全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第3期
收稿日期:2007-11-12
基金项目:国家863计划“2006AA10Z132”新世纪优秀人才;“楚天学者”奖励计划;“十一五”科技支撑项目“优质抗逆专用高羊茅、早熟禾新
品种选育(2006BAD01A194)”资助;北京市教育委员会-北京市重点学科建设项目
作者简介:王瑶瑶(1983-),女,汉族,硕士生,研究方向:草坪生物技术育种;E-mail:wangyangj2004@163.com
通讯作者:韩烈保(1965-),男,汉族,博士,教授,研究方向:草坪管理、草坪草育种、城市绿地节水等;Tel:010-62337982,E-mail:hanlb@tom.com
植物内生菌的研究始于 19世纪中叶,BeBary
(1886)首先提出内生菌一词“endophyte”[1]。内生菌
最早主要是指内生植物,后来被用来指禾本科植物
中那些属于麦角菌科(Clavicipitancene)的不引起症
状、系统发生、种子携带的内生真菌,以同附生的病
原真菌种类相区别[2]。目前,内生菌泛指一切生活
在植物体内的腐生、寄生和共生真菌及细菌等微生
物[3]。
1 禾本科植物内生菌的种类
1.1 内生细菌
根据植物与内生细菌的关系可将内生细菌分
为兼性内生细菌和专性内生细菌[4]。目前假单胞菌
属(Pseudomonas)、肠杆菌属、沙雷氏菌属(Seratia)、
产碱菌属(Alcaligenes)、志贺氏菌属(Shigela)和柠
檬细菌属(Citrobacter)及革兰氏阳性细菌一些属的内
生细菌都属于兼性内生,它们不仅存在于植物的根、
茎、叶,还常见于土壤。红苍白草螺菌(Herbaspirilum)
或织片草螺菌(H.seropedicae)只能够生活在高粱和
甘蔗等禾本科植物组织内,它们属于只存在于植物
内部而在植物根际无法分离到的专性内生细菌[5]。
Gagnes等人曾经从苜蓿的根中分离出丁香假单胞
菌(Pseudomonas)、假单胞菌(Pseudomonasspp.)、草
生欧文氏菌(Erwiniaherbicola)和欧氏杆菌(Eroinia
spp.)等内生细菌[6]。
禾本科植物内生菌研究进展
王瑶瑶 1 韩烈保 1,2 曾会明 1
(1北京林业大学草坪研究所,北京 100083;2长江大学园艺园林学院,荆州 430025)
摘 要: 从19世纪到现在,国际上已有许多关于植物内生菌的研究报道,无论是它在草坪草和牧草中的生态经济
价值,还是它所涉及相关领域如医学、病理,都引起人们对它的重视和关注。综述了禾本科内生菌的种类、抗性机制及其
应用,并据此提出了关于内生菌研究的一些问题,从而为进一步研究内生菌在禾本科植物中的作用提供参考。
关键词: 内生菌 禾本科植物 抗性机制 应用
TheSummarizeAboutRecentResearchProcessonGramineae
EndophyteSymbiosis
WangYaoyao1 HanLiebao1,2 ZengHuiming1
(1TurfgrassInstituteofBeijingForestryUniversity,Beijing100083;2ColegeofHorticultureandGardeningofYangtze
University,Jingzhou430025)
Abstract: Therearealotofresearchandreportsaboutplant-endophytefrom 1999stothisday.Notonlythe
importantzoologyandeconomicbenefitinturfandpasturearea,butalsothegreatefectoncorelativeareasuch
medicine,pathologyandsoon,itcausehumanhavealargishinrecognitionandatention.Thespecies、resistanceand
application aboutthegramineousendophyteweresummarizedin thisarticle.Someproblemsaboutthestudyof
endophytewerebroughtforward,accordingtowhichadvancedresearchontheroleofgramineousendophytewilbe
done.
