全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第1期
收稿日期:2007-09-25
基金项目:科技部支撑计划课题(2006BAD08A08);国家重点基础研究发展规划项目(No.2002CB111400)
作者简介:黄晓辉(1984-)女,硕士生,主要研究方向为微生物资源开发利用
通讯作者:谭周进,E-mail:tanzhjin@sohu.com;谢丙炎,研究员,xieby@mail.caas.net.cn
自从 1886年,Bary[1]提出内生菌概念以后的大
约 100年间,内生菌的研究进展缓慢。直到 1993
年,Strobel[2]从短叶紫杉(Taxusbreviforlia)分离到一
株内生真菌,它能产生与宿主植物产生同一产物的
肿瘤治疗剂紫杉醇,启发了人们可以从植物内生菌
寻找植物产生的相同或相似的化合物,扩大了药用
微生物资源的范围,从而刺激了植物内生菌的研
究。植物内生菌(endophyte)是指那些在其生活史的
一定阶段或全部阶段生活于健康植物各种组织和
器官内部或细胞间隙的真菌或细菌[3]。它是植物微
生态系统中的组成部分,在不同健康植物的根、茎、
叶及果实中均生活着微生物的正常菌群。它们的代
谢活动及产物可促进宿主植物适应外界各种 (生
物、非生物)环境压力,维持生态系平衡。迄今的研
究表明,植物内生菌可与植物结瘤固氮,产生生长
素促进宿主生长,产生抗生素增加植物的抗病性,
产生次生代谢活性物质使植物具有抗逆、抗虫、除
草功能。从而,植物内生菌的诸多功能性状成为人
们实际利用的新的生物资源,近年来成为微生物资
源研究的热点之一。
1941年,美国放线菌专家 Waksman与其同事
从放线菌培养液中找到紫放线菌素,到 1944年第
一个用于临床的放线菌产生的抗生素-链霉素。自
20世纪 60年代起,开始从微生物代谢产物中寻找
具有除抗菌作用外的其他生理活性物质,抗肿瘤抗
生素、抗病毒抗生素、抗虫抗生素、农用抗生素等的
工作蓬勃开展。每年继续有 500种新化合物和一些
老化合物的新活力活性被发现,使微生物药物的研
究进入了黄金期。放线菌是产生生物活性物质的主
要微生物,1991~1998年日本获准专利的抗细菌新
抗生素 122件,2/3是放线菌产生的;获准的抗真菌
新抗生素 82件,32件放线菌产生的;获准的抗肿
植物内生放线菌研究进展
黄晓辉 1,2 李珊 2 谭周进 2 谢丙炎 3 伍参荣 2 杨友才 1
(1湖南农业大学生物科学技术学院,长沙 410128;2湖南中医药大学基础医学院,长沙 410128;
3中国农业科学院蔬菜花卉研究所,北京 100081)
摘 要: 内生放线菌指存在于健康植物体内,产生系列活性物质并能与宿主植物共同生活的放线菌菌落。就在实
际生产中用于生物防治的主要内生放线菌种类,能够防治的主要病害,及其生物防治的机理和生产上已经应用的制剂等
多方面进行综述。
关键词: 内生放线菌 生物防治 生防机理
ProgressofStudyonEndophyticActinomycetesinPlant
HuangXiaohui1,2 LiShan2TanZhoujin2 XieBingyan3 WuCanrong2 YangYoucai1
(1SchoolofBiologyScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128;2SchoolofPreclinical
Medicine,TCMUniversityofHunan,Changsha410208;3InstituteofVegetableandFlower,ChinaAcademyofAgricultural
Science,Beijing100081)
Abstract: TheendophyticactinomycetesarethoselivinginhealthyplantWhichcouldproduceactivematerial
together.The main endophytic actinomycetesspecies,preparation used in practice,diseasesand mechanism which
endophyticactinomycetescouldcontrolweresummarizedinthisbrief.
