内生菌对植物抗盐碱性的影响.doc

内生菌对植物抗盐碱性的影响基金资助：国家自然科学基金资助课题（31070285），沈阳师范大学实验中心主任基金（SY201102，Sy201104），沈阳师范大学大学生课题资助。作者简介: 李娇(1988-).辽宁盘锦人.女. 硕士研究生.研究方向: 生物化学与分子生物学。通讯作者: 李雪梅(1967-).河北三河.博士.教授. 研究方向: 植物逆境生理; E-mail:。李 娇1, 张宝龙1，赵颖1，辛士刚2，陈强2，宋宁宁1，李雪梅1（1.沈阳师范大学 化学与生命科学学院,辽宁 沈阳 110034; 沈阳师范大学 实验中心,辽宁 沈阳 110034）摘要：土壤盐碱化是制约我国农作物产量的主要因素之一。如何增强农作物的抗盐碱特性，已成为我国农业持续高效发展的重大课题。植物内生菌存在于植物内部，数量庞大，在增强植物抗病、抗虫、抗旱等胁迫能力方面具有一定作用。内生菌与植物共生关系对植物的显著影响这一现象引起了国内外学者的广泛关注。本文主要综述了植物内生菌的多样性，并从植物的ROS清除系统、细胞中渗透调节物质、矿质元素吸收以及光合作用等方面来说明内生菌对植物耐盐碱能力的影响。 关键词：内生菌 盐碱胁迫 抗性 植物 0 引言19世纪中叶，De Bary为了将生活在植物组织内部的微生物与那些生长在植物表面的表生菌（epiphyte）相区别，首先提取了内生菌(endophyte)的概念1。但直到20世纪90年代，Stierle等2从短叶红豆杉韧皮部分离到一株产紫杉醇的内生真菌，人们对植物内生菌的研究才广泛开展起来。植物内生菌(endophyte)是指那些将其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物各种组织和器官内部，又不会引起植物明显病害的一类微生物2。植物内生菌具有丰富的生物多样性，目前地球上有近300000种植物体内都存在着一种或多种内生菌，根据植物的生长环境不同，预计可能有多达100万种不同的植物内生菌存在3。然而如此庞大的微生物类群，至今已被研究过的种类不到154。在大多数情况下，内生菌与植物之间是互惠共生的，一方面内生菌通过植物体获得营养物质、庇护和传播，另一方面寄生的内生菌可能通过产生大量的生物活性物质或借助于信号转导对宿主植物提供保护，增强植物抗病、抗虫、抗干旱胁迫等能力3。内生菌与植物共生关系对植物的显著影响这一现象引起了国内外学者的广泛关注。随着人们大量使用化肥，我国土壤盐碱化程度不断加剧，预计到2050年，将有超过50的耕地会变得盐碱化5，土壤盐碱化是制约我国农作物产量的主要因素之一。如何增强农作物的抗盐碱特性，已成为我国农业持续高效发展的重大课题，植物内生菌的研究有望为提高植物的抗盐碱特性提供新的思路，因此人们在内生真菌对宿主植物抗盐碱特性的增益方面日益关注6，本文简要讨论植物内生菌是如何增强植物的抗盐碱胁迫能力的。1 植物内生菌的多样性植物内生菌具有丰富的生物多样性，目前地球上有近300000种植物体内都存在着一种或多种内生菌，根据植寄主植物种类的多样性，预计可能有多达100万种不同的植物内生菌存在3；研究发现内生菌在植物体内分布广泛，系统地存在于植物的根、茎、叶、花、果实和种子等器官、组织的细胞或细胞间隙中1；内生菌自身种类也多样，主要包括内生细菌、内生真菌和内生放线菌7。1.1 内生细菌根据植物与内生细菌的关系可以将内生细菌分为专性内生细菌(Obligate endophytic bacteria)和兼性内生细菌(Facultative endophytic bacteria)。大多数内生细菌属于兼性内生细菌，它们既可以在植物体内存活也可以在根际或土壤中存活。目前在各种植物中发现的内生细菌已超过129种，分属于54个属8。这些内生细菌多为土壤微生物种类，其中常见的属有假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterobacter)以及土壤杆菌属(Agrobacterium)等，同时有很多新种被发现 1。1.2 内生真菌内生真菌菌丝在宿主植物的叶鞘和种子中含量最多，而叶片和根中含量极少1。目前，已在80多属的290多种禾本科植物中发现了与之共生的内生真菌， 100多个属，200多种非禾本科植物有过内生真菌的报道9。植物内生真菌在分类地位上大多数属于子囊菌类(Ascomycota)及其无性型，包括核菌纲(Pyrenomycetes)、盘菌纲(Discomycetes)和腔菌纲(Loculoascomycetes)的许多种类以及它们的一些衍生菌1。1.3 内生放线菌内生放线菌绝大部分是从植物的根部和叶片中分离到的10。目前已被描述的放线菌至少有180个属，4000多种11。