Keywords: Endophyte GramineousplantResistance Application
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
1.2 内生真菌
内生真菌包括子囊菌纲麦角菌科瘤座菌族的
瘤座菌属(Balansia)和香柱菌属(Epichloe)[7]。至少
有 80个属的几百种禾本科植物被确认含内生真
菌[8]。内生真菌通常存在于草坪草的叶鞘,再生茎
杆及种子中。在热带草坪草种中,内生真菌是以瘤
座菌为主,主要分布在美国;在温带的草坪草种中,
以 Neotyphodiumloli和 Neotyphodiumcoenophialum
为主,这两种类型的真菌可穿透草坪草种子,所以
应用在增进草坪草的表现上(White,1987,Clayand
Leuchtmam,1989,ClementandKaiser,1994)。Epichloe
属内生真菌的无性型有 10余种,在人工培养下可
形成类似于顶孢霉属(Acremonium)真菌的分生孢
子。因此,早先曾把它们作为的一个形式组,但最近
的分子群落学研究表明,这 10余种内生真菌与其
它的种类在遗传本质上是不同的。因此,另外给出
来一个新属 Neotyphodium来归属它们。
1.3 内生放线菌
内生放线菌主要是内生链霉菌,存在于植物的
根、茎、叶中,其中根中含量最多[9]。Coombs等从小
麦根部分离到 58株放线菌,其中 51株链霉菌,4
株 Micromonospora,1株 Nocarioides,1株 Streptospo-
rangium,并从中筛选到防治小麦全蚀病的菌株,在
温室试验中可使小麦全蚀病的危害降低 70%[10]。
1953年尹莘耘从老苜蓿的根中分离出一种属于弗氏
放线菌属的细黄放线菌,并用该菌制成抗生肥料[10]。
2 禾本科植物与内生菌互利共生的关系
内生菌属于异养生物,植物提供养分供其生
存,它作用于宿主,促进宿主生长、提高宿主抗逆性
等。因此,内生菌与宿主植物属于互利共生的关系。
内生细菌除了可通过种子进行传播外,还可通过气
孔、水孔和皮孔等回到植物体内,或通过介壳虫以
及其他一些昆虫的协助进行传播和再分布;另外,
植物内生细菌还可以由根际真菌的携带达到重新
分布的目的[4]。内生真菌主要有 2种传播形式:一种
是不产生孢子,而是在植物开花期间,通过菌丝生
长进人植物的胚珠,经宿主的种子传播;另一种是
产生孢子,通过风、降水等途径传播[11]。其中,种子
传播为主要传播方式。
内生菌在植株体内的存在并不是永远稳定的,
它会随着环境变化而改变。实验证明,高羊茅种子
中内生真菌可在 21℃下存活 7~11个月,在 10℃、
6℃、-20℃下可存活 27个月。
自 1988年从甘蔗的根茎中分离到内生固氮醋
酸杆菌(Acetobacterdiazotrophicus)以来,先后在其
他作物中如玉米、高粱、水稻和牧草等分离到内生
固氮菌草螺菌(Herbaspirilumspp.)[12],还从生长在
巴基斯坦盐碱地的一种草中分离到固氮弧菌(A-
zoarcusspp)[13]。对这些内生固氮菌进行研究时发
现,这些菌类能向植物提供高达80%的氮量。杨海莲
等人利用从水稻中分离的几种内生细菌进行了研究,
发现它们能很好地诱导水稻对白叶枯病的抗性[14]。
Bacon、Latch等人经过实验发现感染内生真菌
的植株对生物和非生物胁迫的抗性比未感染植株
有很大提高。Clay对美国路易斯安娜州中部高羊茅
草场进行了 3年的观察,结果表明感染植株的存活
率比未感染植株高 50%。Arachevaleta等人通过温
室水分胁迫实验表明:在轻度水分胁迫(-0.05mpa)
下,含内生真菌的高羊茅产量比对照高;在重度水
分胁迫(-0.5mpa)下,75%的未感染植株死亡,而感
染植株全部存活[15]。梁宇等人以黑麦草为实验材料,
研究在不同强度的干旱胁迫下内生真菌(Neoty-
phodiumloi)侵染对草的影响,内生真菌感染种群
具有明显较多的分蘖数、在重度胁迫并经过恢复期
后,内生真菌感染种群具有较高根冠比[16]。
3 禾本科内生细菌的生物学作用
3.1 生物防治病原菌
用内生细菌进行生物防治的原理,主要是有些