Keywords: EndophyticactinomycesBiologicalcontrolBiologicalcontrolmechanism
2008年第1期
瘤新抗生素及杀细胞物质 222件,其中放线菌产生
的达 166件;获准专利的其他生物活性物质 399
件,放线菌产生的达 181件。可见,放线菌普遍产生
抗细菌、抗真菌、抗癌、和其他生物活性的物质。
1 内生菌在植物内的分布
内生菌普遍存在于各种陆生及水生植物中,具
有种类多、分布广、活性强的特点[4]。从目前研究结
果来看,调查的几乎所有植物内均含有一定数量的
内生菌,并且其广泛分布于植物的根、茎、叶、果实
种子中。Taechowisan等[5]从 2个科 31种植物的叶
子分离到 97株放线菌,出菌率占样品总数的 71%;
从茎分离到 21株,出菌率占 30%;从根分离到 212
株,出菌率占 80%。浙江省农业科学院 2003至
2005年从雷公藤(TripterygiunWilfordiHook)的不
同组织中共分离到内生真菌、细菌和放线菌 614
株,其中从根中分离到的菌株占 50%;茎中占
44%;叶中占 6%。而从银杏中分离出内生菌株 159
株,其中从根中分离出 72株,占 45.3%;从茎中分
离出 55株,占 34.6%;从叶中分离出 32株,占
20.1%。总体而言,内生菌在林木组织中以根部最
多,茎部次之,叶部较少,而在一年生和多年生的经
济作物中,根部最多,叶茎中数量相近。
2 用于生物防治的植物内生放线菌主要种类
从 Cohn(1872)发现放线菌至今,己经报道了
69个属 1687个种。用在植物病害生物防治中的主
要是链霉菌属(Streptomyces)(表 1)及其相关类群[5]。
大家熟知的内生放线菌是弗兰克氏菌(Frankia),
它们至少能与 14个科 300多种非豆科植物共生。
弗兰克氏菌与许多非豆科植物共生结瘤,固定空气
中的氮素,供植物利用。在干旱地区种植耐旱植物
(如沙棘,冬瓜树等),人工接种弗兰克氏菌,能提高
植物的存活率,增加植物生长速度[10]。在弗兰克氏
菌中,大多数菌株可以耐受 Pb2+(6~8mmol/L)、
CrO42-(1.0~1.75mmol/L)、AsO43-(>50mmol/L)与 SeO22-
(1.5~3.5mmol/L),但对 Ag+、Aso2-、Cd2+、SbO2-与 Ni2+
敏感,不同菌株对 Cu2+耐受程度也不同,并且各种
菌株对重金属离子的解毒机制也不相同,弗兰克氏
菌的这种特性可能有利于增强宿主植物对重金属
离子抗性[11]。
红球菌属是除弗兰克氏菌外,近年来研究较详
细的内生放线菌,其中的 2个种 R.fascians与 R.
erythropolis具有固氮能力。但 R.fascians更引人注
意的特征是可感染双子叶与单子叶植物,干扰植物
激素平衡,形成叶瘿,这种叶瘿的维持需要菌体的
存在,如果去除菌体,则这种多胚芽会继续发育,在
植物种质保存与快速繁殖领域有重要应用前景。
3 放线菌产生的活性物质(表 2)
表 1 从植物分离到的内生链霉菌
表 2 放线菌产生的系列活性物质
黄晓辉等:植物内生放线菌研究进展 43
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
4 植物内生放线菌在生防中的应用
4.1 植物内生放线菌防治的主要病害种类(表 3)
4.2 植物内生放线菌生防的主要机理
4.2.1 产生抗生素、水解酶、生物碱类物质 抗生
素是一类异源小分子化合物,在低浓度下可以对微
生物的生长或代谢产生影响[18]。在植物病害的生物
防治中,根部定殖的微生物产生的抗生素起着重要
的作用,这可以用抗生素产生突变体获得证明。内
生菌产生的抗生素类物质存在植物体内,在植物体
内转运,利于发挥防病作用[19]。根际内生菌产生的
抗生素物质包括 2,4-二乙酞藤黄酚(PHL)、吩嗪羧
酸(PCA)、藤黄绿脓菌素(pyoluterin,PLT)、硝吡咯
菌素(pyrolnitrin,PRN)、脓青素(PYO)、HCN和一
类丁酰内酯(butyrolactones)。
4.2.2 产生水解酶 植物内生真菌和内生细菌另
一个重要的生防机制是产生水解酶类,如几丁质酶
和葡聚糖酶。这些水解酶与植物抗真菌能力有密切
关系,因为真菌细胞壁的主要组成成份是几丁质和
葡聚糖。这些水解酶可以降解真菌的细胞壁或其它
致病因子如毒素等,达到防病效果。一种用于防治
水稻稻瘟病的内生细菌 Pseudomonasfluorescens产
