植物内生菌及其应用研究

植物内生菌是一种新型的微生物资源,具有重大的研究意义和潜在的应用价值。本文从植物内生菌概念、起源、内生菌生物学功能及其应用等不同方面对植物内生菌在国内外的研究历史和现状进行了综述,以期更好的研究和了解植物内生菌。
关键词植物内生菌生物多样性活性物质应用

1833年,人们发现从小麦叶片中可长出一种性质不明的锈状物,经过研究得知,这种锈状物为真菌,即现在所说的锈菌夏孢子。而内生菌(Endophyte)一词真正的提出是在1866年由DeBary首先提出,它是指在健康植物寄主中度过全部或近乎全部生活周期而不使寄主表现任何症状的一类微生物(主为真菌和细菌),它生活在植物的各种组织和器官内部,是植物微生态系统中的天然组成成分。
内生菌长期生活在植物体内的特殊环境中,并与寄主协同进化,在演化过程中两者形成了互惠共生关系。一方面内生菌可从寄主中吸取营养供自己生长所需,另一方面内生菌在寄主的生长发育和系统演化过程中起重的作用。有资料显示,一些植物内生微生物与宿主发生关系时,可促进植物对恶劣环境的适应,加强系统的生态平衡,明显增强宿主的抗病性,提高植物的生产力。因此它的广泛的生物学作用及其在农业上的应用潜力已引起了人们的兴趣和关注,合理利用植物内生菌是有重的理论意义和实用价值。本文主综述了近年来内生菌在农业上应用的研究进展。
1、植物内生菌的起源与种类
自从1886年Bary提出内生菌概念以后的大约100年间,内生菌的研究进展缓慢。直到1993年,美国蒙大拿州立大学Strobel从短叶红豆杉的韧皮部分离到一株产新型抗癌物质紫杉醇的内生真菌,从而启发了人们可以从植物内生菌寻找植物产生的相同或相似的化合物,进而刺激了植物内生菌的研究。
关于内生菌的起源问题有着多种假说。大致分为三类有人认为内生菌是通过植物种子传递给植物的;有人认为内生菌最初可能是通过对植物细胞纤维素的降解,破坏植物细胞壁,从而进入植物体内;还有人认为有的根际菌可以通过植物侧根的裂缝进入植物当中,经过长期的协同进化,与植物建立了一种和谐的内生关系,成为内生菌。对于内生菌的起源还没有定论,笔者认为三种假说均有一定的道理,三种途径均可能是内生菌的起源方式。
植物内生菌为植物组织内的正常菌群,它分布广,种类多广泛分布于各种陆生及水生的低等植物和高等植物中,主包括内生真菌、内生细菌和内生放线菌等,几乎所有植物中都存在内生菌。
内生真菌广泛分布于各种陆生及水生植物,从低等的藻类植物、苔藓植物和蕨类植物到高等的裸子植物、被子植物,遍及整个植物界。最早的内生真菌是从禾本科植物中发现的,研究资料表明现已从上千种双子叶、单子叶植物,几百种禾本科植物中分离到内生真菌171属,涉及到子囊菌、担子菌、接合菌、卵菌、有丝分裂孢子真菌及其无孢菌类等真菌类群。其中子囊菌40属、担子菌3属、接合菌3属、卵菌3属,其余122属为有丝分裂孢子真菌。对于不同植物,其分离到的内生真菌数量不等,通常为数种至数十种,有的甚至多达数百种。用一般方法很容易从植物的各种组织分离到内生真菌,通常以植物的根部、叶鞘、种子内生真菌较多。
