植物內(nèi)生菌對植物生長的影響研究進(jìn)展

丁紹武 張鵬 劉夢銘

摘要? ? 本文介紹了植物內(nèi)生菌的種類，闡述了植物內(nèi)生菌與宿主的關(guān)系，分析了生物防治劑（ZNC）對植物生長的促進(jìn)作用，以期為植物內(nèi)生菌的研究和利用提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 植物內(nèi)生菌;植物生長;生物防治劑

中圖分類號? ? Q93? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）11-0132-03? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

1? ? 植物內(nèi)生菌的來源

植物內(nèi)生菌主要有以下3種傳播方式。一是垂直傳播。同種植物之間通過種子進(jìn)行傳播。二是水平傳播。即外界微生物通過植物細(xì)胞纖維素的降解進(jìn)入到宿主植物細(xì)胞內(nèi)的傳播途徑，該傳播途徑是最常見的傳播方式。三是植物內(nèi)生菌可以通過植物根部的裂縫傳播到植物內(nèi)部，植物細(xì)胞與內(nèi)生菌之間互惠互利，合作共生，共同進(jìn)化，從而提高植物的抗逆能力[1-4]。內(nèi)生菌可以通過植物內(nèi)部的纖維素提供自身生長的碳源，通過對植物表皮和細(xì)胞壁的分解進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部也證實(shí)了很多內(nèi)生菌將纖維素作為生長的唯一碳源。此外，還有研究表明，在長期協(xié)同進(jìn)化過程中，植物通過不斷進(jìn)化篩選保留了一些內(nèi)生菌，這些內(nèi)生菌具有重要的功能，通過種子傳播，使后代獲得優(yōu)良性狀，提高植物的存活能力和抗病抗逆水平[5]。

2? ? 植物內(nèi)生菌的種類

植物內(nèi)生菌在大多植物中都有分布，植物內(nèi)生菌的種類多種多樣，主要包括內(nèi)生放線菌、內(nèi)生真菌、內(nèi)生細(xì)菌[6-7]。由于內(nèi)生真菌的種類多種多樣，其代謝物質(zhì)也大不相同。研究表明，很多內(nèi)生菌雖然在形態(tài)學(xué)上沒有較大差異，但是其內(nèi)生菌的遺傳型卻不盡相同[8-10]，從而豐富了內(nèi)生菌的多樣性。由于植物內(nèi)生菌對植物具有專一性，目前地球上已知植物種類超過25萬種[11]，由此推算，地球上內(nèi)生菌的種類應(yīng)該在100萬左右，然而目前記載的植物內(nèi)生菌尚不足1/10，植物內(nèi)生菌的研究任重而道遠(yuǎn)。

2.1? ? 內(nèi)生細(xì)菌

依據(jù)宿主植物和植物內(nèi)生細(xì)菌的關(guān)系，可以將植物內(nèi)生細(xì)菌分為專性內(nèi)生細(xì)菌和兼性內(nèi)生細(xì)菌。由于大多數(shù)內(nèi)生細(xì)菌既可以在植物根系和土壤中存活，也可以在不同植物體內(nèi)存活，所以很多內(nèi)生細(xì)菌屬于兼性內(nèi)生細(xì)菌。目前，在植物體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)逾120種內(nèi)生細(xì)菌，分別隸屬于54個屬[12]。這些內(nèi)生細(xì)菌大多為土壤微生物種類，除根瘤菌屬外，假單胞菌屬、歐文氏菌屬、泛菌屬、腸桿菌屬以及土壤桿菌屬等均為常見的屬[13]。

2.2? ? 內(nèi)生真菌

植物內(nèi)生真菌分布在目前已知的各種植物中，并且它們的類型、數(shù)量和在植物中的分布根據(jù)植物類型而變化。內(nèi)生真菌包括擔(dān)子菌、卵菌、子囊菌及無孢菌類[14]。大多數(shù)藥用植物內(nèi)都存在內(nèi)生真菌，而且有些內(nèi)生真菌在宿主科水平上具有專一性[15]。內(nèi)生菌能夠抑制多種病原菌生長，可用于防治植物真菌病害。

