劉江葦,劉 穎,徐 婷,卜志剛,劉選明,朱詠華

(湖南大學(xué)生物學(xué)院,中國湖南長沙410082)

水稻作為全球一半以上人口的口糧,是我國乃至全世界最重要的糧食作物之一[1]。隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人類生活水平的不斷提高,人們對優(yōu)質(zhì)稻谷的需求也隨之增加,因此,越來越多的研究者致力于研究和生產(chǎn)品質(zhì)好與產(chǎn)量高的稻米。而病蟲害如稻飛虱、稻瘟病,氣候變化如缺水、干旱等,都能夠造成稻米減產(chǎn)和品質(zhì)降低[2～3]。為了緩解這些病害和氣候變化所帶來的不利影響,植物內(nèi)生菌逐漸進(jìn)入了研究者的視野。植物內(nèi)生菌是指全部階段或部分階段生活在健康植物細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙的微生物資源[4],它們對宿主植物的作用分為有益、中性和有害3個(gè)方面[5]。自從德國植物病理學(xué)家De Bary于1866年提出內(nèi)生菌(endophyte)的概念以來,越來越多的內(nèi)生菌被研究者們從不同植物的各個(gè)組織中分離出來[6]。內(nèi)生菌不僅能夠通過分泌1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC)脫氨酶、植物激素等物質(zhì)促進(jìn)植物生長,還可以分泌一些水解酶、抗生素、生物堿等物質(zhì)幫助植物抵抗病蟲害,使植物在逆境中更好的生存,最終提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì),因此內(nèi)生菌的研究成為了國內(nèi)外的熱點(diǎn)。

在長期的進(jìn)化過程中,大部分內(nèi)生菌與宿主形成了互利互惠的關(guān)系,并建立起了復(fù)雜又巧妙的互作機(jī)制[7]。因此,研究二者之間的互作關(guān)系、作用模式與機(jī)理,能為我們了解內(nèi)生菌并加以應(yīng)用提供理論依據(jù)。

目前,研究者們的目光主要集中在內(nèi)生菌的多樣性及內(nèi)生菌與宿主植物的互作等方面,本綜述主要對水稻內(nèi)生菌的多樣性及其與水稻的相互作用進(jìn)行了概括,并對未來水稻內(nèi)生菌的研究方向進(jìn)行展望。

1 水稻內(nèi)生菌的多樣性

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測手段的不斷提高,微生物檢測的靈敏度越來越高,這使得內(nèi)生菌的多樣性研究成為內(nèi)生菌研究領(lǐng)域的重要組成部分。內(nèi)生菌的多樣性主要表現(xiàn)在分布多樣性和自身種類的多樣性。根據(jù)種類的多樣性,內(nèi)生菌又分為內(nèi)生細(xì)菌、內(nèi)生真菌與內(nèi)生放線菌。研究水稻內(nèi)生菌的多樣性不僅可以解析水稻體內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律,還能為功能菌株的篩選和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1.1 水稻內(nèi)生細(xì)菌

