穆耶賽爾·奧斯曼，祖力胡瑪爾·肉孜，田永芝，安登第

（新疆師范大學生命科學學院，新疆 烏魯木齊 830054）

鹽生植物是能夠在高鹽度（＞200 mmol/L NaCl）土壤中生長的一類植物，僅占植物種類的約1%［1］，但它們對鹽堿土壤特別是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。全世界有10億公頃的土地受鹽堿的影響［2］并以每年10%的速度遞增［3］，故此鹽生植物對全球生態(tài)系統(tǒng)安全特別是人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

研究已證實所有植物的生長發(fā)育均與環(huán)境及體內(nèi)微生物相關(guān)，其中共生微生物是植物生態(tài)多樣性產(chǎn)生的動力并具有決定性作用［4-5］，且物種的進化也是由共生微生物推動的［6-7］，亦表明鹽生植物適應高鹽度的機制與高度專一的、耐鹽的內(nèi)生和根際微生物相關(guān)，這些微生物可促進植物生長和對不利環(huán)境的耐受［8-13］。故此了解鹽生植物內(nèi)生菌多樣性及募集策略對揭示共生抗逆機制及將其應用于環(huán)境改良有重要價值。

1 脅迫塑造鹽生植物內(nèi)生菌類群

植物與微生物共生是自然界的普遍現(xiàn)象，研究顯示地球上約30萬種植物中，每種都是一種或多種內(nèi)生菌的宿主，內(nèi)生菌種類從數(shù)個到數(shù)百個不等［14］。作為鹽生植物，其遭受的非生物因子脅迫，特別是陰陽離子脅迫比其它植物更為嚴重，但它們?nèi)匀豢梢陨娌l(fā)展壯大，其原因之一是與共生微生物的協(xié)同作用，已有大量報道證實了與鹽生植物相關(guān)的內(nèi)生細菌具有促進宿主生長及提高鹽耐受的特性［8，15-17］，如分離自耐鹽水稻的內(nèi)生鐮刀霉屬（Fusariumsp.）真菌接種到鹽敏品種IR-64上可促進其在鹽脅迫下的生長并提高植株同化率、葉綠素穩(wěn)定性等［18］，顯示了內(nèi)生菌在宿主環(huán)境適應中的重要價值。

植物體內(nèi)微環(huán)境被認為是相對穩(wěn)定的［19-20］且營養(yǎng)豐富，為內(nèi)生菌生存提供了良好條件，內(nèi)生菌多樣性與組成似乎也應相對穩(wěn)定，但其實內(nèi)生菌多樣性與多種植物、細菌和環(huán)境因素［21］相關(guān)，其中一些微生物似乎只適合生活在植物體內(nèi)，如存在于鹽生植物（Arthrocnemum macrostachyum）體內(nèi)的加拿大嗜色鹽桿菌（Chromohalobacter canadensis）和此前從未作為內(nèi)生菌報道過的Rudaea cellulosilytica，以及嗜冷桿菌屬（Psychrobacter）、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）和鹽單胞菌屬（Halomonas）等部分菌株，并不能總在其宿主生長的土壤中被檢測到［22］，也無法證實這些類群是由種子傳播的；而加拿大嗜色鹽桿菌在低鹽度植物體內(nèi)豐度低，但一旦在高鹽環(huán)境的植物中定居就會獲得優(yōu)勢［22］。此現(xiàn)象有悖于常識，但似乎可用代謝重置（Metabolism reconfiguration）［23］來解釋，即生存于高鹽環(huán)境的植物會被激活特定的生理和分子反應而導致代謝變化，從而為特定微生物提供更適合的營養(yǎng)或更適宜的環(huán)境。

土壤鹽梯度直接影響立地植物多樣性［24］和土壤微生物多樣性，隨鹽度增加微生物多樣性降低［25］，而內(nèi)生菌來源于土壤是公認的事實［26］，故此植物內(nèi)生菌多樣性必然受土壤鹽梯度的影響，如高鹽度環(huán)境鹽角草（Salicornia europaea）內(nèi)生細菌OTUs的數(shù)量較高，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteriodetes）為優(yōu)勢菌門，而低鹽區(qū)厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）的數(shù)量較多［27］，且鹽脅迫可促進內(nèi)生菌與植物的結(jié)合［28］，顯示鹽脅迫可塑造內(nèi)生菌多樣性和類群結(jié)構(gòu)，而不同種類的植物通過根分泌物介導根際微生物的豐度和活力［29］是內(nèi)生菌物種特異性的基礎。