内生细菌在植物中的数量比内生真菌少得多,植物体内也广泛分布着内生细菌。自20世纪中叶起,国外就已经在多种植物中分离得到了不同种属的内生细菌。国内虽然起步较晚,但有人从番茄、棉花、辣椒、哈密瓜和水稻等不同种类的植物中分离得到多种内生细菌,主有以下几个属芽孢杆菌属、黄单孢菌属、假单孢菌属、欧文氏菌属及短小杆菌属,其中属于芽孢杆菌属的菌株数在多种植物中都为最多。研究结果显示,一般在植物根部与种子中内生细菌的含量比较高,而在茎和叶中相对较少。不同植物,有的根部最多,有的则种子中最多,然而也有一些从叶中分离到的内生细菌数会比根部多。马冠华、肖崇刚等人认为,内生细菌在同种植物不同部位的分布可能会受具体生长环境中的多种因素影响,例如一些地区常下酸雨,其叶片中的内生细菌数量将有可能随之而发生变化。
放线菌是产生生物活性物质最多的一类微生物。目前已知的放线菌至少有180个属,4000多种,大多数的内生放线菌大部分是丝状放线菌、链霉菌属,从放线菌发现的生物活性物质至少有11000多种,大家熟知的内生放线菌是弗兰克氏菌,它们至少能与14个科300多种非豆科植物共生。目前研究内生放线菌的植物已达上百种,涉及藻类、针叶树、灌木和草本等多个类群,其中研究较多的植物有牧草、棉花、小麦、高粱、水稻等。近些年来,从植物发现了大量的其它内生放线菌。
2、植物内生菌的生物学作用
虽然植物内生菌在植物体中的生物量很微少,但由于其特殊的生活环境决定了它对宿主植物具有广泛的、有益的生物学作用,主是通过自身的代谢产物或借助信号传导作用对宿主产生影响,因而可促进宿主植物对环境的适应,加强系统的生态平衡,这主表现在以下几个方面
2.1促进宿主植物生长的作用
植物体内存在有大量的内生菌可以促进植物的生长,其主表现在增加植物的株高和干重、增强植株的生长势、提高种子发芽率和幼苗存活率、增加分蘖生长和花序形成等方面。内生菌可以通过生物固氮和产生促进植物生长物质如植物生长素、赤霉素以及细胞分裂素等,直接促进植物生长。内生菌还也可以通过诱导寄主植物产生植物激素,通过增强植物对N、P等营养元素以及其他矿物质的吸收,或与病原菌竞争营养和空间或直接产生拮抗物质而抑制病原菌生长,还可以通过改变寄主植物对有害环境条件的敏感性等,从而间接促进植物生长。
植物内生菌对寄主植物生长促进作用,是受到植物体内环境以及体外的多种生物种群和各种因素影响的。同一种内生菌对不同寄主植物的作用是不同的,有的对某种植物有促进生长作用,而对另一种植物可能有抑制作用,而且即使是对同一种植物,在不同生育期的作用也不尽相同。
2.2增强宿主植物的抗逆性和抗病虫害的作用
近年来,一些研究表明内生菌能增强宿主植物抗逆性,而这种抗逆性的增强作用主表现在生物胁迫(如抵抗病虫害侵袭,阻抑昆虫和食草动物的采食等)和非生物胁迫(如抗高温、抗干旱、抗冷害、抗盐碱等)两方面,这就为生物农药的创制提供了新的思路,因而使得内生菌的研究愈来愈引起人们广泛的关注,并使之成为新的研究热点的一个重方面。Chen等用来自棉花的内生细菌回接棉花,可以减轻人工接种感染的棉花枯萎症状。Clay等发现侵染内生真菌的草遭受到真菌病害影响的程度远远低于没有感染内生菌的。傅正擎等用内生菌及其代谢产物与棉花黄萎病菌共培养的方式,证明内生菌可通过促生长作用来提高棉株的抗逆性。许多研究表明,内生菌感染的植物对植物害虫和土壤线虫也有一定的抗性,如草坪草内生真菌对其根茎及地上部分包括叶鞘上的害虫具有一定的抗性。
由于内生菌长期生活在宿主植物体内,其生存环境相对稳定,与宿主植物的相互关系十分复杂,研究者很难建立与内生菌生活相同或相似的环境模型,而直接在植物活体上研究内生菌的作用机理又难以开展,因而关于内生菌提高宿主植物抗逆性作用机制方面的研究报道较少。目前关于内生菌增强宿主植物抗逆性作用机制的研究结论多为推论性的或者是间接的。