內(nèi)生細(xì)菌是水稻有益菌的一個(gè)重要類群[8],其繁殖速度快,易于培養(yǎng)。目前,關(guān)于內(nèi)生細(xì)菌的報(bào)道主要是研究不同地區(qū)及不同品種水稻體內(nèi)內(nèi)生細(xì)菌的群落特性。實(shí)際上,水稻的種植環(huán)境以及生長發(fā)育時(shí)期都對內(nèi)生細(xì)菌的多樣性有著極其重要的影響[9～10]。Bertani等[8]從淹水和干旱條件下生長的水稻的根、葉、莖中分離得到228株內(nèi)生細(xì)菌,經(jīng)多樣性分析發(fā)現(xiàn),淹水條件下的水稻相比干旱條件下的水稻體內(nèi)定殖著更多的內(nèi)生細(xì)菌。Ferrando等[11]發(fā)現(xiàn),在淹水前,水稻根部的內(nèi)生細(xì)菌以β變形桿菌為主,而淹水后的優(yōu)勢內(nèi)生細(xì)菌則變?yōu)棣米冃螚U菌。內(nèi)生細(xì)菌對水稻的生長發(fā)育時(shí)期和組織部位也具有選擇性,比如:灌漿時(shí)期的水稻內(nèi)生細(xì)菌多于分蘗期和抽穗期[8];相較于根部和莖部,水稻葉部的內(nèi)生細(xì)菌物種最豐富,但參與植物各種代謝調(diào)控的細(xì)菌主要集中在水稻根部[12]。Rashid等[13]在15種不同的土壤條件下種植同一種番茄,隨后從番茄中分離到了不同類型的內(nèi)生細(xì)菌,進(jìn)一步證實(shí)了內(nèi)生細(xì)菌的多樣性與種植環(huán)境有關(guān)。此外,植物自身的基因型也能夠影響植物內(nèi)生細(xì)菌的多樣性[14～15]。Walitang等[16]對韓國RDA試驗(yàn)田中6種不同水稻品種的種子內(nèi)生菌進(jìn)行鑒定,發(fā)現(xiàn)在相似種植環(huán)境下,不同水稻品種種子中的內(nèi)生細(xì)菌的組成取決于水稻自身的基因型。綜上可知,內(nèi)生細(xì)菌的多樣性與多種因素相關(guān)。

1.2 水稻內(nèi)生真菌

1898年,Vogl[17]首次從黑麥中分離出內(nèi)生真菌,隨后,關(guān)于內(nèi)生真菌的研究在不同領(lǐng)域展開[18～20]。在溫帶地區(qū)和熱帶雨林中,大約30萬種陸地植物都是內(nèi)生真菌的宿主,每一種植物都有1種或多種內(nèi)生真菌[21]。多數(shù)內(nèi)生真菌隸屬于子囊孢子類(Ascomycetes)。與細(xì)菌相比,大多數(shù)真菌表現(xiàn)出絲狀的生長習(xí)性,這使其能夠采取探索或利用周圍環(huán)境的生長策略,形成聚合菌絲的線性器官,從而保護(hù)真菌的易位[22]。同時(shí),真菌往往具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁,這使其在惡劣的環(huán)境中得以存活。因此,水稻內(nèi)生真菌也成為發(fā)掘微生物資源的熱門領(lǐng)域。水稻內(nèi)生真菌的分布同樣具有時(shí)間和空間的選擇性。Wang等[23]從江西東鄉(xiāng)野生稻中分離出229株內(nèi)生真菌,其中種子中的內(nèi)生真菌數(shù)量最多,其次為葉、根和莖,表明內(nèi)生真菌具有組織特異性,且研究者發(fā)現(xiàn)它們屬于不同的菌屬。崔凱[24]對水稻根、莖、葉中的內(nèi)生真菌進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)水稻的根部分布有很多的血赤殼屬(Haematonectria)和根盤菌屬(Rhizopycnis),但這兩個(gè)菌屬在水稻的莖和葉中幾乎沒有分布;毒麥種子內(nèi)生真菌屬(Gloeotinia)存在于水稻的莖和葉;念珠菌屬(Candida)只分布在水稻的葉片。這進(jìn)一步說明內(nèi)生真菌在水稻體內(nèi)的分布具有組織特異性。此外,當(dāng)水稻受到外界脅迫時(shí),其內(nèi)生菌群落也會(huì)發(fā)生變化。崔凱[24]利用不同濃度的農(nóng)藥噻蟲嗪對水稻進(jìn)行處理,通過多樣性分析發(fā)現(xiàn),水稻在受到農(nóng)藥脅迫時(shí),其根部的內(nèi)生真菌多樣性發(fā)生了提高,同時(shí)高濃度的噻蟲嗪還可以提高水稻莖部和葉部內(nèi)生真菌的多樣性。