植物體內(nèi)離子濃度受土壤含鹽量的影響［30］進而對內(nèi)生菌組成施加影響，其中最顯著的是植物的根，研究顯示鹽脅迫會導致植物根70%以上的內(nèi)生菌類群發(fā)生變化［31］。Szymańska等［11］對波蘭中部的兩個鹽梯度（55 dS·m-1和112 dS·m-1）鹽堿地的鹽角草根可培養(yǎng)內(nèi)生菌分析顯示，主要類群硬壁菌門和放線菌門源自低鹽區(qū)的分別占40.9%和36.4%，而源自高鹽區(qū)的則分別占31.8%和27.3%，顯示鹽度可降低優(yōu)勢菌群的豐度；采用高通量測序技術(shù)對生長在兩種鹽濃度土壤（113 dS·m-1和64 dS·m-1）的鹽角草根內(nèi)生菌多樣性分析顯示，高鹽分土壤鹽角草內(nèi)生菌主要類群包括浮霉菌門（Planctomycetes）和酸桿菌門（Acidobacteria），低鹽度土壤上內(nèi)生菌主要類群為厚壁菌門、放線菌門和綠彎菌門，變形菌門和擬桿菌門（Bacteriodetes）是兩個鹽度共有的優(yōu)勢菌門［27］。我國新疆古爾班通古特沙漠的鹽角草根、莖和枝的可培養(yǎng)內(nèi)生菌則以放線菌門（65.6%）為主，其次為硬壁菌門（18.8%）和變形菌門（15.6%）［32］，顯著區(qū)別于波蘭鹽角草。二者的區(qū)別是受原生境土壤理化性質(zhì)影響，亦或是受鹽梯度影響？依據(jù)目前資料尚難以做出判斷。但You等［33］對三個地理環(huán)境的三種濱海鹽生植物內(nèi)生真菌的研究顯示，不同物種間內(nèi)生菌類群差異巨大，且內(nèi)生菌對鹽的耐受性與宿主鹽環(huán)境相關(guān)，高鹽環(huán)境植物的內(nèi)生菌對鹽的耐受性更高，顯示植物內(nèi)環(huán)境并非之前認為的那樣溫和，其對內(nèi)生菌的生物學特性似乎具有“馴化”作用，即高鹽環(huán)境導致植物體內(nèi)離子濃度增加，進而“富集”了耐鹽類群或通過脅迫“馴化”了固有類群的耐鹽能力。

鹽梯度不僅影響鹽生植物內(nèi)生菌的多樣性，也會影響植物不同器官的內(nèi)生菌組成［28］。Bibi等［34］對豬毛菜（Salsola imbricate）內(nèi)生菌的分離鑒定顯示，根內(nèi)生菌優(yōu)勢類群是放線菌門，而葉中為硬壁菌門。Furtado等［35］對鹽角草的分析顯示，幼芽中的細菌多樣性顯著低于根，根內(nèi)生菌群落的變異也明顯高于枝條，且不同組織的微生物類群亦差異顯著。對鹽生植物補血草（Limonium sinense）內(nèi)生菌的可培養(yǎng)與非培養(yǎng)分析也顯示根與葉存在顯著差異［36］，顯示內(nèi)生菌類群也具有組織特異性。

2 鹽生植物內(nèi)生菌募集

共生是微生物與宿主相互選擇的結(jié)果［37-38］，植物體內(nèi)微生物群落的建立是由特定的規(guī)則控制的［39-40］，作用于宿主的選擇壓力會影響相關(guān)微生物群落，并為宿主選擇適合的微生物，從而影響植物的適應性［41］，而鹽生植物可能招募特定的細菌來增強它們對惡劣環(huán)境的耐受能力［36］。

內(nèi)生菌定殖是一個復雜的過程，可以分為五個階段：（1）游離于土壤中的微生物識別根分泌物并趨向運動；（2）吸附于根表面；（3）形成生物膜；（4）穿透根表面；（5）定殖于植物內(nèi)部［42-43］。內(nèi)生菌的定殖是通過一系列包括運動性、附著、植物聚合物降解和逃避植物防御等特性實現(xiàn)的［21］，其定殖過程的每一個階段都是由各種生物分子推動雙方基因表達而實現(xiàn)的［44］，其中微生物感應和快速響應植物信號并侵入宿主體內(nèi)的的能力是其定殖成功的關(guān)鍵。定殖首先是自由生活的細菌向根的趨化并附著在根表面，其中甲基受體趨化蛋白（MCPs）在第一階段起主要作用，這是一類跨膜傳感器，可以探測到細菌周圍的分子，從而引導它們接近或遠離植物根部［45］，而定殖過程與細菌運動性［46-47］、附著［48-49］、成功攻擊植物根表面［50-51］及適應體內(nèi)環(huán)境［52］等均相關(guān)。

