重金屬脅迫和內生菌對植物氮代謝影響的研究進展

譚佳緣 孫蔓蔓 夏師慧 李雪梅

摘 要：由于近年來人類活動和工業化進程的逐步加快，人們面臨重金屬污染已經到了嚴峻的時刻。內生菌與植物共生能夠提高宿主植物的生長發育、影響生理代謝水平。本文主要對國內外學者們對內生菌和重金屬脅迫對植物影響以及結合近些年來逐步成為熱點的植物氮代謝的相關研究進行了綜述。

關鍵詞：內生菌;重金屬脅迫;植物;氮代謝

1 引言

植物內生菌是指那些在其生活史的一定或全部階段生活于植物各種組織和器官內部的真菌或者細菌，在長期的協同進化過程中，植物內生菌與被其侵染的宿主植物，形成了互惠互利的關系。植物內生菌共生在宿主植物體內獲得穩定的生活環境的同時，也可以增強或賦予宿主抗病抗蟲、抗旱抗鹽堿和重金屬、固氮等能力，或通過其代謝產物促進植物的生長，影響植物的基因表達，調節抗逆代謝途徑，增強植物抵抗逆境的耐性。有些內生菌還被發現能夠產生與宿主相同或相似的活性物質。因此對植物內生菌的研究從20世紀90年代起已逐漸成為微生物學家們關注的熱點。我國面臨著嚴峻的重金屬污染問題，來自農業部的數據調查顯示，我國約有140萬公頃的農業用地采用了污水灌溉，受到重金屬污染的土地面積占污染總面積的65.8%，約有2600公頃的農業土地被重金屬所污染，造成1200萬噸的糧食減產和總值高達200億的經濟損失。氮素不僅僅是植物體生長發育所必需的營養元素，也是植物體內如核酸、蛋白質和酶、植物激素和生物堿、葉綠素等多種化合物的重要組成部分，其代謝過程幾乎涉及植物的所有生理過程，也在植物抗逆調節中起著重要的作用，與此同時也是關于植物抗逆機制的科學研究中的重要指標。

2 重金屬脅迫對植物生長發育及氮代謝的影響

2.1 重金屬脅迫對植物生長發育的影響

重金屬是植物生長中的非必需元素，植物體內積累過高濃度的重金屬物質會造成中毒的跡象，植物形態上會發生植株矮小、生長發育緩慢、生育期推遲、葉片卷曲變黃、出現斑點以及嚴重減產等現象。在鉛脅迫處理下的小麥種子發芽率降低，胚芽鞘長度及須根生長也都受到了明顯的抑制;鉛脅迫下多年生黑麥草和高羊茅的鮮重均遠低于對照組，假儉草、狗牙根和結縷草的生物量顯著降低;金絲草的鮮重、干重及生物量都在高濃度的鉛脅迫下有所降低;在鉛脅迫下苜蓿的葉綠素含量隨著鉛離子濃度的升高而降低。在鉛脅迫下的喬木樹種北海道黃楊和雪中紅的生物量積累也存在一定程度的減少。唐星林等發現，鎘脅迫會降低龍葵葉片葉綠素含量和最大凈光合速率，對葉片Rubisco酶羧化反應和電子傳遞過程也有抑制作用。馬月花等使用CdCl2溶液處理黃芪幼苗后發現，黃芪幼苗根系MDA含量急劇上升，各種礦質元素的吸收明顯下降。經高濃度鉻脅迫處理的再力花滲透調節物質（如脯氨酸）含量明顯下降，根系活力也呈整體下降趨勢，葉綠素含量下降，光合作用減弱。馬迎莉等對髯毛箬竹的研究也表現相似的結果。土壤中羥基鋁的含量大幅度增加，植物面臨鋁毒危害的程度也逐漸增加，造成作物減產。鋁脅迫會使水稻減產28%～62%，玉米減產46%～74%。張錦弦等采用連續澆灌木槿植株硫酸鋁鉀溶液模擬Al3+脅迫，導致木槿植株的生物量和增長率均有所下降，MDA含量增加，最大光合效率降低，張涵等對鋁脅迫下柑橘的研究也得到相似結果。

2.2 重金屬脅迫對植物氮代謝的影響

氮代謝過程與植物抵抗逆境的關系緊密，可以通過從氮素吸收、同化及氨基酸代謝等方面參與植物的抗逆性，也可以調節離子平衡、穩定細胞形態結構和蛋白質激素的平衡以及調節細胞代謝水平、減少植物體內活性氧的生成、促進葉綠素合成及維持光合作用正常進行等生理機制來影響植物抵抗非生物脅迫的能力。在氮代謝過程中，氮素主要是以硝態氮和氨態氮兩種形式被植物吸收，其中有硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）、谷丙轉氨酶（GPT）、谷草轉氨酶（GOT）等多種氮代謝關鍵酶的參與。

