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试述基于生物学效应研究植物内生细菌的发展

2020-04-22 204 上传者：管理员

关键词：
植物内生菌
生物学效应
研究进展
禾本科植物
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植物学研究初期，人类对植物组织关注较少，但是随着科学技术的进步，越来越多的微生物从植物的根、茎、叶中分离出来，且大多数为细菌，人们开始深入考虑这些微生物与植物之间的关系。1886年德国科学家提出了植物内生菌（Endophyte）一词并开始进行研究［1］，Kloepper和Beauchamp（1992）首次提出了植物内生细菌（Endophyticbacteria）的概念，认为植物内生细菌是可以定殖在健康的植物组织内部，并且能够与植物本身呈和谐共处的关系［2］。最初了解到的植物内生细菌来源于禾本科植物牧草内部，随着对植物内生细菌扩大了研究方向，由专一的牧草植物转向研究多种植物组织的内生细菌，对植物内生细菌的浸染途径以及生物学作用做了深入研究。目前从多种植物的不同器官均分离得到了植物内生细菌，并对其在植物体产生的影响做了进一步的研究。内生细菌通过一段时间或者长时间寄生在植物体内与寄主形成了一种和谐共处的关系，双方协同进化表现在内生细菌可以通过产生代谢产物如植物生长激素、赤霉素、细胞激动素或者提高作物的固氮能力进而影响植物的生长发育以及对植物病害的抗性，寄主植物为内生细菌提供所需的能量和营养，为其营造一个良好的微生物环境。

1、次生代谢产物

植物内生细菌在生长增殖的过程中会产生多种代谢产物，植物内生细菌的生物多样性也决定了其代谢物质的多样性［1］。植物内生细菌在生长增殖的过程中不仅能够跟寄主植物产生相同的化合物还能够产生一些次生代谢产物［3］，这些次生代谢产物包括生物碱类、醌类、酚类等，具有抗病虫害和促进植物生长的作用［4］。

1.1 产生植物激素

内生细菌本身产生或者协助寄主植物产生植物激素来促进植物的生长，不同的植物激素作用于植物不同的生长阶段，促进植物细胞的分裂、伸长、分化，进而促进植物根部的延伸和植株的生长（表1），如荧光假单胞菌产赤霉酸、青霉素，部分产吲哚乙酸、维生素，恶臭假单胞菌产吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乳酸、赤霉素等［5］。

表1植物内生细菌对寄主的促生作用

1.2 产生抗虫类物质

彭双等从草莓、番茄、黄瓜、辣椒、香蕉、柿子6种植物中分离筛选出13株对松材线虫具有较高杀线虫活性的植物内生细菌菌株，这些菌株的发酵上清液对松材线虫处理24h杀线虫率均达到了100%［13］。陶玲等在红树林内生放线菌I07A-01824的次级代谢产物中发现了具有超强杀线虫活性的不饱和脂肪酸5，8-二烯十四酸，并且在此菌株的次级产物中稳定存在［14］。李晓璐等研究得到内生菌麦角菌［Clavicepspurpurea（StF1）］和蜡样芽胞杆菌［Bacilluscereus（SeB3）］的发酵液粗提物对稻飞虱和稻纵卷叶螟致死率达85%以上，是不可多得的生物源杀虫剂［15］。曾丽琼等从马尾松内生细菌中筛选出6株对松材线虫具有杀线虫活性的细菌［16］。通过多年的研究已经确定植物内部可以稳定存在产生抗虫类物质的内生细菌，提高寄主植物的抗性。

1.3 产生抗癌类物质

内生细菌能够产生一些对人类疾病有抵抗作用的相关药物化学成分，某些次生代谢产物对引起细胞发生癌变的酶活具有抑制性，对人类医药研究提供了新方向。如从三尖杉、红豆杉、长春花和喜树4类药用植物的不同部位分离到的部分内生菌和发酵液，进行抗癌抗菌活性检测试验，结果显示，大部分的内生菌发酵液对癌细胞A549显示出较强的抗癌活性［17］。从猪苓菌核中也分离得到内生细菌的发酵液提取物，从而获得抗肺癌细胞系A549活性物质［18］。

2、固氮

大气中大约有80%氮气不能被植物直接利用，内生细菌通过固氮作用，把大气中植物利用不到的氮气转化为氨供植物利用［19-21］。固氮细菌依靠植物提供的能量在植物体内存活，固氮细菌通过固氮作用为寄主植物转化氮气供其利用，在这个共同生长进化的过程中，寄主植物依然占据主动地位。在初期，定殖在豆科植物根部的根瘤菌是重要的生物固氮研究方向，研究人员一方面想利用根瘤菌的根部定殖特性使其定殖在其它植物的根毛部位产生作用，另一方面，将根瘤菌中的固氮相关基因导入到其它植物产生作用。2种方法均具有一定的可行性，但同时存在相应弊端，将根瘤菌定殖在其它植物内部很可能会破坏植物本身的微生物环境，造成植物内环境紊乱；将固氮相关基因导入植物也有可能会破坏植物的代谢系统，植物将会消耗大量的能量进行固氮作用，影响植物其它需能途径。内生细菌自身的固氮作用则完全解决了这2个方面的疑虑，内生细菌主动进入寄主植物，而寄主植物也只需提供内生细菌生长所需的能量即可。