1.3 水稻內(nèi)生放線菌

最早發(fā)現(xiàn)的內(nèi)生放線菌是能在非豆科植物根部形成根瘤并具有固氮能力的弗蘭克氏菌屬(Frankia)[25]。隨后,研究者們陸續(xù)從植物組織中分離出其他種類的內(nèi)生放線菌,其中大部分屬于鏈霉菌屬(Streptomyces),此外還有諾卡氏菌屬(Nocar-dia)、小雙孢菌屬(Microbispora)、北里孢菌屬(Kitasatospora)等[26]。放線菌是具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生物技術(shù)價(jià)值的原核生物,它們能夠產(chǎn)生多種生物活性化合物,如抗生素、抗腫瘤藥物和酶抑制劑等,同時(shí)它們的絲狀菌絲和產(chǎn)孢特性使其能夠在不利的環(huán)境條件下生存且便于開發(fā)應(yīng)用[27],因此分離并利用水稻內(nèi)生放線菌成為近年來生物防治的熱門領(lǐng)域。

由于放線菌在土壤中的含量非常豐富,所以它們極有可能被水稻的根系分泌物所吸引并進(jìn)入水稻體內(nèi)。水稻品種、種植環(huán)境、定殖的器官等都可以成為影響水稻內(nèi)生放線菌分布與定殖的因素。田新莉等[28]對廣東省番禺和五山兩地種植的水稻進(jìn)行了內(nèi)生放線菌的分離和鑒定,發(fā)現(xiàn)番禺和五山兩地不同的土壤環(huán)境導(dǎo)致了水稻內(nèi)生放線菌種類的不同,且根中的內(nèi)生放線菌種類較莖和葉多。Jelita[29]對不同生態(tài)系統(tǒng)中不同水稻的內(nèi)生放線菌的種群動(dòng)態(tài)和形態(tài)特征進(jìn)行了評估,發(fā)現(xiàn)水稻內(nèi)生放線菌的種群動(dòng)態(tài)和多樣性受水稻植株的年齡、品種和生態(tài)系統(tǒng)類型的影響。以上分析表明,內(nèi)生放線菌的分布受多種因素的影響。

2 水稻-內(nèi)生菌的互利共生

內(nèi)生菌與水稻在長期的共生環(huán)境下建立了十分復(fù)雜而巧妙的相互聯(lián)系,并且通過這些不同方式的相互作用為雙方創(chuàng)造了互利互惠的生長條件。根據(jù)作用對象的不同,我們將這些相互作用分為兩種,一種是內(nèi)生菌對水稻的影響,另一種則是水稻對內(nèi)生菌的影響。

2.1 內(nèi)生菌對水稻的影響

2.1.1 固氮作用

氮是葉綠素、氨基酸、含氮雜環(huán)堿基(嘌呤和嘧啶)等物質(zhì)的主要成分,是植物生長和發(fā)育必不可少的大量元素之一。水稻的生產(chǎn)高度依賴氮元素,但土壤普遍缺氮的現(xiàn)狀使得生產(chǎn)者必須施用大量氮肥來維持水稻生產(chǎn),而大量使用氮肥會(huì)對環(huán)境造成不利影響,因此利用微生物進(jìn)行的生物固氮吸引了研究者的目光[30]。內(nèi)生固氮菌是指那些生活在植物體內(nèi),并能與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合固氮的一類菌群[31]。常見的內(nèi)生固氮菌有假單胞菌、固氮螺菌、腸桿菌和芽孢桿菌等,這些菌群能夠在寄主植物不形成根瘤結(jié)構(gòu)的前提下,通過自身的代謝系統(tǒng),利用固氮酶將大氣中游離的N2還原成植物可利用的NH4+,以供寄主植物使用。這類內(nèi)生菌目前已有很多報(bào)道,其中,內(nèi)生子囊菌被多次提到并證實(shí)能夠提高植物氮素養(yǎng)分的吸收并改善寄主植物的生長狀況[32～34]。

