植物内生菌的侵染定殖研究概况

眉山丰禾农资
论文作者:王吉永 郭龙妹 高林怡

植物内生菌是指在植物的部分或全部生活阶段、存活于健康植物体内、不使植物表现出明显病害症状的微生物类群。内生菌主要包括内生细菌、内生真菌和内生放线菌等,广泛存在于植物体内,并与宿主长期协同进化,具有增强寄主抗逆性、促进生长、提高植物损伤后的修复效率等作用,其促生长、抗逆等作用在生物菌肥、生物固氮方面已得到一定程度的应用。现代植物育种栽培会经历从快繁体系进入大田生产的过程,内生菌在此过程中参与并完成植株微生态体系的构建。人工干扰下内生菌参与构建微生态群落的过程涉及到侵染方式和定殖规律的影响,研究内生菌对宿主的侵染特性可为提高其定殖能力和效果提供一定指导性,在增强宿主抗逆性、提高植物产量等方面具有重要的研究价值。自1株能产紫杉醇的红豆杉内生真菌被发现以后,许多研究结果相继表明,药用植物内生真菌能产生与宿主植物相同或相似的次生代谢产物,并能提升药用植物品质。目前已对很多药用植物进行了内生真菌的研究,如重楼、山药、杜仲、银杏等。药用植物内生真菌的研究发展将成为解决中药材资源和品质的突破口之一。因此,研究植物内生菌的侵染定殖规律,将其对宿主的有益方面应用到植物的生产或栽培当中,无论对作物还是药用植物都具有较大的研究和应用价值。

1 接种方法

人工接种植物内生菌是模拟自然界内生菌通过自然孔口和伤口侵染植物的方式,利用植物自然孔口(如气孔)或人工制造切口对植物进行内生菌接种。植物在生长过程中根系与土壤或其他培养基质摩擦形成的创口和植物茎干上的皮孔、蜜腺、胚根,以及叶片上的气孔、水孔等伤口和自然孔口或人工切口均可作为内生菌侵染植物的通道。

根部侵染常用方法有灌根法、蘸根法、浸根法、伤根法等,茎干侵染的方法有针刺法、打孔法等,叶片侵染常用喷雾法、伤叶法等。部分研究将灌根法与喷雾法相结合对植物进行接种。根部定殖研究出现频率最高,这可能与植物主要通过根部从土壤或培养基质中吸收营养物质有关,植物根部在吸收营养物质的同时也更容易受到土壤或培养基质中内生菌的侵染。

2 侵染特性

2.1 定殖动态

内生菌侵染宿主植物后在宿主体内的定殖是一个动态过程,不仅体现在植物组织水平上,还体现在定殖时间轴上。迟峰研究根瘤菌在植物体内的迁移运动,发现根瘤菌对水稻的侵染开始于根际表面的定殖,然后从根的裂隙进入根内,向上迁移到叶鞘和叶部分。李强等将田菁茎瘤固氮菌侵染小麦根部,观测到菌株定殖于小麦根部,并向上迁移至小麦叶片,在气孔处定殖。这些研究结果揭示了内生菌菌株在植物各组织间的定殖是一个动态过程。内生菌在植物体内定殖的时间轴上,其定殖量也是一个动态变化的过程,即在整个定殖期,定殖量会呈现消长变化。赵明富等的研究结果显示,变栖克雷伯氏菌在石斛体内的定殖量呈现先增后减的变化;吴霭民等对棉花多个部位进行内生菌73a接种后,内生菌的数量都表现出共同的由增到减的趋势,对内生菌的定殖动态作出了进一步阐释。无论是植物各组织器官间的迁移运动还是某一时间段定殖菌量的变化,不同环境条件、不同内生菌种所呈现出的定殖动态不完全相同。

2.2 组织特异性

相同侵染条件下,内生菌在同一植株的不同组织中定殖量不同。刘涛研究了番茄内生芽孢杆菌的定殖规律,结果显示番茄不同组织中,该内生细菌的定殖数量梯度表现为根>茎> 叶>种子;杨珍福等有相似发现,他们用烟草内生细菌对烟草进行灌根处理后,宿主不同部位的定殖能力表现为根>茎>叶,证明了相同侵染方法下,内生菌在同一植株不同器官组织中的定殖量也存在差异。内生菌在植物不同组织间的定殖差异与多种因素有关,体现在内生菌的种类、数量、接种形态以及植物品种和所处环境等方面。

3 定殖作用

3.1 防治作用

目前,内生菌定殖作用的研究主要集中在防治植物病虫害、促进植物生长方面。内生菌定殖对植物病虫害的防治作用已有一系列研究。杨洪凤等研究内生解淀粉芽孢杆菌对小麦赤霉病的防治作用,发现不同稀释倍数的菌株发酵液对赤霉病的防治效果具有显著差异,最好的防治效果高达 90.7%,说明菌液浓度对防治效果具有显著的影响。黎起秦等分别用浸根法和针刺法将内生菌B47接种到番茄植株中,结果显示2种接种方法对番茄青枯病均具有良好的防治效果,但浸根法的防治效率高于针刺法,揭示不同的接种方法间防治效果存在差异。

3.2 促生长作用

某些内生菌定殖到植物体内后对植物具有促进生长的作用。刘涛将不同浓度的内生芽孢杆菌悬液对番茄进行浸种处理,发现该内生菌发酵原液对番茄种子萌发和幼苗生长具有抑制作用,而不同稀释倍数的发酵液对种子萌发和幼苗生长均有明显的促进作用,说明内生菌对植物生长是否发生促进作用以及发挥作用的效果与菌悬液的浓度有关。米士伟用多种菌糠制备球毛壳ND35菌肥后接种黄瓜幼苗,结果显示各组菌肥处理的黄瓜幼苗株高、根鲜质量均高于对照组,但各组菌肥间的作用效果存在差异,提示内生菌菌肥对植物的促生效果与菌糠类型有关。

