玉米內生菌研究進展

李 曄，田紅琳，張丕輝

（重慶市農業科學院玉米研究所，重慶401329）

植物內生菌是指其生活史中某一階段或整個階段生活在生長健康的植物組織或細胞內，并對宿主植物沒有引起明顯病害癥狀的一類微生物群［1］。內生菌在宿主抵抗植物病蟲害、抗非生物脅迫及促進生長中起到重要作用［2］。內生菌的研究已經成為植物學、植物保護學、農學、生物學和中藥學等學科領域的熱點，其在農業、林業及醫藥領域具有重要的研究開發價值。目前，從玉米、水稻、棉花等多種作物體內均獲得具有一定應用潛能的內生菌菌株［3～6］。

玉米是中國重要的糧食經濟作物，在經濟、生活中起著舉足輕重的作用，研究玉米及其內生菌之間的關系、模式、機理，對防止病蟲害、增加玉米產量有著積極意義。近年來，在玉米中分離出許多有應用潛力的內生菌株，在生防、促生長、抗非生物脅迫方面有重要意義。本文就玉米內生菌種群多樣性、生物學功能及其前景作簡要概述。

1 玉米內生菌的種群多樣性及定殖分布

1.1 玉米內生菌的種群多樣性

采用傳統的培養分離鑒定模式，研究人員對多個玉米品種進行內生菌的分離鑒定，其中內生細菌主要包括芽孢桿菌屬（Bacillus）、腸桿菌屬（Enterobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、黃單胞菌屬（Xanthomonas）、微球菌屬（Micrococcus）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）等［7～10］。其中芽孢桿菌屬為主要優勢種群，枯草芽孢桿菌為絕對優勢種，對玉米常見病害有抑制作用的菌株大多來自該屬。對內生真菌的研究發現，出現頻率最高的是木霉屬（Trichoderma）、青霉屬（Penicillium）、鏈格孢屬（Alternaria）、鐮刀霉（Fusarium）、曲霉屬（Aspergillus）、頭孢霉屬（Cephalosporium）等［11～13］。

而近些年，隨著測序技術的發展，研究人員開始通過非培養方法對玉米內生菌的種群進行研究。例如陳澤斌等［14］應用Illumina MiSeq高通量測序技術分析發現，玉米內生細菌分布于以下6個屬：鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、鹽單胞菌屬（Halomonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、希瓦氏菌屬（Shewanella）、甲基桿菌屬（Methylobacterium）、土地桿菌屬（Pedobacter）。其中優勢菌屬為鞘氨醇單胞菌屬、鹽單胞菌屬，分別占37.78%、33.33%。喻江［15］采用LNA－PCR和454高通量測序方法研究玉米根內生菌多樣性，發現異鏈霉菌屬（Streptomyces）和Niastella是玉米內生放線菌的主要成員。而目前對于玉米內生真菌采用非培養方法研究的較少。

1.2 玉米內生菌的定殖規律

有研究表明，玉米品種的遺傳背景對內生菌種群有明顯的影響。玉米內生菌的種類及其數量在很大程度上受品種的遺傳背景控制，內生菌的種類與玉米品種存在明顯的相關性［7］。親本中的優勢菌在其后代中亦能夠發現，具有一定的繼承性，正反交得到的兩后代之間在第一優勢菌及其比例、內生細菌多樣性等方面保持一致，且后代的內生菌種類比親本更加多樣［16］。

在玉米不同組織中，相同品種的玉米內生菌種群分布大致相同，數量上以根部最多，種子次之，莖、葉最少［10，17，18］。在內生菌種群多樣性上以莖最多，根次之，苞葉最低［12］。玉米內生菌主要類群在整個生育期的分布也存在差異，隨著株齡的增大，內生菌的種類和數量均增加，到花粒期玉米內生菌的種類達到最多。在不同時期分離頻率有所不同，苗期以根莖最高，葉最少；而在穗期以葉最多，根莖次之，葉鞘最少；花粒期以葉最多，苞葉最少［12］。內生菌在不同時期對不同組織有不同的種群分布，這可能與不同組織器官的生化特性及其侵染方式有關。

