植物種子內生菌及其應用前景的研究進展

陳柯璇，李海燕

（昆明理工大學醫學院，云南 昆明 650500）

當前，普遍認為植物內生菌是一類微生物，包括細菌，真菌，放線菌和藻類，它們定植在植物的組織或器官內部度過整個生命周期但不會引起宿主植物任何疾病癥狀［1-2］。種子作為植物的重要繁殖器官，是多種有益菌的載體，能夠通過垂直傳播的方式將有益菌代代相傳［3］。種子內生菌作為第一個定植在新幼苗體內的微生物群，對于宿主植物來說具有重要的生態學意義，目前針對種子內生菌對植物生長發育影響及應用前景的研究較少［4-5］。

本研究將對內生菌與種子的關系及其傳播方式以及在農業生產、環境保護、生物醫藥、作為外源基因載體等方面應用前景進行總結，旨在為種子內生菌的應用提供新思路，對下一步研究方向予以展望。

1 內生菌與種子的關系及其傳播方式

1.1 內生菌與種子的關系

內生菌是植物微生態系統中必不可少的組成部分，生活于植物組織內，與宿主形成緊密的共生關系，從宿主植物中獲取營養和庇護，進而通過各種機制促進宿主植物生長，抑制病害［2，6］。種子內一旦建立微生物群，這些微生物就可以在種子萌發期間自然轉移到幼苗，促進幼苗生長［7］。種子內生菌必須具有高效的運動性和進入種子并在種子中生存的能力［8］。

1.2 內生菌的傳播方式

種子內生菌有不同的植入方式。Maude等人［9］認識到，內生菌進入種子主要是通過親本植物中的維管束或木質部組織經開花后的柱頭進入。Truy?ens等人［10］討論了內生菌進入種子的三種主要方式：（1）利用維管組織從親本植物傳遞到種子胚乳；（2）通過配子直接傳遞到胚乳；（3）從成熟果實直接垂直傳播。

內生菌的傳播方式很重要，它決定了傳播的效率［11］。研究表明，許多內生菌的垂直傳播率大于90%［12］。顯然，垂直傳播是更廣泛和有意義的，因為它能夠為植物世代生長提供一個從親本植物選擇性傳遞有益內生菌的機會［13-14］。Walitang等人［15］在不同地點的雜交或近親繁殖后的水稻種子中發現了相似的內生菌種群，表明內生菌能夠跨世代、跨環境傳播。Anderson發現帶有綠色熒光蛋白（Green fluorescent protein，gfp）標記的種子成團泛菌（Pantoea agglomerans）能夠向幼苗傳播，證明了桉樹種子內生菌的垂直傳播［16］。

2 應用前景

種子內生菌是建立植物內生菌群的基礎，能為宿主植物的生長發育和植物保護提供許多益處，可以賦予宿主植物抗草食性［17］、害蟲抗性［18］、增加耐旱性［19］、抗病性［18］、強化微量營養素［20］、抗鹽脅迫［21］和提高對重金屬脅迫的耐受性［19］。不同的研究者對內生菌分泌的天然化合物進行了詳細的研究，這些化合物屬于生物堿類、萜類、類黃酮類、甾類聚酮類等多種化學基團，具有抗菌、抗瘧、抗癌、殺蟲等多種生物活性［22-25］。

2.1 農業生產方面

2.1.1 促進種子萌發

在種子萌發過程中，內生菌可以直接或間接地促進植物生長［26］。伴隨植物種子萌發，會出現乙烯釋放高峰，在幼苗出土后如果仍有大量乙烯產生就會抑制幼苗生長。此時內生菌產生的1-氨基環丙烷-1-羧基（1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic Ac?id，ACC）脫氨酶就可以降低乙烯產生量，促進幼苗生長［27］。枝孢霉菌（Cladosporium cladosporioides）是堿蓬的種子內生真菌，它表現出促進種子萌發和植物生長的特性［28］。藜麥種子內生菌對宿主細胞增殖有積極的促進作用，從而支持宿主的快速萌發［29］。

2.1.2 促進植物生長

內生菌直接促進植物生長的機制包括固氮作用、養分動員（如通過產生有機酸和鐵載體促進植物對磷和鐵的吸收）、產生植物激素（如生長素、吲哚-3-乙酸、ACC脫氨酶）。間接促進植物生長的機制包括通過競爭空間和養分、拮抗、水解酶的分泌、抑制毒素和誘導植物產生防御機制來抑制植物病原菌的活性［2，30-33］。瓜類的種子內生菌有33%的菌株能夠產生吲哚-3-乙酸，可促進宿主植物對營養物質的獲取［34］。水芹種子內生菌可以通過提高礦物質養分利用率和誘導植物激素的產生來促進植物生長［35］。松樹種子內生菌能夠通過產生有機酸來釋放巖石粉末中的無機營養物質［20］。

2.1.3 抗植物病原體

種子內生菌可以保護宿主植物抵抗各種病原體［36］。矢車菊內生菌布勒擲孢酵母（Bullera）能夠產生苦參堿，保護宿主植物免受病蟲害侵擾［37］。玉米種子內生菌芽孢桿菌（Bacillus）能產生揮發性物質抑制玉米大斑病菌、水稻紋枯病菌等多種病原菌菌絲的生長［18］。解淀粉芽孢桿菌（Bacillusamylolique?faciens）產生的芽孢桿菌脂肽被認為是用于植物病害生防的通用武器，它們作為“拮抗劑”通過對細胞膜的破壞或增溶來抑制許多植物病原體的生長［38］。