2.3? ? 內(nèi)生放線菌

植物的內(nèi)生菌均可產(chǎn)生具有生物活性的代謝物質(zhì)，其中內(nèi)生放線菌產(chǎn)生的活性代謝物尤為突出。與非豆科植物根部形成根瘤并具有固氮能力的弗蘭克氏菌是最早發(fā)現(xiàn)的植物內(nèi)生放線菌，也是被研究最多的菌[16]。近些年來，大量內(nèi)生放線菌在植物中被發(fā)現(xiàn)。此外，還有鏈霉菌、諾卡氏菌、諾卡氏菌、微單孢菌、微孢子蟲、北足孢子蟲、Kineosporia、除草孢菌、平小孢子蟲、黃體球菌、微月球菌等[17-18]。

3? ? 植物內(nèi)生菌與宿主的關(guān)系

3.1? ? 直接促進(jìn)宿主植物生長

根據(jù)植物內(nèi)生菌與植物的關(guān)系將植物內(nèi)生菌分為3類，對植物的生長發(fā)育具有促進(jìn)作用的一類有益內(nèi)生菌、抑制植物生長發(fā)育的有害內(nèi)生菌和與植物共生對植物生長沒有影響的中性內(nèi)生菌。內(nèi)生菌與宿主之間的關(guān)系會隨著根系環(huán)境、外界環(huán)境而發(fā)生變化。但是，總的來說，定殖于植物的內(nèi)生菌對宿主植物的細(xì)胞分裂、根系發(fā)育、幼苗生長和抗病性等具有促進(jìn)作用。此外，內(nèi)生菌還具有2種作用方式來促進(jìn)植物生長發(fā)育。間接促進(jìn)主要體現(xiàn)在提高植物對于各種病害和病原菌的抵抗能力。直接作用包括提高植物體內(nèi)生長素和分裂素的代謝，促進(jìn)植物對環(huán)境中有益物質(zhì)的吸收能力，還可以提高植物的固氮作用，產(chǎn)生鐵載體，提高植物對磷的溶解能力。

3.1.1? ? 提高磷、鉀元素利用率。因?yàn)榱姿猁}肥料易于形成磷酸鹽，所以施于土壤后難以被植物吸收和使用。同時(shí)，施入土壤中的鉀元素主要以含鉀礦物的鋁硅酸鹽形式存在，植物很難吸收，嚴(yán)重影響了肥料的利用率。植物內(nèi)生菌能提高植物對于營養(yǎng)元素的吸收，極大地提高肥料利用效率。此外，內(nèi)生菌在重金屬脅迫下，還可以通過改變植物根系環(huán)境的 pH 值，釋放胞外酸性磷酸酶，溶解磷酸鹽，螯合、離子交換、礦化有機(jī)磷，提高植物對于施入土壤肥料的吸收和利用，促進(jìn)植物生長。

3.1.2? ? 固氮作用。植物的固氮作用主要是指固氮生物利用空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨氣，供寄主植物吸收利用，為植物生長提供營養(yǎng)物質(zhì)。固氮微生物的種類主要包括自身具有固氮能力的固氮微生物、通過與植物共生而固氮的微生物和聯(lián)合固氮微生物。內(nèi)生固氮菌廣泛存在于玉米、小麥、甘蔗等非豆科植物中。內(nèi)生固氮菌對植物吸收氮素等營養(yǎng)成分有一定的促進(jìn)作用，還在植株的各個器官組織中廣泛定殖并逐步發(fā)展成為優(yōu)勢菌[19]。

3.1.3? ? 促進(jìn)鐵離子轉(zhuǎn)化。鐵是許多酶的組成部分，是大多數(shù)生物生長和發(fā)育必不可少的元素，諸如植物蒸騰和其他一系列酶促反應(yīng)等生理活動需要鐵的參與。鐵在自然界中的主要存在形式是三價(jià)的氧化物或氫氧化物的固態(tài)形式，由于形態(tài)穩(wěn)定，不易電離，故生物利用效率較低，進(jìn)而影響植物生長發(fā)育。微生物可以合成一些低分子量化合物，這些化合物主要被植物用來吸收鐵。該低分子量化合物稱為鐵載體。植物內(nèi)生細(xì)菌能夠產(chǎn)生被植物利用的鐵載體，該載體能夠提高植物對于鐵元素的吸收利用效率，通過與土壤中的其他微生物爭奪營養(yǎng)物質(zhì)而抑制有害微生物的生長和繁殖，達(dá)到生物防治的目的[20]。