3、植物内生菌的开发与应用
在深入研究植物内生菌的短短十几年间,人们发现植物内生菌具有多种生物学功能,能产生多种生物活性物质,且几乎存在于所有目前已研究过的植物中。由于内生菌分布于宿主植物组织内部,比暴露于外部环境的附生菌和腐生菌具有更稳定的生存环境,不易受外界环境条件的影响,且可促进植物生长发育、抵抗逆境和病虫侵袭等,是不可多得的天然生物资源,因此内生菌在农业和医药领域具有良好的研究潜力和广阔的应用开发前景。
(1)在农业方面
化学农药对植物病虫害的防治起到了重作用,但化学农药特异性差,持久性差,易造成生态失衡,还可造成土壤、水源污染等严重的环境问题。内生菌可增强寄主植物抗生物胁迫的能力,如增强寄主对害虫、病原菌和线虫等的抗性,因此内生菌可作为用于防治病虫害、杂草等。近年来,利用内生菌进行植物病虫害的生物防治越来越受到人们的重视,且已经有很多在国内外研究注册的商品制剂。施用植物内生菌生产的抗菌剂、抗虫剂及生长素对植物病害起到了很好的防治及促生作用。这样既减少了化学农药对环境的影响,又保证了农产品的品质。同时直接在植物中接种具有抗病虫作用的内生菌或利用目的基因做转化工程等,在农业生产中已开始利用并显示出巨大的应用潜力。
(2)在生物医药方面
天然药物的筛选已成为现今的一个研究热点,植物是天然药物的主来源之一。研究表明内生菌能够产生多种生物活性物质,因而有可能从中发现新的有活性的化合物,特别是在寻找新的抗癌、抗病基因及其物质方面,所以对植物内生菌进行研究和开发在医药卫生领域有重大的深远意义和现实应用价值。
目前已经发现多种内生菌能够产生抗癌物质。而内生菌产生抗癌药物紫杉醇就是很好的例子。1993年Stierle首次从短叶红豆杉中分离得到一株能合成抗癌物质——紫杉醇的内生真菌,这表明有的内生菌具有合成和宿主植物相同或相似的活性成分的能力。研究发现紫杉醇的抗癌机理不同于其他抗癌药,它能促进微管蛋白的聚合,抑制其解聚,抑制细胞的有丝分裂,它可用于晚期卵巢癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤的治疗。此后,国内外掀起了一场从药用植物中分离内生菌的热潮,近年来先后从数十种药用植物中也分离得到了内生菌,并从这些药用植物内生菌中分离得到了和宿主植物相同或相似的其它活性成分。
4、展望
植物内生菌的生境特殊性决定了其既有理论研究的广度和深度,又有多方面的应用潜力,是个潜力巨大、尚待开发的微生物新资源。尽管对内生菌的认识还处于起步阶段,但内生菌所发挥的重生理和生态作用已很多领域表现出来,并已逐渐成为国内外研究的热点。近二十年来,虽然在植物内生菌的入侵机理、系统学、生态学和资源开发方面开展了一系列研究工作,但是对很多问题还不是很清楚,缺乏全面系统的研究,而且绝大多数植物的内生菌还没有被研究。随着研究的深入,内生菌资源的开发潜力巨大,有广阔的应用前景。总而言之,植物内生菌是一类应用前景广阔的资源微生物。

参考文献
[1]郭良栋.内生真菌研究进展[J].菌物系统,2001,20(1)148-152.
[2]曹理想,周世宁.植物内生放线菌研究[J].微生物学通报,2004,31(4)93-96.