内生放线菌在红树林、热带多年生树木及一些药用作物中研究较多，主要为弗兰克氏菌属（Frankia）、链霉菌属(Streptomyces)、链轮丝菌属(Streptoverticillum)、游动放线菌属(Antinoplanes)、诺氏卡菌属(Nocardia)、小单胞菌属(Micromono sp.ora)等7，兰克氏菌作为固氮菌被广泛研究，目前世界上已经报道了大约8个科24个属，约200个树种具有与弗兰克氏菌共生结瘤固氮的能力10。2 植物内生菌对植物抗盐碱能力的影响2.1 诱导抗氧化系统在植物细胞的正常代谢过程中，几乎所有的需氧反应都可以产生活性氧(ROS)，ROS的产生与清除是处于动态平衡的12。低浓度的ROS可以作为细胞内的第二信使，参与植物细胞的生理生化反应，对植物的生长具有积极作用8。而在盐碱胁迫下，活性氧产生速度远大于ROS的清除速度，使细胞中积累大量的ROS，从而引起植物细胞受到破坏，代谢紊乱甚至死亡。清除活性氧的抗氧化系统包括抗氧化酶类和非酶类抗氧化剂。抗氧化酶类主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)等。而SOD、POD和CAT是植物体内清除活性氧的重要保护酶，其活性和含量与植物的抗性呈正相关关系13-14。在王正凤等15的研究中发现，内生菌侵染（E+）野大麦在高盐浓度时SOD活性显著高于内生菌未侵染（E-）野大麦。在卜宁等16对Na2CO3胁迫条件下内生菌对水稻叶片保护酶系统的影响研究中发现，随着Na2CO3胁迫浓度的增加，E+水稻叶片POD和CAT 活性明显高于E-植株的。在缑小媛17关于内生真菌对醉马草耐盐性影响的研究中也发现了相似的结果。可见内生菌对盐碱胁迫下抗氧化酶活性的增加有一定的促进作用。非酶类抗氧化剂主要包括抗坏血酸(AsA)、还原型谷胱甘肽(GsH)、生物碱和胡萝卜素等，这些物质与抗氧化酶类协同作用，既可直接同ROS反应将其还原，又可作为底物参加酶反应，从而清除活性氧12。AsA可被ROS氧化成单脱氢抗坏血酸(MDHA)和脱氢抗坏血酸(DHA)18，在完全氧化的DHA产生的情况下，GsH作为还原剂参与AsA的再生，同时GsH还可以被ROS氧化，产生的氧化型谷胱甘肽(GssG)可以通过谷胱甘肽还原酶(GR)得到还原。AsA-GsH循环在活性氧的清除过程中起重要作用12。有研究表明19，在逆境下内生菌能够激活植物组织内AsA-GsH代谢途径，从而增强细胞的抗氧化能力。Helmut等19研究发现，在NaCl胁迫条件下，根部内生真菌印度梨形孢（Piriformospora indica）的侵入削弱了大麦叶部由于NaCl引起的脂类过氧化反应，同时显著提高了大麦抗坏血酸的含量以及抗氧化酶的活性，被侵染的大麦植株不只表现出耐盐性，还表现出抗病和增高产量多重效应，可见内生菌对于植物抗性的诱导有其复杂的一面。抗氧化酶类和抗氧化剂在各自行使功能的同时，又互相补充构成了一个复杂的抗氧化网络来共同清除细胞内过剩的ROS。但内生菌是如何引发植物抗氧化系统响应盐碱胁迫的，还尚不清楚。2.2缓解活性氧对细胞的伤害 逆境胁迫下，过多的ROS会引发膜脂的过氧化作用，其产物丙二醛(MDA)会严重损伤细胞膜系统。因此，MDA含量反映出膜脂过氧化的程度。与此同时，细胞膜的通透性增强，一些渗透物质流出，导致电导率增加。在王正凤等11对野大麦的研究中显示出在低浓度NaCl胁迫下，E+、E-野大麦MDA含量无显著差异，但NaCl浓度在300 mmol/L时，E-种群MDA含量显著高于E+种群，增幅为27.2。付艳萍等20认为在盐胁迫下植物促生菌可减少植物体中MDA的积累，降低MDA对植物组织的伤害，从而增强植物的抗盐碱能力。卜宁等16研究发现，随着Na2CO3胁迫浓度的增加，E-植株MDA含量显著高于E+植株。缑小媛17报道在盐胁迫下，E+醉马草的相对电导率显著低于E-植株。可见，内生菌能够缓解盐碱胁迫对植物细胞的伤害，这种缓解作用与抗氧化系统的增强有关。2.3 改变渗透调节物质的含量2.3.1 脯氨酸含量在盐碱胁迫下，许多植物都会出现大量积累游离脯氨酸的现象21。王正凤等15认为在盐胁迫下E+野大麦较E-野大麦更能够通过显著地增加脯氨酸含量来减轻受盐胁迫的程度，且这一减轻作用在浓度高时表现明显。与此同时，缑小媛17研究发现与E-植株相比，在盐胁迫下内生真菌侵染可导致来源于盐碱地的醉马草叶内脯氨酸含量增加，但是对来源于非盐碱地的醉马草植株而言，内生真菌侵染却不能增加宿主植物叶内的脯氨酸含量。而任安芝等21研究发现内生真菌感染可导致黑麦草叶内的脯氨酸含量增加，但同时其生物量却下降，推测盐胁迫下感染植株中脯氨酸的积累可能具有双重性。综上所述，目前游离脯氨酸积累是否与植株抗盐碱性存在必然联系还尚不能证明，而且盐碱胁迫和内生真菌的双重作用使脯氨酸的变化更加复杂 ，还需要进一步研究才能对脯氨酸累积的生理意义做出综合性评价。