3.1.4? ? 分泌植物生長調(diào)節(jié)激素。植物內(nèi)生菌通過調(diào)節(jié)植物的激素分泌調(diào)節(jié)植物內(nèi)部激素水平來促進(jìn)植物生長，提升植物的抗病抗逆能力。植物在不利的環(huán)境條件下生產(chǎn)乙烯，尤其是在重金屬脅迫的誘導(dǎo)下，乙烯會嚴(yán)重影響植物生長并抑制植物根系發(fā)育。但是部分內(nèi)生菌即使處于重金屬脅迫下仍能產(chǎn)生植物激素，內(nèi)生菌通過調(diào)控氨基環(huán)丙烷羧酸脫氨酶來抑制乙烯合成和降低乙烯濃度，降低重金屬脅迫環(huán)境對于植物生長的影響，促進(jìn)植物生長發(fā)育，促進(jìn)植物營養(yǎng)物質(zhì)積累，提高植物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用效率。植物內(nèi)生菌能夠促進(jìn)植物體內(nèi)生長素、細(xì)胞分裂素及赤霉素等激素的分泌。生長素能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的生長和伸長，能夠顯著促進(jìn)植物生長。細(xì)胞分裂素能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和生長，特別是促進(jìn)植物根系細(xì)胞的分裂，提高植物對于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。

3.1.5? ? 抗逆作用。微生物在生長過程中阻礙其他微生物的生長，或者殺死其他微生物的現(xiàn)象被稱為拮抗作用。拮抗作用主要包括重寄生、抗生、競爭作用。微生物之間的相互毒害作用被稱為是抗生。植物病原菌被其他生物通過各種作用寄生的作用為重寄生作用。微生物之間爭奪生長的空間、營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣等生存的物質(zhì)被稱為微生物的競爭。研究表明，植物內(nèi)生細(xì)菌具有提高植物重金屬抗性的作用、增加其吸收重金屬的潛力[21]，促進(jìn)植物對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高肥料利用率，增強(qiáng)植物的抗病抗逆能力，促進(jìn)植物生長發(fā)育。

3.2? ? 間接促生作用

內(nèi)生菌間接促進(jìn)植物生長的方式有影響植物的光合作用、調(diào)節(jié)植物體內(nèi)抗氧化酶的濃度和活性、調(diào)整宿主植物的滲透壓等。內(nèi)生菌在與植物互利共生的過程中，會產(chǎn)生非專一性毒害物質(zhì)，會對破壞宿主植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、影響植物生理功能以及對其敏感的非寄主生物造成毒害，從而促進(jìn)其宿主生長或是獲取有利的生長空間和營養(yǎng)物質(zhì)[22]。

3.3? ? 促進(jìn)宿主植物次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生

研究發(fā)現(xiàn)，有的植物內(nèi)生菌能生成與宿主植物相同或相似的次生代謝產(chǎn)物，如從短葉紅豆杉中分離得到能合成抗癌物質(zhì)紫杉醇的紫杉霉屬內(nèi)生菌。隨后一些能分泌長春花堿、鳶尾堿、紫杉烷類化合物的菌株陸續(xù)從長春花、鳶尾、南方紅豆杉等植物中分離得到[23]。近年來，已從植物內(nèi)生菌中分離出有機(jī)酸、生物堿類、萜類、甾體、肽類、酮類和醌類等活性產(chǎn)物[23]。由于內(nèi)生菌和宿主植物在基因?qū)用娴淖兓a(chǎn)生了信息傳導(dǎo)通路，導(dǎo)致其與宿主產(chǎn)生相同或相似的次生代謝產(chǎn)物。