截至目前,已有不少具有固氮能力的內(nèi)生菌被研究者從水稻組織中分離出來。研究報(bào)道,在低氮條件下,經(jīng)過內(nèi)生真菌Phomopsis liquidambari處理后的水稻的總產(chǎn)量以及氮素利用率相較于未處理的水稻分別提高了12%和11.59%[35];同時(shí),該株內(nèi)生真菌可以影響水稻根系分泌物的成分,從而調(diào)節(jié)根際微生物的群落結(jié)構(gòu)[36]。

隨著對內(nèi)生固氮菌了解的深入,研究者已能夠?qū)λ窘M織中原有的內(nèi)生固氮菌進(jìn)行基因修飾,以增加水稻自身固氮酶的活性,從而提高水稻的固氮能力[37]。

2.1.2 促生長作用

內(nèi)生菌能夠促進(jìn)宿主植物生長的一個(gè)主要原因是具有產(chǎn)生植物激素的能力,其中吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)就是一類能夠調(diào)節(jié)植物細(xì)胞伸長、細(xì)胞分裂以及根部形成等的天然植物激素[38]。研究人員發(fā)現(xiàn),從水稻中分離得到的洋蔥伯克霍爾德氏菌(Burkholderia cepacia)RRE25能夠分泌IAA,進(jìn)而促進(jìn)水稻的生長,此外該內(nèi)生菌還能協(xié)助宿主水稻提高氮、磷、鉀的吸收效率。為了證實(shí)RRE25促生長的能力與IAA的分泌有關(guān),研究人員利用基因改造技術(shù)獲得了IAA產(chǎn)量提高數(shù)倍的過表達(dá)菌株,發(fā)現(xiàn)該過表達(dá)菌株能幫助水稻吸收更多的營養(yǎng)元素,進(jìn)而促進(jìn)水稻的生長和發(fā)育[39]。本實(shí)驗(yàn)室前期研究證明,水稻中的氫化鏈霉菌(Streptomyces hydrogenans)OsiLf-2和米修鏈霉菌(Streptomyces misionensis)OsiRt-1不僅可以分泌IAA,還可以分泌其他促生長相關(guān)物質(zhì),如鐵載體、ACC脫氨酶等,從而促進(jìn)水稻的生長發(fā)育[40～41]。除此之外,內(nèi)生菌在一定程度上也可以影響水稻自身的激素分泌水平,例如:水稻中的解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)RWL-1能夠適量提高水稻中赤霉素及水楊酸的產(chǎn)生量,同時(shí)抑制茉莉酸和脫落酸的產(chǎn)生量,以促進(jìn)水稻的生長[42]。相關(guān)研究顯示,水稻內(nèi)生菌的促生長作用與水稻品種無關(guān)。例如:經(jīng)分離自水稻莖部的內(nèi)生細(xì)菌固氮螺菌B510處理的3種不同品種的水稻,均表現(xiàn)出新生葉片生長良好、分蘗數(shù)和地上部分的生物量增加、水稻產(chǎn)量顯著提高等現(xiàn)象[43]。

2.1.3 抵抗生物脅迫

生物脅迫是對植物生存與發(fā)育不利的各種生物因素的總稱,通常由感染和競爭引起。水稻面臨的生物脅迫主要有稻瘟病、紋枯病、稻白葉枯病等病害以及稻飛虱等蟲害。傳統(tǒng)防治中的農(nóng)藥不僅會(huì)破壞土壤的結(jié)構(gòu)及性質(zhì),還會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境。因此,采用綠色、安全的微生物農(nóng)藥來達(dá)到防病除蟲的目的,是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向。