2.2.1 重金屬脅迫對植物氮素含量的影響 Bruzek的研究結果顯示，在濃度為25、50、100微摩爾/升的鉛脅迫下，黃瓜對硝酸根離子的吸收有所減少。在鋅鉻復合脅迫下，水稻根系全氮含量隨鉻濃度的變化規律不明顯，而隨鋅濃度的變化規律明顯。在鉻濃度一定時，水稻根系全氮含量均隨鋅濃度的增加先增后降，且轉折濃度的鋅為250毫克/公斤。水稻莖鞘及葉中全氮含量的變化與根大體一致。從處理間的差異來看，鋅濃度間、鉻濃度間及鋅鉻濃度互作間水稻根系、莖鞘及葉中全氮含量的差異均達極顯著水平。Gouia等研究表明鎘脅迫會顯著影響植物硝態氮的吸收。徐佳楠等研究發現小白菜的總氮含量隨著鎘濃度的升高呈下降趨勢，且硝態氮的含量呈先升高后下降的趨勢。趙明香等在對鉻脅迫下煙草氮代謝影響的實驗中也得到了相似的結果，除0.1～0.5毫克/升的低濃度鉻離子處理以外，在高濃度下煙草硝態氮含量均低于對照組。郭智等發現鎘處理條件下龍葵體內銨態氮質量分數變化規律與硝態氮有所不同，與硝態氮相比鎘脅迫下龍葵葉片銨態氮富集效應更明顯，龍葵葉片中銨態氮質量分數隨鎘處理濃度的升高逐漸升高，且隨時間延長繼續升高并在處理16天時到達峰值。

2.2.2 重金屬脅迫對植物氮代謝關鍵酶的影響 在短期鉛脅迫下，鳳眼蓮葉片的GS和GOGAT活性有所下降，當脅迫時間大于60天后，兩種酶的活性均有不同程度的應激上升。在另一項關于鉛脅迫下苦草氮代謝影響的研究中也有類似的結果，在低濃度鉛脅迫下，GS對鉛脅迫表現出了一定的適應和應激性，活性有所上升。另外，植物體內NR的活性也高于對照組。以上結果同樣表現在大豆、甘蔗、芝麻、玉米和豌豆、以及果樹品種八楞海棠和園林喬木紅椿、香樟。黃維以不同品種的中稻為研究對象，通過盆栽試驗，探討鎘脅迫對不同水稻品種幾種氮代謝關鍵酶活性和植株氮磷鉀養分積累及產量的差異性。結果表明，和鎘正常處理相比，鎘脅迫處理對NR的活性主要為抑制作用，對GS活性具一定的促進作用，但與品種關系密切。鎘脅迫對GOGAT活性的影響，促進與抑制基本各半，從時間規律上看，對GOGAT活性的影響在營養生長期促進作用明顯，進入生殖生長期主要表現為抑制作用。馮建鵬等也證明，鎘脅迫處理顯著抑制了黃瓜幼苗的NR、GS、GOGAT的活性，以上實驗結果與林新萍等研究鎘對苦瓜葉片氮代謝影響的結果相一致。

3 內生菌對植物生長發育及氮代謝的影響

經過多年針對植物內生菌的研究，已經可以確定其在植物微生態系統中的重要地位。它不僅可以直接分解營養物質促進植物的生長發育，還可以通過次生代謝產物對宿主植物產生促生作用以及調節植物的各種生理代謝過程。

3.1 內生菌對植物生長發育的影響

遲惠榮等研究發現，經內生貝萊斯芽胞桿菌菌液處理后的多花黃精植株根長、單株根數增加。郎宸用對比了內生菌處理的玉米，單株生物量、比葉質量、葉面積指數、株高、莖粗等均表現出了顯著的增加，并且這些生長性狀隨著生長期的進行而不斷增加，加菌與未加菌組的生長特性之間的差距也逐漸加大;玉米葉片的蛋白質含量、碳水化合物含量、葉綠素a和b的含量隨著生長期的進行，內生菌處理組的影響比對照組更為明顯;同時，內生菌處理的玉米碳、氮、磷和鉀等營養物質的積累和植物激素IAA、細胞分裂素的含量也遠高于對照組;內生菌處理還提高玉米穗粒數和穗粒質量。

楊鑫等研究發現內生菌YX-1對花生SOD、POD、CAT等保護酶活力有顯著提高。趙媛等從青海高山地區對葉紅景天中分離出24株內生菌，其中有12株具有抑菌活性。叢國強等研究發現接種內生真菌球毛殼ND35的冬小麥通過降低MDA的氧化性損傷以及增強POD酶的活性提高兩種冬小麥的抗旱性。仝瑞建等研究發現接種AM真菌則顯著緩解重金屬鉛對小麥的毒害作用，增加小麥根系活力、生物量，有效地促進了礦質元素和水分的吸收。龍洋使用內生菌澆灌黑麥草幼苗發現內生菌可以使黑麥草葉綠素含量、幼苗苗高、過氧化物酶活性增高，MDA含量和相對電導率下降，證明了內生菌可以減緩鉛對黑麥草幼苗的危害。