3.3 在药用植物中的作用

植物内生菌对宿主还具有许多其他作用。在药用植物内生真菌的研究中,发现许多药用植物内生真菌具有抗肿瘤、抑菌、产生药用活性成分等作用。还有研究发现,内生真菌可以促进宿主生长、提升药用植物品质。内生真菌在药用植物中的这些优势作用在新药研发、药用植物栽培生产、菌肥开发、生防菌研发、土壤生态修复等方面显示出巨大的开发潜力,但具有有益作用的药植物内生真菌的侵染定殖研究报道较少,目前内生真菌在药用植物中的研究主要處于试验研究阶段,真正投入生产使用的报道鲜少见到,其原因可能主要是药用植物涉及到安全用药问题。

4 定殖能力的影響因素

4.1 菌株运动性

菌株的运动性体现在其趋向性上,即菌株通过比较与化学物质浓度相关的不同环境属性得到所需要的方向信息,并对周围环境进行运动反应。菌株对于根部分泌物的趋向性反应被认为是定殖的主要因素。土壤中的养分发生改变有可能导致根际分泌物发生改变,从而影响土壤中的生化进程。Somers等的研究结果显示,根表面渗出的糖类、氨基酸等物质可以刺激菌根真菌产生趋向性反应,从而使其定殖于根表面[35]。增加或者减少土壤中的有效养分,都有可能通过改变根际分泌物而改变土壤中的生物与化学进程。因此,菌株运动性对定殖率的影响实质上是宿主所生长的土壤环境对定殖率的影响。

4.2 接种方式

内生菌的侵染定殖率与接种方法有关。布婷婷等比较不同的接种方式后发现,使用喷叶接种法的菌株Y13定殖量大于蘸根法和灌根法,表明采用不同的接种方式定殖效率也不尽相同。祝明亮等比较浸种法和侵染成苗的定殖效果发现前者效果较好,推测这可能与生态位有关。植物成苗后生态位被环境微生物所占用,内生菌侵入后与已占据生态位的微生物间相互竞争,这可能是浸种法的定殖效果优于侵染成苗的原因。张冬冬等采用浇土、浸种、拌种等3种方法处理棉花种子,结果表明使用浇土法的Z-5菌株在棉花体内定殖效果要优于浸种法和拌种法;3种处理方法下定殖量达到饱和值的时间不一样,其中浇土法用时最短,推测这可能与土壤中拮抗菌的数量相关,不同处理方式影响土壤中拮抗菌的数量。定殖率还可能因群落中拮抗菌的种类不同而存在差异。

4.3 接种环境
4.3.1 植物组织器官

内生菌定殖能力还受植物生长阶段、组织器官及土壤性质等定殖环境的影响。童琳等研究菌根真菌侵染对植物生物积累量的影响发现,侵染率与植物径向生长速率相关,植物生长迅速的阶段侵染率更高;相同树种中,侵染率随着植物胸径的增大而倾向于增高,推测内生菌侵染率可能受植物代谢活动影响。金岩等对五味子内生拮抗菌JYg07进行定殖研究,发现所用处理方式均可使该菌株在五味子体内定殖并传导,但不同组织器官中定殖量和定殖高峰的检测时间均有所差异,其检测结果显示,不论哪种接种方式,JYg07都可以在五味子体内稳定定殖,且在根内的定殖大于茎和叶,究其原因可能是所选菌株对不同器官的偏好性存在差异。

4.3.2 土壤性质

土壤性质包括土壤盐浓度、渗透性、pH值等。Compton等认为,施氮肥降低菌根真菌侵染率的原因主要体现在2个方面,一是施氮肥会导致真菌生物量减少,而真菌生物量和数量的降低可能会导致菌根真菌浸染率降低;二是施氮肥可能降低根系对菌根真菌的依赖程度,进而降低侵染率。刘润进等发现,施氮肥处理会直接影响孢子萌发和菌丝生长,根际真菌数量会影响菌根真菌的发育。土壤的pH值也是影响内生菌根发育的因素之一,多数菌根真菌的发育倾向于适度偏酸性土壤。

5 展望

植物内生菌的侵染定殖涉及侵染方式和定殖规律,而决定侵染方法的选择和定殖规律的影响因素很多,不同菌种、宿主不同生长时期、不同组织器官以及不同研究和应用目的,所选用的侵染方式和呈现的定殖规律也不尽相同。不同侵染方式间的定殖能力存在着差异,因此了解内生菌的侵染方式和定殖规律具有一定必要性。目前,内生细菌的研究比内生真菌多,研究和应用范围多集中在农作物与经济作物病害的生物防治和促生长方面,内生菌在药用植物范围的研究和应用鲜有报道。我国幅员广阔,拥有丰富的中药材资源。然而随着生态环境日益遭受破坏,很多植物类中药材存活量和品质急剧下降,甚至濒临灭绝以致难以满足医疗需求,若将内生菌在病害生物防治和促生长方面的优势应用到药用植物保护和栽培中,将极大可能地改善中药材资源短缺的局面,在提高药用植物品质、缓解某些药用植物资源危机等方面具有较大的潜在研究价值。但药用植物涉及有效成分和有毒无毒等问题,因此内生菌在药用植物方面的应用还有待进一步研究。

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