2.1.4 抗逆作用

土壤干旱、鹽堿化、重金屬污染等不良環境都是影響農業生產的重要因素。一些種子內生菌可以提高宿主植物對重金屬的耐受性，并幫助宿主植物從不正常的土壤中獲取無機養分［20］。藤黃微球菌（Micrococcusluteus）能夠表達海藻糖磷酸酶和磷脂酶D，從而增加植物的耐鹽性和耐旱性［21］。仙人掌種子內生菌能夠遷移到根部，在貧瘠巖石上參與巖石礦物質轉化［20］。從生長在鉛鋅污染地超富集植物小花南芥中分離出來的內生真菌FXZ2，能夠提高宿主植物的抗逆性和增加其對重金屬（鉛、鋅和鎘）的耐受性［19］。

2.2 環境保護方面

目前，工農業來源的有害污染物對人類健康有很大影響并造成生態失衡。植物與內生菌共生共進化策略是針對重金屬污染、土壤污染等環境條件，通過內生菌輔助植物修復過程來實現的。植物修復（植物的代謝系統從環境中提取有毒化學物質、重金屬和污染物的過程），植物提取（植物從土壤或水中去除重金屬或有毒化合物）、植物穩定（植物固定金屬和降低不同營養水平污染物的生物有效性）、生物積累（積累或吸收有機和無機污染物、根際過濾和揮發物的蒸散），這一系列操作都是在內生菌輔助下完成的［39-41］。內生菌可以通過金屬抗性或螯合途徑減輕污染物的植物毒性［42］，并通過釋放金屬螯合劑（例如鐵載體、生物表面活性劑和有機酸）提高重金屬的植物利用率、土壤酸化、氧化還原活性和磷酸鹽溶解［43］。禾草細弱剪股穎（Agrostis capillaris）種子內生菌芽孢桿菌（Bacillussp.）以及泛菌（Pantoeasp.）具有增磷、耐鎘、生產鐵載體的能力，有利于植物提取和植物穩定［44］。拉烏爾菌（Raoultellasp.）通過離子交換攝取土壤中的鎘，修復重金屬污染的土壤［39］。種子內生菌隱球菌（Crypto?coccussp.）可以提高宿主甘藍在多金屬污染的土壤中對重金屬鎘、鉛、鋅的植物萃取率，以降低土壤中重金屬的含量［45］。內生菌（Phomopsisiquidambaria）能有效降解宿主重陽木中的多環芳烴，達到對有機污染物的植物修復的目的［46］。

2.3 生物醫藥方面

美國食品藥品監督管理局（Food and drug ad?ministration，FDA）有報告顯示，在從天然產物中發現的38%藥物中，微生物貢獻了約25%［47］。植物內生菌主要從直接分泌醫用代謝產物和促進宿主植物產生醫用代謝產物的形成和積累兩方面在生物醫藥方面發揮作用。研究表明植物內生菌代謝產物有抗腫瘤、抗菌，抗病毒等作用［48］。紅樹根中的嗜冷桿菌（Psychrobacter）代謝產物具有抗真菌病原體的活性，是潛在的醫藥抗生素來源［49］。從雷公藤中分離到的內生菌能產生一種新型環肽抗生素，對癬菌及白色念珠菌等人類病原真菌具有強烈抑殺作用［50］。鐮刀菌（Fusariumsp.）的幾種代謝物可用于癌癥、瘧疾、神經、心血管疾病和自身免疫性疾病等疾病有效治療藥物的開發［48］。Stierle等人從短葉紅豆杉內生菌安德列亞霉（Taxomycesandreanae）的次生代謝產物中發現了著名的抗癌化合物紫杉醇［51］。黃花蒿內生膠孢炭疽菌（Colletotrichum gloeo?sporioides）可促進宿主植物產生抗瘧藥青蒿素［52］。紅花風車子內生菌耐輻射甲氧半乳桿菌（Methylo?bacterium radiotolerans）可以與宿主植物有共同的次生代謝產物生物合成途徑，這些產物包括黃酮類化合物和生物堿［53］，黃酮類化合物具有抗菌、抗癌、抗炎、抗過敏、抗氧化和抗病毒特性［54］。

2.4 作為外源基因載體

利用有益內生菌進行基因組學輔助育種可用于農作物改良［3］。目前，已經有人以內生菌為受體轉入抗病或抗蟲基因，再將其引入植物體內，使植物起到與防病殺蟲轉基因植物相同或類似的作用。研究者將抗病chiA基因轉入從蘋果苗中分離出的內生菌內，再將其接種到豆苗中，可以防治豆苗病原真菌棉花立枯菌（Rhizoctomia solani）。在甘蔗內生菌中轉入抗蟲基因cry 1AC，再回接甘蔗，可以防治甘蔗莖螟［50］。

3 展望

種子的垂直傳播是植物獲得有益內生菌的重要途徑，通過生物技術的應用了解種子內生菌群落組成和影響群落的因素有助于提高種子質量、促進重要農業作物的生長［55］。目前，種子內生微生物群落組成仍不十分清楚，在此背景下，使用PacBio單分子實時測序技術（Single molecule real-time，SMRT）中 的16S核蛋白 體RNA（16S ribosomal RNA，16SrRNA）擴增子測序方法對種子內生菌進行全基因組測序，可以觀察其在種水平上的組成特點，有助于深入挖掘種子內生菌的菌群結構，完善內生菌基因組數據資源，尋找不同脅迫環境下種子內生菌之間的差異菌種，在此基礎上結合蛋白質組、轉錄組和代謝組學方法可以對植物內生菌-種子-幼苗相互作用的機制提供詳細的解釋，進一步預測內生菌群的多樣性、群落組成及其在種子萌發和幼苗發育中的潛在作用，為下一步將種子內生菌相關研究應用在促進植物生長及抗逆、生物醫藥、環境保護等方面提供重要的前期積累和理論參考。