2.3.2 可溶性糖含量盐碱胁迫下，植物生长受到抑制，糖分利用率降低，植物体内可溶性糖含量增加22，可溶性糖能够增加细胞内溶质的浓度，防止细胞过度脱水，从而减少环境胁迫对植物的伤害。关于内生菌对盐碱胁迫下植物可溶性糖含量的影响，目前的研究结果有所不同。有研究显示在无盐和低盐处理下，内生真菌感染对野大麦和黑麦草的可溶性糖含量无显著影响。在王正凤等15的研究中显示，在盐浓度为200和300 mmol /L时，E+野大麦可溶性糖含量均显著高于E-野大麦，分别高出17.86和22.83。在付艳萍等20的研究中也发现相同浓度盐胁迫下加入促生菌更能增加植物体内可溶性糖的积累。而任安芝等21报道，在高盐浓度下，与未感染种群相比，内生真菌感染黑麦草显著降低宿主中可溶性糖含量。Hardy等23曾报道，在充足灌水条件下，内生真菌感染不影响高羊茅叶片内可溶性糖含量。由此可见，内生菌对植物体内可溶性糖含量的影响具有差异性，因内生菌的种类、植物的种类及所处的盐碱胁迫浓度而异。2.4 改变Na+和 K+及K+/Na+的比率，增强植物抗盐碱性在正常生理状态下，植物细胞内离子保持相对平衡状态，而在盐胁迫下，植株体内P和S含量减少，而Na+、K+ 和Cl-含量增加，细胞质中不平衡的离子状态会对植物细胞的代谢产生伤害24-25。在缑小媛17的研究中发现，在盐胁迫阶段及恢复阶段，耐盐性及非耐盐性的E+醉马草叶片和根系K+含量和K+/Na+比值均比E-醉马草的大，Na+含量则相反。Sabzalian 和Mirlohi26报道在盐胁迫下，内生菌感染显著降低高羊茅和草原羊茅根部Na+与Cl-的含量，却显著增加了两者地上部分K+的含量，而植物吸收的a+主要积累于根部，阻止Na+向地上部运输机制是植物具有较强耐盐性的主要原因之一27。可见，内生菌能够改变盐碱胁迫下宿主植物的离子平衡，从而减轻离子毒害、缓解盐碱胁迫对植物的伤害。2.5 提高光合作用，增强植物抗盐碱性土壤盐分过多使细胞内RuBP羧化酶活性降低，叶绿体趋于分解，光合色素生物合成受阻，气孔关闭，使光合速率下降28。卜宁等16报道，E+水稻的叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素的含量都明显高于E-水稻，而在高浓度Na2CO3胁迫下，净光合速率、水分利用效率和气孔导度也有着相同的趋势。Khan等29从大豆植株中分离到一株能够产赤霉素的内生真菌，在盐胁迫下能够降低植物脱落酸含量，而脱落酸的多少又与气孔的开闭有关30。内生菌调节气孔开闭的机制尚不清楚 ，可能是内生菌侵染虽不使宿主植物表现症状，但它作为宿主植物的入侵者，使宿主植物长期受到胁迫 ，产生的生物活性物质或借助于信号转导引起宿主激素水平的改变，使宿主对胁迫更加敏感，因而在盐碱胁迫条件下带菌的水稻叶片对水分亏缺的反应更迅速，气孔关闭更快31。3 展望综上所述，内生菌能够从植物的抗氧化系统、渗透调节物质、矿质元素吸收和光合作用等方面来改善植物组织渗透平衡和离子毒害，从而缓解盐碱胁迫对植物的伤害，有利于植物在盐碱地的生长。 因此，内生菌接种植物可以作为缓解盐碱性敏感植物在盐碱压力下的一个有用的工具，在盐碱土壤改良与植株恢复中，内生菌具有广阔的应用前景。为给盐碱地改良治理提供生物材料和理论上的支持， 建议从以下几方面开展进一步研究。一方面，生活在植物组织内的植物内生菌具有丰富的物种多样性，其次生代谢产物也多种多样，这些次生代谢产物是否与植物的耐胁迫能力有关还需要大量的工作。另一方面，植物与内生菌之间互惠共生关系比较复杂，涉及到多种生化信号的传递及基因的交互表达，今后的工作应注重植物-内生菌共生体响应和适应盐胁迫的信号网络和调控机制研究，采用现代组学技术探索植物-内生菌共生体响应盐胁迫的特殊生理特征和特异代谢途径。总之，内生菌在植物抗盐碱胁迫方面有广阔的应用前景，但目前这方面的研究还远远不够，只有通过对植物与内生菌的共生机制的研究，了解植物与内生菌之间互惠共生体的形成机制，才能更好地推动植物内生菌在盐碱地植物上的应用，进一步达到农业的可持续发展。参考文献1 郝晓娟.植物内生菌M.北京：中国农业科学技术出版社,2010.2Stierle A, Strobel G, Stierle D. Taxol and taxane production by Taxomyces andreanae，an endophytic fungus of Pacific yew JScience, 1993, 260( 5105) : 214-216.3Guo B, Wang Y, Sun X, et al. Bioactive natural products from endophytes: A reviewJ. Biochemistry and Microbiology, 2008, 44 (2): 136-142.4江军山，张鑫产抗菌活性物质植物内生菌的研究进展J. 