紋枯病在我國南方稻區(qū)危害嚴(yán)重,是當(dāng)前水稻生產(chǎn)上的主要病害之一[44]。該病由立枯絲核菌引發(fā),多在高溫、高濕條件下發(fā)生,發(fā)病嚴(yán)重時(shí)常致葉片發(fā)黃枯死,使水稻不能抽穗,或使抽穗水稻的粒重下降。目前已有部分研究報(bào)道水稻內(nèi)生菌能幫助抵御紋枯病,如Shabanamol等[45]從水稻中分離出一株內(nèi)生固氮芽孢桿菌,該內(nèi)生菌和傳統(tǒng)殺菌劑多菌靈(Bavistin 50DF)協(xié)同處理水稻種子之后,可以誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生更多的防御酶,減輕紋枯病的危害,并且內(nèi)生菌處理后植物的抗病效果比化學(xué)殺菌劑更佳。

水稻惡苗病是一種由串珠鐮刀菌引起的系統(tǒng)性侵染的真菌病害。水稻感染惡苗病后,一般不能抽穗或提早抽穗,穗小且結(jié)實(shí)很少[46]。研究顯示,使用稻生芽孢桿菌(Bacillus oryzicola)YC7007的懸浮液浸泡水稻根部,能夠有效抑制水稻惡苗病的發(fā)展;水稻在接種YC7007六個(gè)小時(shí)后會(huì)積累更多的H2O2,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的活性氧(reactive oxygen species,ROS)途徑也被激活,表明YC7007能夠啟動(dòng)水稻體內(nèi)由ROS介導(dǎo)的防御機(jī)制。此外,研究還發(fā)現(xiàn)YC7007可以通過激活茉莉酸途徑誘導(dǎo)植物產(chǎn)生針對病原菌的系統(tǒng)抗性[47]。

稻瘟病是由梨孢霉真菌引起的水稻重要病害之一,主要危害葉片、莖稈和穗部,引起水稻的大幅度減產(chǎn)。許多內(nèi)生菌被報(bào)道可以抑制稻瘟病菌的生長,如從大蒜鱗莖中分離出來的內(nèi)生菌D6、D10、D21和Y3。此外,一些內(nèi)生菌的無菌發(fā)酵濾液也對稻瘟病菌有抑制效果,曾夏冬[40]在掃描電子顯微鏡下觀察到,經(jīng)過氫化鏈霉菌OsiLf-2發(fā)酵液處理的稻瘟病菌菌絲出現(xiàn)畸形和扭曲,這表明該內(nèi)生菌對稻瘟病菌具有高效的抑制作用。另外,米修鏈霉菌OsiRt-1的發(fā)酵液也被證明可以抑制稻瘟病菌菌絲的生長[41]。

稻飛虱是一種對水稻危害較大的害蟲,它主要吸食水稻汁液,導(dǎo)致水稻枯死,倒伏落塘。研究顯示,內(nèi)生菌可以產(chǎn)生生物堿等物質(zhì)幫助植物抵抗蟲害。例如:從水稻中分離的內(nèi)生菌SJ-10可以明顯降低植物中蚜蟲的存活率,促進(jìn)植物的生長發(fā)育[48]。

雖然關(guān)于內(nèi)生菌協(xié)助水稻抵御生物脅迫的報(bào)道有很多,但目前對于內(nèi)生菌防治病蟲害的研究尚停留在起步階段。根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道,水稻內(nèi)生菌協(xié)助宿主水稻抗病的機(jī)制主要有分泌抗生物質(zhì)、重寄生作用、生態(tài)位競爭和誘導(dǎo)水稻自身抗性等[49]。一些內(nèi)生菌可通過多種機(jī)制共同作用協(xié)助水稻抵抗病害,如本實(shí)驗(yàn)室從水稻中分離得到一株具有良好抗稻瘟病效果的水稻內(nèi)生菌吸水鏈霉菌(Streptomyces hygroscopicus)OsiSh-2,它不僅能夠通過分泌抗生素等次級代謝物質(zhì)抑制稻瘟病菌的生長,也可通過搶奪鐵元素形成對稻瘟病菌的競爭抑制,更重要的是,它能夠誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生系統(tǒng)抗性,從而阻擋稻瘟病菌的入侵[50～52]。因此,在防治水稻病害時(shí),表現(xiàn)出多重機(jī)制的內(nèi)生菌會(huì)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的效果。