生的几丁质酶和葡聚糖酶的水平与它的防病效果
有密切的关系[20]。某些生防菌的几丁质酶基因己经
被克隆,可以将这些基因转化到内生菌中,发挥内
生菌的优势,提高防病效果。一种用于防治棉花黄
萎病的内生菌,可产生某些蛋白酶降解毒素达到防
病的效果[21]。
4.2.3 产生植物生长调节剂 内生菌也可产生植
物生长激素类物质,如 IAA、吲哚乙腈等。Lu等[22]发
现大多数黄花蒿内生真菌在体外培养时能产生对
小麦和黄瓜幼苗生长不同程度的抑制或促进作用
的代谢产物,对其中一种炭疽菌(Coletotrichumsp)
发酵产物的深入分析表明,该菌能产生植物生长激
素 IAA。假单胞菌属、肠杆菌属、葡萄球菌属
(Staphylococcus)、固氮菌属(Azotobacter)以及固氮
螺菌属(Azospirilum)内生细菌的一些菌株也可产
生植物生长调节物质如乙烯、生长素、细胞激动
素,对宿主植物的生长起促进作用[23]。草生欧文氏
菌(Erwiniaherbicola)不仅能产生吲哚乙酸,而且还
能产生细胞分裂素。这些物质都能有效地促进植物
的生长。从墨西哥分离的 18株重氮营养醋杆菌
(Acetobacterdizotrophicus)都有产生生长素的能力[24]。
表明重氮营养醋杆菌在与植物相互作用过程中不
仅能固氮,而且还可以通过生长素的调节作用影响
植物的代谢,促进植物生长[25]。最近的一项研究表
明,产酸克雷伯氏菌(Klebsielaoxytoca)产生的生
长素对水稻植株的生长和发育起着重要的调节作
用[26]。
4.2.4 与病原菌竞争营养物质 内生菌可以与病
原菌形成营养竞争的对抗关系,使病原菌因得不到
正常的营养供给而消亡。某些根际定殖内生细菌能
产生噬铁素与病菌竞争铁元素,而植物并不受其影
响。荧光假单胞杆菌能产生一种黄绿色噬铁素与病
菌竞争铁,导致病菌因得不到铁元素而死亡,但在
铁充足的情况下,此种竞争引起的病害下降就不明
显[27]。田新莉等[38]证明水稻内生真菌在平板颉抗试
验中是通过竞争铁元素来抑制纹枯病菌的生长的。
4.2.5 促进宿主植物生长或增强抵抗力 感染内
生菌的植物一般具有比未感染内生菌的植株生长
快速的特点。内生菌可增进宿主植物对 N、P、K等
表 3 内生放线菌防治的主要病害种类
44
2008年第1期
营养元素的吸收。内生菌帮助植物吸收营养一个最
典型的例子是内生固氮菌,1988年从甘蔗的根茎
中分离到内生固氮营养醋杆菌,后来在其它作物中
如玉米、高粱、水稻等分离到内生固氮菌草螺菌,从
巴基斯坦生长在盐碱地的 Kalar草中分离到固氮
弧菌(Azoarcussp.)。人们在研究这些内生固氮菌
时发现有些菌类能提供植物高达 80%的氮量[29]。傅
正擎等[30]用内生菌及其代谢产物与棉花黄萎病菌
共培养的方式,证明内生菌可通过促生长作用来提
高棉株的抗逆性。陈世苹等[31]证明,在正常条件下,
感染内生真菌的黑麦草体内保护酶系统如 POD、
SOD的活性明显高于未感染内生真菌的植株,并认
为内生真菌很可能增强了植物的 SOD活性调节能
力,从而对植物的抗旱性产生有益影响。许多研究
表明,感染内生菌的植物比未感染内生菌的植物具
有更强的抗干旱、盐碱等胁迫的能力。
4.2.6 诱导植物产生抗性 对这个生物防治机制,
VanLoon[32]和 VanWees等[33]叙述的较为清楚。他们
认为石晶盈等在植物内生菌及其防治植物病害的
研究进展一文中阐述了根际微生物包括在根内定
殖的微生物能诱导植物产生一种抗性,这种抗性不
同于传统的系统获得性抗性 (systemicacquired
resistance,SAR),命名为诱导系统抗性(induced
systemicresistance,ISR)。ISR表型与病菌诱导的
SAR相似,都能诱导植物产生对病菌的广谱抗性。
但 ISR中所包含的抗性机制没有病程相关蛋白
(PR)的产生。目前对 ISR的抗性机制知道得不如
SAR的抗性机制清楚,一般认为 ISR的抗性与植保
素水平的提高和酚类物质积累有关。ISR和 SAR信
号传导途径是两种不同的路径。同时内生菌能诱导
植物产生一些结构方面的抗性,Benhamou等 [34]用
内生菌 BaciluspumilusstrainSE34预接种基因转
化豌豆,然后接种病菌,如果病菌的生长限制在木
栓层和外皮层内,在病菌企图侵入部位,通过木质
和酚类物质的大量沉积,这些细胞的胞壁得到加
厚,有效阻止了病菌的侵入。
4.2.7 产生生物碱 植物内生真菌可以产生多种
生物碱,大多生物碱对食草动物和昆虫具有毒性,