2 玉米內生菌的生物學作用

主要研究方法為從玉米組織中分離出微生物，篩選出具有特定功能的菌株，通過回接玉米（如浸種或浸根），或體外模擬實驗對其生物學性能進行研究。

2.1 抗病害

目前已報道的玉米內生菌對多種病原微生物有明顯防治或抑制作用。辜運富等［8］及高增貴等［19］從玉米中篩選獲得對玉米紋枯病菌具有顯著拮抗作用的內生細菌，具有良好的防治效果，防治效果高達67.9%。候美玲等［20］分離出拮抗玉米大斑病菌（Setosphaeria turcica）的內生細菌，同時還對禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）、灰霉病菌（Botrytis cinerea）、玉米彎孢霉葉斑病菌（Curvularia lunata）等7種植物病原真菌有較強的拮抗作用。沈玥［21］從玉米分離出內生放線菌，對玉米大斑病菌和玉米小斑病菌、玉米彎孢菌葉斑病菌、玉米紋枯病菌4種病原菌都有抑制作用。趙晨晨等［22］分離的菌株對南方銹病（southern corn rust，SCR）的平均防治效果達65.7%。另外，還有研究人員從野生的古玉米品種中分離出能抗幣斑病菌（Sclerotinia homoeocarpa）的內生菌［23］，為玉米內生菌資源的開發和利用提供了新的方向。

玉米內生菌增強宿主對病害的抵抗能力的機制：一方面表現在部分內生菌可以產生對病原微生物有拮抗作用的代謝產物；另一方面內生菌激活玉米主要防御酶系，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）［24］，這些酶被認為與植物抵抗病原微生物侵染有重要關系［25］；三是占領生態位，產生直接生態競爭。內生細菌作為病原拮抗菌具有許多優勢：對玉米生長沒有抑制作用，并且能在體內持續繁殖、轉移［26］。

2.2 抗脅迫

內生菌能夠增強宿主植物在不利的外界環境中的抗性，主要表現在抗旱、耐熱、耐鹽堿等非生物脅迫方面。

張文英等［27］初步研究了內生真菌印度梨形孢（Piriformospora indica）誘導提高玉米抗旱性的效應。結果顯示，在自然干旱脅迫下，根長、根鮮重、根干重、葉片數、葉面積、葉綠素含量等指標比未接種的玉米幼苗明顯增加，差異達到顯著、極顯著水平。劉茂軍［28］通過盆栽試驗發現，其分離的一株真菌能增強玉米對重金屬的耐性，降低玉米對重金屬的吸收，把重金屬主要固持在玉米根部從而減輕玉米受重金屬毒害的作用。宋艷雨等［29］從植物內生真菌菌絲中分離出多糖物質對玉米種子進行浸種處理，在氯化鈉鹽水中進行催芽實驗，結果表明浸種處理組的根長明顯優于對照組。

目前對內生菌誘導植物產生環境耐受性的機制研究較少，但已有研究人員開始嘗試。王娜等［30］利用基因芯片技術對滲透脅迫下植物內生菌次生代謝產物處理的玉米進行差異基因表達譜分析，檢測到的差異表達基因共計441個，參與21條代謝通路。表明在滲透脅迫下內生菌次生代謝產物對玉米的影響是一個多基因參與、多個生物途徑協同調控的過程。

2.3 促生作用

內生菌有促進植物生長作用，一是因為許多內生菌可以產生生長素、赤霉素等植物生長激素；二是內生菌能夠增加植物的固氮能力和對鉀、鈣、磷等營養元素的吸收。

傅曉方等［5］從玉米植株中分離到固氮酶活性和產IAA能力的菌株，接種至小麥后，其苗高、根長、鮮質量、干質量和葉綠素含量均高于對照組。韓梅等［31］從玉米中分離得到2株固氮酶活性較高的內生固氮菌，均為克雷伯氏菌屬（Klebsiella trevisan），將其接回玉米植株，較對照植株株高、地上部分干重及根干重差異均達到顯著水平，對玉米苗期生長有明顯的促進作用。另外，一些從玉米中分離出的溶磷菌株（PSB，phosphate－solubilizing bacteria），能將固體磷酸鹽溶解出來，供植物吸收利用［32］。

2.4 其它作用

另外，還有學者從玉米中分離出能抗食源致病菌的內生細菌，能有效抵抗如大腸桿菌、李斯特菌、沙門氏菌、產氣莢膜梭菌等菌。還有些內生菌能產生具有抗菌活性物質多粘菌素［33］，為生物醫藥提供了新的資源。

3 結束語

內生菌在與植物長期共同進化的過程中形成了一種共生關系，在植物宿主、食草動物生態系統中，植物內生菌起著重要的生態學作用，在農業生產及制藥等行業中具有重要的應用潛力。

目前已分離篩選出許多有價值的菌種資源，并通過盆栽等實驗初步驗證了其在生防、促生長及抗環境脅迫等方面的應用價值。但對于內生菌與宿主的作用機制的理論研究仍然較少，后續研究需要從作用機理上解釋內生菌與宿主的相互關系以充分了解和利用內生菌。同時，對影響其內生菌種群分布及定殖效果的因素仍不明了，影響今后內生菌在農業生產中的應用。希望通過對玉米內生菌的系統研究，為我國玉米的發展提供堅實的理論基礎和實際指導作用。

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