2.1.4 抵御非生物脅迫

近年來,惡劣的環(huán)境條件對水稻等作物的危害越來越嚴(yán)重,隨著全球極端天氣出現(xiàn)的頻率越來越高,非生物脅迫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響日益加劇[53]。因此,越來越多的研究者開始關(guān)注如何減緩農(nóng)作物的非生物脅迫,內(nèi)生菌則在這方面表現(xiàn)出突出的能力。比如,內(nèi)生菌可以通過分泌胞外多糖改變植物周圍的土壤結(jié)構(gòu)和多孔性,從而使植物的根部能夠更好地適應(yīng)含水量變化的環(huán)境,進(jìn)而有利于植物根部在土壤中的伸展[53]。遺憾的是,截至目前,僅有少數(shù)報(bào)道對內(nèi)生菌協(xié)助宿主水稻抵御非生物脅迫的分子機(jī)制進(jìn)行了研究,且大多還不夠深入。

重金屬污染嚴(yán)重影響糧食作物的生長發(fā)育,富集大量重金屬的農(nóng)作物會(huì)嚴(yán)重威脅人畜生命安全,因此解決重金屬污染的問題刻不容緩。目前,已有文獻(xiàn)報(bào)道內(nèi)生菌能幫助重金屬污染的植物進(jìn)行生物修復(fù),如Zhou等[55]發(fā)現(xiàn)嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)R5-5通過下調(diào)水稻體內(nèi)編碼鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因的表達(dá),以及改變水稻內(nèi)生菌的群落結(jié)構(gòu),顯著降低了水稻植株中的鎘含量。

干旱會(huì)影響全球糧食生產(chǎn),造成糧食產(chǎn)量與質(zhì)量大打折扣。有研究報(bào)道,深色有隔內(nèi)生真菌(dark septate endophyte,DSE)可以通過降低水稻植株中的氧化應(yīng)激反應(yīng)和抗氧化酶的活性,使水稻細(xì)胞免受氧化損害,進(jìn)而增強(qiáng)水稻在缺水條件下的耐受性[56]。

鹽脅迫是最具破壞性的非生物脅迫之一,它會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長發(fā)育,最終導(dǎo)致農(nóng)作物生產(chǎn)力下降。鹽脅迫會(huì)對植物造成多種不可逆的損害,包括:初級和次級代謝活動(dòng)受損、營養(yǎng)失衡和氣孔導(dǎo)度降低、光合作用受到抑制等。在受到鹽脅迫的后期,植物體內(nèi)通常還伴隨著離子脅迫和氧化脅迫的發(fā)生[57]。因此,內(nèi)生菌介導(dǎo)的鹽脅迫緩解受到了極大的關(guān)注。Sampangi-Ramaiah等[58]從耐鹽的水稻品種中分離出一株鐮刀菌(Fusarium sp.),進(jìn)一步的研究顯示其能使鹽敏感水稻品種在高鹽環(huán)境下健康生長,說明該內(nèi)生菌能有效提高宿主的耐鹽能力。隨著越來越多的耐鹽內(nèi)生菌被分離出來,內(nèi)生菌協(xié)助宿主水稻提高耐鹽能力的機(jī)制也逐漸被揭示。例如:內(nèi)生菌中的鏈霉菌(Streptomyces sp.)GMKU 336就是由于具有分泌ACC脫氨酶的能力,所以能夠幫助水稻在高鹽環(huán)境下生長[59]。此外,內(nèi)生菌還可以通過產(chǎn)生IAA、赤霉素、有機(jī)酸,或分泌胞外多糖,幫助水稻抵抗鹽脅迫,進(jìn)而提高水稻的產(chǎn)量。從海稻的根部分離出的內(nèi)生菌Pantoea alhagi NX-11,由于其能夠產(chǎn)生大量的胞外多糖,所以在水稻受到鹽脅迫時(shí)能顯著提高水稻體內(nèi)丙二醛和脯氨酸的含量,從而提高水稻的耐鹽能力[60]。