3.2 內生菌對植物氮代謝的影響

3.2.1 內生菌對植物氮素含量的影響 在內生菌-植物-脅迫體系中，內生菌可以促進硝酸鹽脅迫下植株幼苗的生長，提高植株幼苗對硝態氮的吸收，使氮代謝活性增強，銨的同化加快，從而避免了銨的毒害。Lyons等在研究葦狀羊茅內生真菌 （Neotyphodium coenophialum） 與高羊茅 （Festuca arundinacea） 共生時，發現內生真菌對感染植株的氮積累和氮代謝有顯著的增加。袁志林等用內生真菌B3感染水稻后發現，B3產生的多種游離氨基酸可以作為水稻合成激素類物質的前體，從而促進水稻的氮代謝。豆科植物是內生根瘤菌的最佳宿主，在土壤中缺乏氮素時內生菌可以提高宿主植物對氮的吸收，Upson等也發現內生菌能在宿主植物的根際周圍有機化氨基酸和多肽類物質，從而讓宿主植物的根際更好地利用它們作為氮源。除了將土壤中的氮素固定給宿主植物同化吸收之外，內生菌還可以固定大氣中的N2給植物吸收利用。更因為內生菌生活史遠遠短于其宿主植物，在其死亡崩解后釋放出體內的氮素也可供宿主植物逐漸吸收利用。劉桂青等發現內生菌菌處理的柳樹地上、地下部氮素養分積累量均比對照有明顯的增加。胡綿好等將固定化氮循環類內生菌與鳳眼蓮結合，發現鳳眼蓮體內氮固定含量顯著增加。植物內生菌能產生次生代謝產物自身合成或促進宿主植物產生多種植物激素（如IAA、GA、CTK、ABA等）、滲透調節物質（如脯氨酸、可溶性蛋白等）、維生素等有機物，促進植物氮代謝。Hurek等發現內生菌Azoarcus sp.能夠分泌生長素，促進植物發根增加根的表面積，提高植物對氮素和其他營養物質的攝入量。也有許多研究者發現，內生菌可以合成分泌VB1、VB6等，周德平等也發現內生菌感染蘭花后能產生VB6的前體PABA和VB1。

3.2.2 內生菌對植物氮素代謝關鍵酶的影響 Zhang等研究發現內生菌侵染宿主植物具有分泌固氮酶的能力，且不會引起宿主產生不良反應。寧帥然研究發現水稻內生放線菌可以在環境中缺少氮素時顯著提高水稻NR、GS、GOGAT的活性來促進氮素的同化以及循環代謝。被內生真菌F11侵染的甜菜，無論是在其根部還是在葉部，GS和NR的活性都有顯著的提升，從而可以促進甜菜氮代謝。Lyons等也發現內生菌的侵染可以提高高羊茅體內的GOGAT的活性，提高氨同化利用率促進氮代謝;關于內生菌提高植物GS活性的研究結果在水稻、玉米等作物中均有報道。Ouyang等使用內生固氮菌浸泡甘蔗種子后，發現甘蔗葉片NR活性明顯升高;甚至有研究者發現內生菌能直接分泌NR以促進宿主植物從土壤中固定氮素，促進氮循環。

4 展望

目前，植物內生菌已經被證明是一種可以有利于植物生長發育的新型微生物資源。現有的文獻報道多是從生理水平概述了內生菌對植物氮吸收和代謝的增強促進，內生菌對宿主植物氮代謝的影響除了涉及固氮和同化代謝外，也還可能與內生菌在體外條件下對氮素利用的機制有關。目前的研究尚停留在內生菌提高植物氮代謝關鍵酶活性的宏觀表現階段，未發現有報道對其內在機理作出詳細闡述。而且關于內生菌提高宿主植物的氮素利用率是由內生菌產生的酶的直接作用或是內生菌間接刺激宿主相關酶表達的間接作用現在也仍不可知。

而內生菌-植物-重金屬脅迫是個復雜的體系，內生菌可以將重金屬離子吸附到其菌體自身表面的化學功能團或功能蛋白，減輕對植物的毒害;也可以將透過細胞膜擴散到內生菌細胞內部的污染物包埋到細胞包囊中或通過細胞內的一系列結合蛋白沉淀、螯合重金屬，甚至可能通過細胞內部的氧化還原作用來減輕重金屬的毒害;分泌酶和有機酸等胞外物使金屬沉淀，減少其毒性。根據這些機制也有望找到更多的有益內生菌，不僅在植物保護中具有重要的作用，也可應用于植物修復和解決環境污染等領域。

基金資助：國家自然科學基金資助課題（31470398， 31600314，31270369）;沈陽師范大學大學生創新創業訓練計劃項目（201810166127）。

作者簡介：譚佳緣（1995-），女，研究生。研究方向： 生物化學與分子生物學。

通訊作者：李雪梅（1967-），女，博士，教授。研究方向：植物逆境生理。