安徽农业科学，2010，38 (22):11 704-117055Vinocur B, Altman A. Recent advances in engineering plant tolerance to a biotic stress: achievements and limitations J.Current Opinion in Biotechnology, 2005, 16 (2):123-132.6钮旭光，韩梅，何随成. 内生菌对植物抗旱性的影响J. 生物技术，2006，16 (3):93-95.7胡桂萍，郑雪云，尤民生，等.植物内生菌的研究进展J.福建农业学报，2010,25（2）：226-234.8鲍敏，康明浩. 植物内生菌研究发展现状J. 青海草业，2011，20 (1)：22-25.9马福欢.植物内生真菌的研究概论J.广西农学报，2013,28(2)：50-53.10杨颖，陈华红，徐丽华.植物内生放线菌多样性研究J.云南大学学报（自然科学版），2008,30（S1）：403-405.11徐丽华，李文均，刘志恒，等.放线菌系统学-原理、方法及实践M.北京：科学出版社，2007.12柳参奎. 植物碳酸盐逆境生理及其分子机制的研究M.哈尔滨市:东北林业大学出版社，2006.13李少锋，李志辉，刘友全，等. 水分胁迫对椿叶花椒抗氧化酶活性等指标的影响J.中南林业科技大学学报， 2008， 28 (2):29-34.14刘海艳，齐孝辉，韩雪. 干旱胁迫及复水对四个白三叶品种叶片保护酶活性的影响J. 北方园艺，2010 (5):104-106.15王正凤，李春杰，金文进，等. 内生真菌对野大麦耐盐性的影响J.草地学报，2009，17 (1):88-91.16Bu Ning, Li Xuemei, Li Yueying, et al. Effects of Na2CO3 stress on photosynthesis and antioxidative enzymes in endophyte infected and non-infected rice J. Ecotoxicology and Enviromental Safety, 2012, 78(1):35-40.17缑小媛. 内生真菌对醉马草耐盐性影响的研究:硕士学位论文. 兰州: 兰州大学，2007.18Catohuceio C, Paganga G, Melikian N. Antioxidant potential of intermediates in phenylpropanoid metabolism in higher plants. Febs Letters. 1995, 368(1):188-192.19Waller F, Achatz B, Baltruschat H, et al, The endophytic fungus piriformospora indica reprograms barley to salt-stess tolerance,disease resistance,and higher yield J. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2005, 102 (38):13386-13391. 20付艳平，辛树权，高 扬. NaCI溶液胁迫下促生菌对向日葵种子生长的影响 J. 安徽农业科学，2011，39 (21):12677-12680.21任安芝，高玉葆，章瑾，等. 内生真菌感染对黑麦草抗盐性的影响 J. 2006，26 (6):1750-1757.22Ott T，Birks K，Johnson GRegulation of the photosynthetic electron transport chain JPlanta, 1999, 209(2): 250-258.23Hardy TN, Clay K, Hammond JR. Leaf age and related factors affecting endophyte-mediated resistance to fall armyworm in tall fescue J. Environmental Entomology, 1986, 15(5): 1083-1089.24Grattan SR，Grieve CM. Mineral element acquisition and growth response of plants growth in saline environments J. Agriculture, Ecosystem and Environment, 1992, 3 (