2.2 水稻對內(nèi)生菌的影響

如前文所述,目前大多數(shù)研究者都將目光投注于內(nèi)生菌對水稻的影響。實(shí)際上,水稻對寄生在其體內(nèi)的內(nèi)生菌也具有一定影響。大量研究表明,水稻會(huì)主動(dòng)改變或控制其體內(nèi)生態(tài)環(huán)境,從而達(dá)到“選擇”內(nèi)生菌的目的[61～63]。根系分泌物就是幫助水稻選擇內(nèi)生菌的有效介質(zhì),它不僅僅是根際微生物的重要營養(yǎng)物質(zhì),也能夠通過影響土壤微生物的趨化性來調(diào)控根際微生物侵染定殖進(jìn)入水稻的過程[64～66]。比如:水稻的根系分泌物可以吸引固氮弧菌BH72定殖入其根部,且BH72的定殖能夠幫助水稻提高對氮元素及其他營養(yǎng)物質(zhì)的有效吸收[67];Walitang[68]在對不同水稻品種中的內(nèi)生菌進(jìn)行分離鑒定時(shí)發(fā)現(xiàn),耐鹽品種中存在大量的黃桿菌屬內(nèi)生菌,這些黃桿菌屬內(nèi)生菌具有較高的耐滲透脅迫能力,且在高鹽地區(qū)種植的水稻中分布較多,表明內(nèi)生菌的富集是水稻主動(dòng)選擇的結(jié)果。此外,相關(guān)研究報(bào)道水稻的代謝物可能影響內(nèi)生菌的很多生長發(fā)育過程,包括鐵螯合、獲取和儲存,群體感應(yīng),活性氧解毒,以及其他可能涉及氮循環(huán)的生物進(jìn)程等[69]。

雖然現(xiàn)有研究已證實(shí)水稻具有主動(dòng)選擇內(nèi)生菌的能力,但是人們對水稻與內(nèi)生菌之間相互識別的分子機(jī)制還知之甚少。兩者在相互識別時(shí),信號如何傳遞？代謝進(jìn)程在何時(shí)發(fā)生調(diào)整轉(zhuǎn)換？這些都將是今后需要探究的目標(biāo)。

3 水稻內(nèi)生菌的應(yīng)用前景

3.1 提取天然活性物質(zhì)

植物與微生物的互作主要通過一些活性次生代謝產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn),如微生物產(chǎn)生的抗生素、植物激素及生物堿等物質(zhì),它們可以幫助植物抵抗病蟲害,促進(jìn)植物的生長。水稻內(nèi)生放線菌被認(rèn)為是生物活性代謝產(chǎn)物的重要來源[70],它產(chǎn)生的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素[71～72]、生物堿[73]和非核糖體多肽[74]等物質(zhì)在農(nóng)業(yè)中做出了巨大的貢獻(xiàn)。例如:水稻內(nèi)生菌鏈霉菌屬(Streptomyces sp.)BCC72023可以產(chǎn)生具有抗細(xì)菌和抗真菌活性的大環(huán)內(nèi)酯與聚醚類抗生素,這些代謝產(chǎn)物對成熟辣椒的辣椒炭疽病具有抗性[75]。此外,從內(nèi)生菌中提取出來的活性物質(zhì)還可以應(yīng)用于臨床試驗(yàn)。Shahzad等[76]從水稻內(nèi)生的解淀粉芽孢桿菌RWL-1中分離得到了一種化合物,其與從短小芽孢桿菌和鏈格孢菌中分離的抗生素Al77F的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同,而且對α-葡萄糖苷酶和脲酶具有抑制作用,可以用作具有醫(yī)療價(jià)值的新型生物活性酶抑制劑。