內(nèi)生菌的主要來源是根際［53-54］。研究認為內(nèi)生菌源于土壤微生物群落在趨化作用下定殖于根［40，55-56］，然后遷移到地上部分，或通過垂直（種子）傳播［57］而建立。植物根是內(nèi)生細菌數(shù)量最多、種類最豐富的器官［58］，擁有大量微生物物種的土壤是微生物的“種子庫”，這些微生物的特性會影響植物的生理和根系分泌物的分布，進而對根內(nèi)微生物的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響［59］。試驗證實，接種到土壤的細菌首先在根際定殖［60］，然后附著在根表面形成細胞串［61］，之后在根表面和一些根真皮細胞定殖，形成微菌落或生物膜［62］。Wagner等［63］對一種多年生野芥屬植物Boechera stricta的研究表明，細菌群落在葉片和根系中具有高度相似性，表明細菌群落是從土壤中募集的［42］。Mora-Ruiz等［22］對鹽生植物Arrocnemum macrostachyum的根、綠莖和紅莖三個部位的內(nèi)生菌多樣性分析顯示，從根到紅葉其多樣性逐步減少，即細菌的定殖源于根際土壤，隨后通過根遷移到植物的空中部分，故此認為植物內(nèi)生菌來源于土壤。

植物只能募集已經(jīng)存在于土壤中的微生物［54］，故此土壤對植物內(nèi)部共生微生物組成和多樣性有決定作用，而土壤理化性質(zhì)是決定其中細菌種類組成的主要因素，根區(qū)土壤含鹽量是影響鹽角草內(nèi)生菌菌群構(gòu)建的主要因素，高鹽分土壤中δ-變形菌門（Deltaproteobacteria）、酸桿菌門、暖發(fā)菌門（Caldithrix）、纖維桿菌門（Fibrobacteres）和疣微菌門（Verrucomicrobia）顯著較多說明鹽生細菌在緩解鹽生植物的鹽脅迫方面具有潛在的作用［27］。同時土壤陰陽離子對內(nèi)生菌組成也有直接影響，如Szymańska等［27］報道，內(nèi)生細菌群落與土壤CaCO3、電導率（ECe）、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-呈正相關(guān)。但鹽堿土壤中微生物多樣性隨鹽濃度的增加呈線性下降，高鹽會降低微生物多樣性而增加相對豐度，細菌類群在鹽濃度3.5～4.5%與4.5～5.5%之間相似，但與1.5～2.0%和7.5～8.5%間顯著不同［25］，高鹽脅迫會增加微生物在根的定殖速率，表明鹽脅迫促進了內(nèi)生菌與植物的結(jié)合［28］。鹽生植物A.macrostachyum是可耐受高達1030 mmol/L NaCl的一種植物［30］，其內(nèi)生菌組成在不同鹽度土壤中生長時與相應的根際土壤群落共享9%到53%［22］，證實根定殖是其內(nèi)層組成的主要貢獻者［40］。

植物對內(nèi)生菌的募集是其相互間復雜交流的過程，微生物須識別根系分泌物中的特定化合物，而植物產(chǎn)生這些根分泌物是為了獲得自身的生態(tài)優(yōu)勢［64］。當然這個募集過程也受到植物內(nèi)環(huán)境和遺傳因素［65］的影響，而一旦進入根部，內(nèi)生細菌就可以系統(tǒng)地感染鄰近的植物組織而成為內(nèi)生菌，并通過對宿主的代謝與基因表達的調(diào)控而提高其環(huán)境適應性。

3 展望

內(nèi)生菌賦予宿主植物更廣泛的環(huán)境適應能力，而微生物是否可以成為內(nèi)生菌受多種因素的影響和限制。首先是宿主植物通過根系分泌物組建根際微生物群落，盡管此過程看似是由植物決定的，但實際上土壤固有微生物類群才是關(guān)鍵；被富集的微生物依趨化效應接近并在宿主根表面附著，然后啟動相應的侵入機制感染植物并在成功逃避宿主免疫系統(tǒng)后成為內(nèi)生菌。進入植物體內(nèi)的微生物相互間還會產(chǎn)生強烈的相互作用，包括對生態(tài)位和營養(yǎng)的競爭、對宿主代謝的調(diào)控、自身對內(nèi)環(huán)境的適應等，一方面獲得自身的生存空間，另一方面對宿主產(chǎn)生或正面、或負面（如病原菌）的影響。在全面了解微生物對宿主的調(diào)控機制的基礎上，采用對土壤施用微生物肥料（接種）的方式調(diào)控內(nèi)生菌類群是利用微生物增強植物環(huán)境適應性的重要措施，特別對于鹽生植物而言，選取耐鹽且可內(nèi)生的菌株接種于土壤，是拓展鹽生植物環(huán)境適應性的有效手段，必將對利用微生物促進鹽堿地植物生長改善環(huán)境起到積極作用。