摘要植物內生菌近年來已成為微生物學領域研究的熱點,其潛在的可開發利用價值越來越受重視,尤其在對植物內生菌對宿主的作用關系方面已出現許多相關的成功報道。評述了植物內生菌的作用并作出展望,以期為內生菌的進一步開發探究提供參考。
關鍵詞植物內生菌;宿主;作用
植物內生細菌指其生活史的一定階段生活在活體植物組織內、又不引起植物明顯病害的微生物[1],廣泛分布于低等植物和高等植物中,常見的有假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、微桿菌屬(Microbacterium)以及土壤桿菌屬(Agrobacterium)等[2]。雖然內生細菌的概念自從1886年Bary提出至今已有100余年的時間,然而在這期間并沒引起相應的重視,研究進展緩慢,直到20世紀末期才受到微生物學家、植物學家和微生態學家以及作物學家的廣泛關注,成為植物微生物學學科發展的一次革命,目前內生細菌的研究已成為植物微生態學和微生物學學科交叉的新的生長點[3],也是我國當前微生物研究領域的熱點[4]。當前植物內生菌的研究無論從深度還是廣度上都有很大進展,特別是關于植物內生細菌的作用研究上更是日新月異。近年來,一些研究結果表明,內生細菌能夠作為外源基因的載體,又具有促進植物生長、抗逆境、抗病害、增加宿主植物的他感作用[5]以及對病蟲害的防治作用等[6]。
1植物內生菌的作用
1.1促進宿主植物生長
感染內生菌的植物一般具有比未感染植株生長快速的特點,人工接種某些內生菌還能提高植物的存活率,促進發芽[1]。已有相關報道內生菌的這種促植物生長作用可從2方面來理解:一方面,許多內生菌可產生生長素(IAA)、細胞激動素等植物生長激素,從黃花篙中分離到的1株內生真菌在發酵液中也能積累IAA;另一方面,內生菌可增進宿主植物對氮、磷等營養元素的吸收,禾本科農作物如水稻、甘蔗、玉米上的內生細菌具有很強的固氮能力。感染內生真菌的牧草對氮、磷的攝取能力也有所提高[7]。1991年Mcinroy等從玉米、棉花上分離到具有促進植物生長作用的內生細菌[8]。
1.2增加宿主植物的他感作用
他感作用(alleloparthy)的概念是德國學者H.Molisch于1937年提出的,他認為植物的他感作用就是一種植物通過向體外分泌代謝過程中的化學物質,對其他植物產生直接或間接的影響。他感作用是造成種類成分對群落的選擇性以及某種植物的出現引起另一類消退的主要原因之一。植物內生菌增加宿主的他感作用方面的報道較少,但隨著研究的深入也出現了一些成功的例子,有研究稱牧草內生菌產生的一種毒麥堿對鄰近植物有較強的他感作用。感染內生細菌的紅花車軸草(TrIfOLI-um pratense)也具有抑制玉米生長的他感作用,植物內生菌的作用使其在菌—植物—動物—環境生態系統中扮演著重要角色。已發現在牧草中由于內生真菌的存在增加了其生存競爭能力,以至在一定范圍內感染內生菌的牧草連年蔓延,使得其他植物不能生長。在木本植物中,也已發現由于內生菌的感染,使得害蟲對該植物的取食頻率大為降低。Wilson和Carroll還發現內生真菌的存在可以減少蟲瘤的形成[9]。
1.3抗病原菌作用
病原菌對作物的危害是非常大的,以小麥為例,小麥全蝕病,又叫立枯病,為全世界植物檢疫對象。目前我國云南、四川、江蘇、浙江、河北、山東、內蒙古、河南等20個省(區)已有發生,一旦傳入,蔓延迅速,不易根除。發病田輕者減產10%～20%,重者減產50%以上,甚至絕收。另外,小麥葉枯病在陜西、甘肅、青海、河南以及長江中、下游各冬春麥區也有不同程度發生,嚴重發生時葉片黃枯,不能正常灌漿結實,千粒重下降。小麥紋枯病的分布也很廣泛,我國長江流域和黃淮平原均有發生。近年來在華北冬麥區發生嚴重,重病田在小麥抽穗前后,大量病株死亡,未死的病株,灌漿不滿,千粒重顯著下降[10]。以上這些小麥的病害均由不同的病原菌引起,對我國的農業豐收造成極大地危害,傳統的農藥防治方法不僅效果差、成本高,而且污染環境,因此植物內生菌的抗病原菌作用就顯得異常重要,已成為生防研究的熱點。許多研究證明,健康植物體內存在的大量內生細菌是植物病害生物防治的潛在資源菌,王剛等[9]已在小麥作物體內分離篩選到對病原菌具有拮抗作用的內生細菌,另外,從玉米中分離到的內生菌Enterobacter cloaceae,與玉米拌種,也能有效防治玉米病害[1]。
1.4增加宿主抗蟲害的潛力
內生菌還具有增強宿主對各種其他生物如線蟲、昆蟲及哺乳動物的抗性,保護宿主免受危害的潛力。孫民武等用電擊穿孔法將蘇云金芽孢桿菌的毒蛋白基因轉入到增產菌中的野生型枯草芽孢桿菌(Bacillus subilis 90-8)、蠟狀芽孢桿菌(B.brevis A-5)中,構建成穩定表達的Bt增產菌,與飼料混合后飼喂煙青蟲,殺蟲率可達90%以上[7],如果能將這些具有抗蟲害作用的內生菌成功應用于農作抗蟲害物上,對農作物的增產增收以及環境保護都是非常有意義的。因此,內生菌抗蟲害的開發潛力也是巨大的。
1.5增加宿主對環境脅迫的抗性
植物內生菌增強宿主的抗逆性主要體現在增強宿主對環境脅迫的抗性以及耐受性方面,近年來此方面報道最多的就是對牧草內生菌的研究,感染內生菌的牧草對環境脅迫如干旱以及鋁的毒害等具有強抗性。祁娟[11]等已從苜蓿種子中篩選出具有分泌酸、抗鹽、高低溫耐受能力的內生根瘤菌,并且對分離出的內生菌進行評價,對干旱半干旱地區的鹽堿化土壤的改良以及畜牧業的發展有著極其重要的意義。
2結語
目前有關植物內生細菌的研究主要涉及兩方面的內容:一是生態學研究。內生細菌是植物微生態系統中的正常群落;二是植物病理學研究。內生細菌是否屬于植物病害感染源。兩者各有側重[12],通常研究植物內生細菌的方法是采用微生物生態學和植物病理學的方法。近年來,對植物內生細菌的研究又出現了2個新的發展態勢: 非培養(culture-independent)方法應用于植物內生細菌的研究和植物內生細菌與宿主的相互作用顯現出一定的“和諧聯合”關系[13]。筆者認為,無論如何開發植物內生菌為人類所用,首要問題還是要弄清內生菌對宿主所起的作用以及作用機理。
雖然關于植物內生菌的研究較多,但成功應用于生產實踐的例子很少,姜怡等[1]認為從內生菌開發生物活性物質是目前研究的主流,臨床上治療腫瘤的良好藥物紫杉醇的研究就是一個很好的例子,已有相關研究人員從一些內生真菌中分離出了一系列的抗腫瘤活性物質;而王剛等[9]從小麥中分離到的對小麥病菌具有拮抗作用的內生菌,對小麥病害的防治研究有著重要的意義。總之,植物內生菌的研究開發無論對醫學應用,還是農業發展以及環境保護都具有不可估量的價值,對植物內生細菌的進一步深入研究勢在必行。