3.2 制作生物肥料或生物農(nóng)藥菌劑

微生物肥料是指以微生物的生命活動(dòng)為核心,使農(nóng)作物獲得特定的肥料效應(yīng)的一類肥料制品。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)肥料,生物肥料具有高效、生產(chǎn)成本低、應(yīng)用效果好以及環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。Pham等[77]從水稻中分離出來的內(nèi)生菌固氮施氏假單胞菌A15在溫室條件下能顯著促進(jìn)水稻幼苗的生長,且促生效果優(yōu)于化肥,表明該菌有成為生物肥料的潛力。

生物農(nóng)藥是指利用生物活體或其代謝產(chǎn)物制成的制劑,可以有效地殺滅或抑制農(nóng)業(yè)有害生物。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變和對環(huán)保的極力追求,以及政策方面的大力推動(dòng),生物農(nóng)藥被逐漸重視并廣泛開發(fā)。解淀粉芽孢桿菌Y19是一株具有IAA合成能力和固氮解磷活性的玉米內(nèi)生細(xì)菌,蔣曉玲[78]將Y19制作成了微生物肥料,發(fā)現(xiàn)該菌肥不僅能夠顯著降低玉米莖腐病的發(fā)生(防治效率達(dá)到60%以上),而且還能改善玉米根際土壤的微生物區(qū)系,提高根際微生物的代謝活性,促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的活化和抑病型土壤的形成,這些功能均表明內(nèi)生菌在生物農(nóng)藥方面具有巨大的優(yōu)勢。

4 內(nèi)生菌的負(fù)面影響

目前,大多數(shù)的研究報(bào)道主要闡述了內(nèi)生菌的促生長、抗脅迫等積極作用,然而在某些情況下,內(nèi)生菌也會(huì)對宿主植物產(chǎn)生一些不利的影響。金玲等[79]在對大田小麥苗中的內(nèi)生菌進(jìn)行篩選時(shí)發(fā)現(xiàn),有6株菌可以引起植株出苗遲、生長緩慢、矮化等現(xiàn)象。Deshmukh等[80]發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌印度梨形孢(Piriformospora indica)在大麥的根部定殖時(shí),需要其宿主細(xì)胞死亡才能夠促進(jìn)根部的進(jìn)一步發(fā)育。此外,Schulz等[81]認(rèn)為宿主與內(nèi)生菌之間存在一種平衡關(guān)系,該平衡取決于外界環(huán)境和宿主自身。當(dāng)外界環(huán)境等發(fā)生改變時(shí),某些內(nèi)生菌可能會(huì)由于無法適應(yīng)新的環(huán)境而對宿主植物產(chǎn)生負(fù)面影響。例如:未感染內(nèi)生真菌的亞利桑那羊茅在營養(yǎng)缺乏的土地上生長時(shí),其長勢好于感染內(nèi)生真菌的羊茅;但是在營養(yǎng)豐富的土地上,研究者并未觀察到這一現(xiàn)象[82]。因此,我們推測水稻體內(nèi)可能也存在著某些對其產(chǎn)生負(fù)面影響的內(nèi)生菌。

5 總結(jié)與展望

近年來,植物內(nèi)生菌成為植物和微生物工作者研究的熱點(diǎn)。它在促進(jìn)水稻生長,幫助水稻固氮,協(xié)助水稻抵抗病蟲害,提高水稻對干旱、鹽漬、重金屬等非生物脅迫的耐受力等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。同時(shí),水稻能主動(dòng)“選擇”內(nèi)生菌并通過其分泌的代謝物影響內(nèi)生菌的許多生長發(fā)育過程。但是,目前對內(nèi)生菌和水稻互作的研究大多集中在生理生化層面和影響因素的探討,分子機(jī)理層面的研究較少。此外,已有的研究顯示,部分內(nèi)生菌在某些情況下會(huì)對宿主植物產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,內(nèi)生菌和水稻互作的機(jī)制以及如何有效地解決內(nèi)生菌的負(fù)面影響將會(huì)是未來研究的主流趨勢,更加系統(tǒng)化、全面化地深入研究水稻與內(nèi)生菌之間的相互關(guān)系將對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。