3、溶磷解钾

土壤中的钾含量很高，但是在植物的整个生长过程中很多都是无效钾，不能被植物所利用。植物内生细菌一方面可以改变土壤中的微生物环境，使土壤中的钾释放出来供植物使用，另一方面定殖在植物根部促进植物对钾元素的吸收。磷肥施入土壤，很容易形成难溶性的磷酸盐，植物内生细菌使这些难溶性的磷酸盐转化为可溶性磷酸盐，供植物吸收利用［22］。

4、提高重金属抗性

超积累植物一般只能在少类重金属存在的情况下产生抗性，植物内生细菌相对于超积累植物可以对多种重金属产生抗性［23］，根瘤菌土壤杆菌CCNWRS33-2耐重金属铅、铜、铬、锌的毒性，还可以富集重金属［24］。稻甲基杆菌株CBMB20（Methylobacte-riumoryzae）与伯克氏菌株CBMB40（Burkholderiasp）可降低镍、镉对番茄等其它植物的毒性，减少重金属吸收、并帮助重金属增加转移至茎叶中［25］。

5、生物防治

生物防治是一种生物抑制另一种生物。内生细菌在生物防治方面的作用被逐步挖掘，内生细菌的生物防治表现在（1）通过争夺病原菌增殖生长所需要的营养物质，破坏病菌的生长环境，进而抑制病原菌的生长甚至死亡，如假单胞菌株JKD-2和水稻内生放线菌OsiLf-2分泌铁载体抑制稻瘟病菌［26-27］；（2）通过产生具有拮抗活性的抑菌物质，如抗生素类、酶类等来抑制病原菌［28-29］。内生细菌大都是从植物体中分离得到，对植物有较好的亲和性，接种在植物上更容易被植物接收，可以长时间甚至永久定殖在植物内部发挥生防作用［30］。

5.1 产生铁载体

植物和病菌的生长都需要一定量的铁离子，由于地球的富氧环境铁以溶解度很低的氧化物形式存在，这种形式的铁很难被植物体直接吸收，而噬铁素的存在，通过合成分泌与3价铁离子有高特异螯合能力的小分子化合物［31］，使得铁离子被转移到植物体内，当植物把铁离子吸收到体内，减少了环境中铁离子的浓度，使得细菌缺乏铁离子进而死亡。杨合同等报道了荧光假单胞菌P32产生嗜铁素的特性，并且推测出了细菌对复合物中的铁的利用方式［32］。方涛等在海洋微生物铁载体的研究中指出了大约有5000多种细菌、酵母、真菌经研究发现能产生铁载体［33］，陈佳亮在烟草根际促生菌中也分离出来了能产生铁载体的促生菌株［34］，图1为铁载体类型［35-39］。

图1铁载体类型

5.2 产生抗菌活性物质

很多的植物内生细菌在生长增殖的过程中会产生多种代谢产物，一些次级代谢产物对人类的致病菌与植物病原菌有抑制作用［40］。何红等研究发现在1株辣椒中的内生枯草芽孢杆菌能够产生一种抗菌多肽，并且对多种植物致病菌均具有不同程度的抗菌活性［41］。邱服斌在人参根内分离到1株内生细菌，对其抑菌活性作进一步研究，确定其对尖孢镰刀菌、寄生疫霉菌、剑麻炭疽病菌、烟草赤星病菌、稻瘟病菌、人参立枯病菌、人参疫病菌和人参菌核病菌均有一定的抑菌活性［42］。另从大叶冬青的茎中分离得到芽孢杆菌ZZ185，在芽孢杆菌ZZ185的正丁醇提取物中得到芽孢菌霉素的混合物，对植物病原菌链格孢菌、稻纹枯病菌、栗疫病菌和疫霉菌等5种病原真菌有超强的抑制作用［43］。魏少鹏等在1株内生放线菌发酵产物中的活性成分分离得到了3种抗菌物质［44］。到目前为止，已经从藏红花［45］、木榄［46］、银杏［47］、网石莼［48］等多种植物内生细菌及其代谢产物中分离得到了生物碱、肽类化合物、酯类化合物、酮类化合物抗菌活性物质。

6、结语

从刚开始人类发现植物内生细菌到现在深入研究其结构及生物学作用，植物内生细菌在药学以及农业生态等方面的作用引起了不同程度的重视。我国植物种类繁多，每种植物都含有几种、甚至上百种的内生细菌。内生细菌的丰富造就了其被利用方向的多样性，但是很多内生细菌还处于未被发现的阶段，很多已知的内生细菌的作用机理也尚未清楚，内生细菌在植物内部发挥作用的阶段也有待进一步研究。因此未来对内生细菌的研究不仅要进一步探究内生细菌的作用机理，还要不断发现新的内生细菌，并找到内生细菌新的作用方向。

植物内生细菌除了部分来自植物体内自身，其它基本都是来源于大气土壤环境的微生物，它们通过不同方式进入多种植物组织内部，在长期进化的过程中，与寄主形成和谐友好的共处关系。因定殖在植株内部，生存环境与外界不同，所以植物内生细菌的代谢方式跟外界细菌有所不同［1］。

在倡导与大自然和谐相处的时代，植物内生菌的发现和应用合乎时代的需求，在农业方面减少了农药化肥的使用并且利用菌种特性制造了相应的生物菌肥，保护了土壤环境和大气环境；在药学方面，提供了抗病药物资源，植物内生细菌对于生态可持续发展以及疾病防治方面值得人们更加重视。

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