其中一些对植物病害也有防治作用。Li等[35]从雷公
藤 (Tripterygiumwilfordi)中分离到一株内生真菌
(Cyptosporiopsiscf.quercina),从其液体发酵产物中
分离到一种新酰胺生物碱(cryptocin),对稻瘟病菌
(Pyriculariaoryzae)有抑制作用。Elmi等[36]推测感染
了内生真菌的高羊茅植株的抗线虫性与内生真菌
产生的生物碱有关[37]。
5 植物内生放线菌生防制剂的研究
我国农用抗生素的研究开始于 20世纪 50年
代,是随医用抗生素之后发展起来的,其中一些品
种已达到世界先进水平。在我国现有登记注册的抗
生素品种有 23种,产品 170个,生产厂家达 253
家,年制剂产量达 8万多吨[38]。其中正式登记的杀
菌剂品种有井冈霉素、农抗 120和多抗霉素等 9
种,临时登记的杀菌剂品种有中生菌素、宁南霉素
等 4种。临时登记的杀虫、杀螨剂品种有浏阳霉素、
华光霉素和阿维菌素,除草剂品种有双丙氨磷、鲁
保一号、Devine、Colego。取得了巨大的社会效益、
经济效益和生态效益。
微生物仍然是我们人类不断获得知识和发展
生物技术的重要载体。医药工业的发展使人们认识
到微生物多样性是发展健康保护和疾病控制新药
的必需和潜在的重要因素。其理由是:50%以上的
先导化合物均源于微生物;市场最低估计微生物药
物大约为 500亿美元,占居整个药物市场值的一
半。根据 VICURONANTIBIDTICLIT-ERATURE
DATABASE的统计,自 1950年以来的研究报告和
专利显示,描述的微生物源生物活性代谢产物有
31600多种,其中 20,200种具有体外活性。最近的
BearStearns (www1bearstearns.com /conferences/
healthcare2004)报告称,已经在市场上和临床实验
应用的 800个微生物源天然化合物中,其靶标是
57%抗肿瘤,9%抗炎症,9%抗感染,5%治疗心血
管,4%治疗糖尿病,2%治疗呼吸道。放线菌源的抗
生素占整个抗生素的 67%(主要是链霉菌 52%和稀
有放线菌 15%)。而在非抗生素的代谢产物中源于
放线菌的也有 40%。
1986年科研工作者从土壤稀有放线菌棘孢小
单胞菌 (Micromonosporaechinosporasp.calichensis)
的发酵液中分离出来了 Calicheamicin,至此人们发
现了迄今为止抗癌性最强的抗生素-烯二炔类抗生
素。他科莫司 FK506是日本首次从筑波链霉菌
黄晓辉等:植物内生放线菌研究进展 45
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
(Streptomycestsukubaensis)的发酵液中提取的一种
23元环的大环内酯类免疫抑制剂,与 1993年 4月
藤泽公司获准以商品名 Prograf投入市场用于肝脏
移植。西罗莫司 RPM是 1975年由土壤链霉菌属
Hygrosloplicus产生的一种亲脂性 31元环三烯大内
酯类抗真菌抗生素[39]。2004年,李文均等[40]在云
南河口分离到白色诺卡氏菌 (Nocardiaalbasp.
nov.)。该菌株具有很强的抑制一氧化氮(NO)合成
酶作用、其发酵物可能是新型、高效、无毒的天然药
物的放线菌分离株。2000年,胡继兰等[41]从南极乔
治王岛土壤分离到一株诺卡氏菌形放线菌 C3905
菌株。产生抗肿瘤抗生素 sandramycin。林亲雄等从
青海盐碱土壤样品中分离到一株兼性嗜碱放线菌
YIM90022,该菌株的发酵产物具有很强的体外抗
胃癌、肺癌、乳腺癌、皮肤癌、肾癌和子宫癌肿瘤细
胞株活性[42]。20世纪 60年代开始就有生物除草剂
方面的研究,其突出成果是防除大豆田菟丝子
(Cuscutaaustralis)的微生物除草剂 “鲁保一号”
(Coletotrichum gloeosporioides PenzSacc f. sp.
cuscutae)。而国际上则有美国 Devine、Colego等产
品。诺卡氏菌形放线菌(Noeardioformactinomycetes)
NA3-540产生的 β-甘露聚糖酶(ManNA)能不同程
度地水解槐豆胶、瓜胶、田菁胶和魔芋胶等甘露多
聚糖为组分的植物胶,生成系列甘露寡糖;在食品、
医药、造纸、农业饲料、纺织印染、石油开采及生物
研究技术等多方面广泛运用[43]。
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