质。Schulz报道[10]，部分侵染性的内生菌至少具有一定程度毒性，造成对宿主的负面影响。不管是体内还是体外的许多试验都支持这个观点，例如Schardl[26]研究发现，一些内生菌对宿主具有一定的对抗性，主要表现在抑制宿主的种组（seed set）。体外试验也发现内生菌与宿主共培养时，有利于内生菌生长，而宿主植物则更容易坏死[10]，提示可能是因为内生菌分泌了一些毒性物质，进而不利于宿主植物生长。另外也有报道[10]称，内生菌还可通过产生很多胞外酶，而发挥对宿主的毒性作用。

3.2.3 两者对抗的平衡

虽然内生菌对宿主有毒性作用，但只有极少部分内生菌能导致宿主出现病症，主要因为宿主内具有很多保护壁垒，可对内生菌产生一定强度的对抗性[10]。所以只要双方的各种力量处于均衡状态，即使寄生也不会产生明显的病症。相反如果这种均衡被破坏，比如在衰老或受环境条件胁迫时，宿主的抵抗性反应减弱，则内生菌有可能使宿主致病或抑制宿主植物生长[22,27]。Faeth发现[28]，在贫瘠的土地上感染Festuca arizonica的植物明显比没有感染的

植株生长慢，而在营养丰富条件下生长的植株则不存在这种现象。Barbara[10]认为，环境、两者的相互适应状况及两者的基因型变化是打破这种短暂、易碎平衡的主要因素。

4 前景与展望

植物内生菌是一种极其丰富的新微生物资源，且大部分内生菌具有增加宿主对外界环境的应激耐受性、促进宿主植物的生长、促进宿主中一些有效活性成分的合成（或自身具有合成某化合物能力）等方面的作用，因此开发应用前景非常广阔。故对内生菌进行全面

而深入的研究分析，有着非常重要的意义。也正因为这样，内生菌的相关研究已成为国内外热点。但目前，不管是从内生菌发现的数量，内生菌开发利用的现状，还是从人们对内生菌遗传特性及内生菌与宿主之间关系的了解来看，内生菌相关研究都处于初级阶段。特别是内生菌与宿主关系方面，目前有许多值得深入探讨的地方。比如内生真菌促进宿主植物次生代谢产物的合成或直接产生与宿主植物相似或相同的次生代谢产物的相关机理；内生菌增强宿主生存的适应性的相关机理；内生菌与宿主交互的过程等，均需要进一步研究。

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