内生细菌在植物体内可以产生一些抗生素对病原
菌有拮抗作用[4]。禾草内生细菌 Pseudomonasviridi-
flava,能产脂肽类抗生素 ecomycins,该抗生素对病
原真菌 Cryptococcusneoformans和 Candidaalbicans
有较强的抑制作用[17]。慕大草中分离的木质棍状杆
菌犬齿亚种(Clavibacterxvlisubsp.cynodontis)接种到
一些植物上后可以很快侵染到整个植物体中,利用
这一特点将苏云金杆(Bacilusthuriagieasis)的伴胞
晶体编码基因转移到这种内生细菌中,实现了对欧
洲玉米螟的生物防治(Miler.P.D,1993)。
3.2 促进生长
研究表明,有些植物内生细菌能产生植物促生
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物质,如植物激素等。在这方面研究最多的是吲哚
乙酸。假单胞菌属,芽抱杆菌属等都能产生分泌吲
哚乙酸或赤霉素。草生欧文氏菌(Enviaiahrbtcola)
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。吕泽勋等的
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。
3.3 生物固氮作用
很多植物内生细菌可以从空气中吸收氮气,并
将其固定为化合态氮。固氮内生细菌的内共生固氮
与根瘤菌的共生固氮不同,前者不形成特化结构,
而后者须在宿主植物上形成根瘤,才能发挥固氮作
用。有固氮活性的重氮营养醋杆菌能定殖在热带禾
本科植物的体内 (CavalrenteVA.,DobereinerJ,
1988)。织片草螺菌等几种草螺菌属于固氮内生细
菌,织片草螺菌能在许多禾本科植物上定殖,并进
行固氮作用(Olivares,F.L.1996)。
4 内生真菌提高禾本科植物抗逆性机制
4.1 抗虫机制
许多研究表明,被内生菌感染后的植物对昆虫
产生抗性,是由于这些内生菌代谢产生的化合物,
主要是 4种生物碱 (alkaloid):pyrolizidinealkaloid
(lolines),peramines,ergotalkaloids和 indolediter-
penoids(lolitrem)的作用。Lolines是黑麦草类生物
碱,具有广谱杀虫性,对小型哺乳类动物起一定毒
性作用[18]。Peramines是砒咯并砒嗪类生物碱,它使
昆虫产生拒食反应,主要是针对阿根廷象鼻虫[19];
Ergot是麦角碱,主要对植物病原菌和有害昆虫有
抗性;Lolitren是吲哚二萜生物碱,是一种神经毒
素[20]。除此之外,感染内生菌的草类还会产生一些
对植物害虫有抗性的其它活性成分,包括固醇类物
质麦角固醇、麦角固醇过氧化物等[21]。
另外一种抗虫机制则是由于植物体内固醇类
物质代谢的改变,以及真菌与昆虫的竞争,从而引
起了被真菌感染的植株上的幼虫生长缓慢,甚至死
亡[21]。因为固醇类物质是昆虫细胞膜和蜕皮激素合
成的重要物质,同时也是真菌生长的所需物质,真
菌是碳源异养微生物,它可以影响植物体内的碳源
平衡。植物被感染后,碳氮比明显升高。1995年,
Davidson和 poter对高羊茅做了施氮及虫害实验,
发现在施氮草上,樱桃燕麦蚜虫(chery-oataphids),
Rhopalosiphumpadi、Spodoptorafrugiperda、Schizaphis
graminumRondani的生长速率明显加快,而且,夜
蝉、跳蚤、甲虫的数量也明显多于未施氮肥的草。
然而在感染内生菌的草上,这些虫的数量却明显
下降[20]。
Sacalis-JN等人通过对草地早熟禾内生真菌的
实验,发现从感染植株中抽取的提取物对蚊子幼虫
有抗性[22];而从这些提取物中分离的某些化合物却
几乎不对幼虫有产生作用。这说明内生真菌对昆虫
的抗性作用还受着许多因素的影响,如宿主与内真
菌的相互作用[6],内生真菌的类别[23],植物组织中内
针生菌的浓度[24],内生真菌的基因型[25]等。
感染内生真菌的草对许多有害昆虫都有抗性,
如草地结网毛虫 (Sodwebworm)(Crambusspp.)