4? ? 生物防治劑（ZNC）對植物生長的促進(jìn)作用

目前在我國廣泛應(yīng)用的是從內(nèi)生真菌中提取的一種生物防治劑ZhiNengCong（ZNC）。它既能促進(jìn)植物對于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，還能提高植物的抗病抗逆能力。但是該物質(zhì)促進(jìn)植物生長的作用機(jī)制尚不明確，其濃度對于其作用效果的影響也不明確。因此，在某種程度上影響了該產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。路沖沖等[24]以擬南芥作為模型，研究它與ZNC的相互作用。結(jié)果表明，ZNC在低濃度下具有超高的促進(jìn)植物生長的活性;而高濃度ZNC卻使植物產(chǎn)生了防御反應(yīng)，影響了植物生長，包括活性氧的積累、愈傷組織的沉積以及致病相關(guān)基因的表達(dá)。ZNC介導(dǎo)的防御反應(yīng)需要水楊酸的生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。此外，轉(zhuǎn)錄組分析顯示，ZNC增強(qiáng)了氮（N）和磷（P）營養(yǎng)吸收相關(guān)基因和生長素生物合成基因的表達(dá)。隨后試驗(yàn)也表明，ZNC促進(jìn)了植物N和P的積累，促進(jìn)了根尖生長素的生物合成，這可以解釋ZNC促進(jìn)植物生長的活性。這些結(jié)果將有助于優(yōu)化ZNC在作物生物防治中的應(yīng)用。此外，低濃度的ZNC（1～10 ng/mL）促進(jìn)植物根伸長和生物量積累，表明ZNC在促進(jìn)植物生長方面具有與生長素或其類似物相似的功能。ZNC的有效濃度低于1 ng/mL，甚至低于生長素或其類似物的濃度。殼聚糖能夠促進(jìn)植物細(xì)胞伸長和分裂，但其有效濃度為0.5‰（w/v），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZNC（10 ng/mL=0.000 01‰（w/v））。因此，ZNC可能含有新的和超高活性物質(zhì)，以促進(jìn)植物生長和抗病性提高，應(yīng)進(jìn)一步研究ZNC。

綜上所述，ZNC在促進(jìn)植物生長方面具有超高的活性，并且是誘導(dǎo)抗病性的誘導(dǎo)劑。在促進(jìn)植物生長方面，ZNC誘導(dǎo)生長素生物合成相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致根尖生長素水平升高。同時(shí)，ZNC還促進(jìn)了一些轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)N和P的吸收;在誘導(dǎo)防御反應(yīng)中，ZNC促進(jìn)了SA生物合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，而ZNC介導(dǎo)的防御反應(yīng)需要SA-生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。該研究優(yōu)化了ZNC在提高植物的抗病能力和促進(jìn)作物生長中的應(yīng)用。

5? ? 展望

植物內(nèi)生菌在促進(jìn)植物生長、提高植物抗逆能力方面表現(xiàn)出巨大潛力，具有重要的醫(yī)藥應(yīng)用潛力，植物內(nèi)生菌的研究和開發(fā)具有廣闊的前景。從特殊的植物內(nèi)生菌體內(nèi)提取的次生代謝產(chǎn)物具有抗菌、促生長、抗病毒、抗氧化等很多功能，提取出的新型化合物解決了自然資源不足、促進(jìn)了新型藥物的開發(fā)和研制。同時(shí)，植物內(nèi)生菌通過生物固氮、調(diào)節(jié)植物激素等作用促進(jìn)宿主植物的生長和產(chǎn)量增加，有利于病蟲害生物防治、污染土壤的生物修復(fù)，有利于減少化肥和化學(xué)藥劑的使用，有利于促進(jìn)全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。然而，相比發(fā)達(dá)國家，我國在植物內(nèi)生菌方面的研究和應(yīng)用還有一定的差距，尤其在植物內(nèi)生菌的作用機(jī)制和應(yīng)用技術(shù)方面還需進(jìn)一步探討。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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作者簡介? ?丁紹武（1970-），男，山東青島人，農(nóng)藝師。研究方向：植物保護(hù)。

收稿日期? ?2020-02-26