(Funketal.,1983),臭虫(Chinehbug)(Blissusleu-
copterushirtusMontandon)(Funketal.,1985;Math-
ias,1988;Siegal,1987),阿根廷茎杆象鼻虫(Argen-
tinestem weevil)(Listronotisbonariensiskuschel)
(Presstidge,1982;stewart,1985),早熟禾喙甲(blue-
grassbilbugs)(Sphenophorusparvulusgylenhal)(Ah-
madetal.,1986),粘虫(Fularmyworms)(Sphenopho-
rusfrugiperda)(Hardyetal.,1985)。
4.2 抗病机制
有一些报道认为内生真菌可拮抗真菌性病原
菌 (WhiteandCole,1985;Siegeletal.,1991),但最
新的一些研究认为内生菌对植物抗病性的作用
并非直接,而是通过一些间接的方式来增强其抗
病性。高狐草对茎锈病(Stemrust,Pucciniagraninis
subsp.graminicola)或叶斑病 (leafspot,Rhizoctonia
zeaeVoorhees)的病害反应,并不受内生真菌之共生
所影响(Chu-Chouetal.,1992)。最近的研究指出,
在一些含有内生真菌的细羊茅对 dolarspot(Scle-
rotiniahomeocarpa)有很好的抗性(B.B.Clarke,Rut-
gersUniv.unpublisheddata,1996)。但也有研究证
明,事实上,由于在草坪草生态中,病害的表现是涉
及到病原菌菌株,寄主基因型,环境因子及其他生
物的交互作用。因此,真菌性病害的抗性是一种相
当复杂的反应。内生真菌不能直接抗病原菌,而是
王瑶瑶等:禾本科植物内生菌研究进展 35
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第3期
通过间接强化寄主的能力,包括降低植冠的温度、
增加草坪草的密度、增强水份吸收的能力、加强植
物耐逆境的能力等方式,以增强植物对病害的抗性
(Baconetal.,1997)。关于内生真菌的抗病机制还
有待于进一步的实验证明。
4.3 抗旱性机制
植株能够抗旱,主要是因为它有渗透调节能
力。许多实验证明,感染内生菌的植物能够提高植
株的渗透调节能力。Bacon发现在高羊茅感染植株
中含有大量的渗透调节物质多元醇 (包括甘油、阿
拉伯糖醇、甘露醇、赤藓糖醇等),他们都是真菌的
代谢产物[26]。但是 White等人研究感染内生菌的高
羊茅,发现内生真菌并不影响植物的饱和渗透势、
零膨压水势、零膨压相对水分含量和质外体水分以
及渗透调节能力。因此,不能影响植物的抗旱性。所
以他们认为,内生真菌对植株抗旱性的影响很可能
是由于对其避旱性的改变[27]。有研究表明,感染植
株的根冠比明显大于未感染植株,这说明二者在有
机物的分配上存在差异:感染植株偏重于根系生
长,而未感染植株则偏重于地上部分生长。有发达
的根系,抗旱能力固然更高。还有研究表明感染植
株叶片更加宽厚,卷曲更严重[28],这就避免了水分
的蒸发与损失,提高植物的避旱性。
4.4 促进草生长机制
内生真菌影响感染植株体内的物质代谢,与宿
主植物互惠共生,促进植株对矿物质及其它营养物
质的吸收,并提高植物的资源利用效率,以促进植
株的生长。感染植株叶片和叶鞘中的可溶性氨基酸
总量,氨浓度增加而硝酸盐浓度降低,谷氨酰胺合
成酶(GS)活性显著提高,其活性提高氨的同化,可
提高植物对土壤 N的利用效率[29]。感染植株的根系
长度 (SpecialrootlengthSRL)明显大于未感染植
株,因此根的表面积和纤维结构也增大,这就提高
了根在土壤中,特别是贫瘠土壤中对营养物质的吸
收。在缺 P土壤中,感染植株的根和茎的干物质
(DrymaterDM)多于未感染植株的,且感染植株根
系和茎中的 P含量分别增加了 10%和 20%[30],同时
Cu、Mg、Zn和 Fe等矿物质也有所增加[31]。Richards
on等人(1999)以高羊茅为研究对象发现,感染内生
菌的植株 N素吸收提高了 58%;Lyons等人(1999)
发现内生菌对植物的氮代谢和氮积累有显著影响。
Uren和 Reisenewer发现根系能分泌某些物质,这些
物质会影响土壤微生物、根系周围的物理属性,还
有酸化、整合反应、氧化还原反应等。在缺 P条件
下,感染植株中的 Fe3+还原率高于未感染植株,且
根茎中石磷酸含量是未感染植株的 1.1倍[32]。内生
真菌还能产生促进植物生长物质如植物生长素、赤
霉素以及细胞分裂激素等,直接促进植物生长。
5 内生菌的应用及发展
5.1 内生细菌的应用
内生细菌主要应用在农业生产实际中,将植物
内生细菌制成菌剂或无土混合制剂进行拌种而加
以应用。杨梅莲等人从水稻中分离的内生固氮细菌
阴沟肠杆菌 MR12,通过浸种或喷秧可以防治多种
水稻病害[14];Pan和 Vessey报道指出,部分内生细
菌能分泌生长素与细胞分裂素等能促进植物生长
的化学物质[33]。内生成团泛菌 YS19可产生多种植
物生长激素,在水稻乳熟前期接种旗叶,能促进光
合产物由源向库的转移[34]。在分子生物学方面,应
用基因工程技术,促进内生细菌对植物病害的生物
防治,如用基因工程手段将苏云金芽孢杆菌抗甲虫
的内毒素基因导入马铃薯以提高其抗虫性,而寄主
中的内生细菌仍能存活[35]。由于农药和化肥的使用
以及农田耕作的单一化使植物和土壤中微生物的
多样性大为减少。研究植物内生细菌对于重新建立
植物体内细菌的多样性,保护植物减少来自环境和
虫害的压力,为植物提供氮肥和植物促生长有重要
作用。
5.2 内生真菌的应用
由于内生真菌对于宿主植物生长发育和抗性
生理上的有益作用,其应用受到越来越多研究者的
注意。鉴于内生真菌的毒性问题,它在粮食作物生
产和牧草栽培上的应用受到一定限制,但对于城市
草坪来说,内生真菌的这些特性恰好是人们所期望
的。目前,美国、澳大利亚、新西兰和欧洲一些国家
的种子公司都提供内生真菌感染率高的草种,据估
计仅 1990年,全世界就有 6000t内生真菌感染的
黑麦草种子得到利用(Funk等,1993)。现在已经培
育出的含有内生真菌的种类除了多个品种的黑麦
草外,还包括草地早熟禾(Poepratensis)、高羊茅、紫
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羊茅(F.rubra)、蓝羊茅(F.glauea)、硬羊茅(Flongi-
folia)以及剪股颖(Agrostisspp.)等若干品种[36]。
内生真菌代谢物的应用也受到了人们的关注,
利用许多内生真菌的代谢物对害虫和植物病原菌
的抑制和杀灭作用,可以把内生真菌作为对环境无
害农药的又一来源,这对于草坪养护不仅可以降低
施肥和喷药的成本,还可极大拓宽草种的选择范围
及草坪草的应用。目前对于内生真菌的研究主要集
中在高羊茅和黑麦草两个经济属中,Richardson研
究认为暖季型草坪草中没有感染内生真菌,这使得
内生真菌在草坪草中的广泛应用大受限制。运用转
基因技术和其它菌种回接技术将其它草种中的内
生真菌转接到暖季型草坪草如结缕草、狗牙根中,
从而既促进结缕草的生长又提高其抗性,使得草坪
草育种工作又有了更广阔的发展。另外,还可通过
将抗病虫基因转入到草坪内生真菌中,这比直接在
草中转入抗病虫基因简单容易,且更容易被运转。
所以,基因工程在草坪草内生菌研究中的应用也会
越加广泛。
5.3 内生放线菌的应用
对于内生放线菌的应用主要集中于链霉菌,据
统计,链霉素产生的抗生素占放线菌素的 95%以上
(北农编,1998)。目前,我国的农用抗生素产生菌均
为链霉菌,现已发现,在链霉菌的代谢产物中,还包
括多种在植物病害防治中有活性的物质以及植物
激素[37]。
6 内生菌研究中存在的问题
6.1 内生菌的存在
内生菌在植物中的存在是相对,而不是绝对。
有研究表明,植物中几乎不存在完全不感染内生菌
的植株。所以,对于“感染植株”及“未感染植株”的
界定尚不明确。
6.2 内生菌的保存
因为内生真菌通常只通过种子进行传播,种子
中含有大量内生真菌。然而,在一般储存条件下,如
低温冷冻会使内生真菌无法存活,在高温及高湿度
下储存的种子(Weltyetal.1987),在 1年内会失去
所有的内生真菌。不当的储存方法限制了内生真菌
在草坪草上的应用价值,因此,必须找出一种可适
应一般储存方式的内生真菌菌株。
6.3 内生菌分离、检测
在分离过程中,消毒过长或过短都会影响分离
内生菌种类的多样性,需要寻找一套切实可行的内
生菌标记和检测系统,才有利于其功能的研究与开
发利用。
6.4 内生真菌的毒性
内生真菌具有双重特性,一方面促进宿主生长
并提高其抗逆性,一方面引起食用宿主的动物中
毒,因此在牧草育种上,应筛选出既能提供植物抗
虫性和抗逆性又对植食动物无害的内生真菌种类。
6.5 内生菌作为生防因子
内生菌要作为生防因子,必须考虑它的病理学
作用。主要包括在正常条件下或恶劣环境下对寄主
植物是否致病,内生菌与植物建立的共生关系与其
它微生物与植物建立的共生关系是否一致,相互作
用如何等等。
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