内生菌对提高植物抗盐碱性的研究进展

李娇张宝龙赵颖辛士刚陈强宋宁宁李雪梅

（1.沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳 110034；2. 沈阳师范大学实验中心，110034）

内生菌对提高植物抗盐碱性的研究进展

李娇1张宝龙1赵颖1辛士刚2陈强2宋宁宁1李雪梅1

（1.沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳 110034；2. 沈阳师范大学实验中心，110034）

土壤盐碱化是制约我国农作物产量的主要因素之一。如何增强农作物的抗盐碱特性，已成为我国农业持续高效发展的重大课题。植物内生菌存在于植物内部，在增强植物抗病、抗虫、抗旱等胁迫能力方面具有一定作用。内生菌与植物共生关系对植物的显著影响这一现象引起了国内外学者的广泛关注。主要综述植物内生菌的多样性，并从植物的ROS清除系统、细胞中渗透调节物质、矿质元素吸收以及光合作用等方面来说明内生菌对植物耐盐碱能力的影响。

内生菌 盐碱胁迫 抗性 植物

19世纪中叶，De Bary首先提出了内生菌（endophyte）的概念［1］，一直到20世纪90年代，Stierle等［2］从短叶红豆杉韧皮部分离到一株产紫杉醇的内生真菌，才对植物内生菌的研究广泛开展起来。植物内生菌是指那些将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，又不会引起植物明显病害的一类微生物［2］。植物内生菌具有丰富的生物多样性，目前地球上预计可能有多达100万种不同的植物内生菌存在［3］。但如此庞大的微生物类群，至今被研究过的种类不到15%［4］。在大多数情况下，内生菌与植物之间是互惠共生的，一方面内生菌通过植物体获得营养物质、庇护和传播；另一方面寄生的内生菌可能通过产生大量的生物活性物质或借助于信号转导对宿主植物提供保护，增强植物抗病、抗虫、抗干旱胁迫等能力［3］。内生菌与植物共生关系对植物的显著影响这一现象引起了国内外学者的广泛关注。

随着人们大量使用化肥，土壤盐碱化程度不断加剧，预计到2050年，我国将有超过50%的耕地会变得盐碱化［5］，土壤盐碱化是制约我国农作物产量的主要因素之一。如何增强农作物的抗盐碱特性，已成为我国农业持续高效发展的重大课题，对植物内生菌的研究有望为提高植物的抗盐碱特性提供新的思路，因此人们在内生真菌对宿主植物抗盐碱特性的增益方面日益关注［6］。

1 植物内生菌的多样性

研究发现内生菌在植物体内分布广泛，系统地存在于植物的根、茎、叶、花、果实和种子等器官、

组织的细胞或细胞间隙中［1］；内生菌自身种类也多样，主要包括内生细菌、内生真菌和内生放线菌［7］。

1.1 内生细菌

根据植物与内生细菌的关系可以将内生细菌分为专性内生细菌（Obligate endophytic bacteria）和兼性内生细菌（Facultative endophytic bacteria）。大多数内生细菌属于兼性内生细菌，它们既可以在植物体内存活也可以在根际或土壤中存活。目前在各种植物中发现的内生细菌已超过129种，分属于54个属［8］。这些内生细菌多为土壤微生物种类，其中常见的属有假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）及土壤杆菌属（Agrobacterium）等，同时发现很多新种［1］。

1.2 内生真菌

内生真菌菌丝在宿主植物的叶鞘和种子中含量最多，而叶片和根中含量极少［1］。目前，已在隶属于80多个植物属的290多种禾本科植物中发现了与之共生的内生真菌约33个种，5个亚种，100多个属，200多种非禾本科植物有过内生真菌的报道，至今，已从非禾本科植物内生真菌中鉴定出7个新属，20多个新种［9-11］。植物内生真菌在分类地位上大多数属于子囊菌类（Ascomycota）及其无性型，包括核菌纲（Pyrenomycetes）、盘菌纲（Discomycetes）和腔菌纲（Loculoascomycetes）的许多种类及其一些衍生菌［1］。

1.3 内生放线菌

绝大部分内生放线菌是从植物的根部和叶片中分离到的［12］。目前已被描述的放线菌至少有180个属，4 000多种［13］。对在红树林、热带多年生树木及一些药用作物中对内生放线菌的研究较多，主要为弗兰克氏菌属（Frankia）、链霉菌属（Streptomyces）、链轮丝菌属（Streptoverticillum）、游动放线菌属（Antinoplanes）、诺氏卡菌属（Nocardia）和小单胞菌属（Micromonosp.ora）等［7］，兰克氏菌作为固氮菌被广泛研究。目前已报道约8个科24个属，近200个树种具有与弗兰克氏菌共生结瘤固氮的能力［12］。

2 植物内生菌对植物抗盐碱能力的影响

2.1 诱导抗氧化系统，缓解活性氧对细胞的伤害

在植物细胞的正常代谢过程中，几乎所有的需氧反应都可以产生活性氧（Reactive oxygen species， ROS），ROS的产生与清除是处于动态平衡的［14］。低浓度的ROS可以作为细胞内的第二信使，参与植物细胞的生理生化反应，对植物的生长具有积极作用［8］。而在盐碱胁迫下，ROS合成速度远大于降解速度，使细胞中积累大量的ROS，而过多的ROS会引发膜脂的过氧化作用，其产物丙二醛（MDA）会严重损伤细胞膜系统。因此，MDA含量反映出膜脂过氧化的程度。与此同时，细胞膜的通透性增强，一些渗透物质流出，导致电导率增加。清除ROS的抗氧化系统包括抗氧化酶类和非酶类抗氧化剂。

抗氧化酶类主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽还原酶（GR）等。而SOD、POD和CAT是植物体内清除活性氧的重要保护酶，其活性和含量与植物的抗性呈正相关关系［15，16］。Karthikeyan等［17］研究发现在NaCl胁迫下E+植株SOD和APX活性显著高于E-植株，当NaCl胁迫浓度达到150 mmol/L时，E+植株CAT活性也显著增加。在王正凤等［18］的研究中发现，在高盐浓度时内生菌侵染（E+）野大麦SOD活性显著高于内生菌未侵染（E-）野大麦的SOD活性，而E+种群MDA含量显著低于E-种群，降幅为27.2%。卜宁等［19］在对Na2CO3胁迫条件下内生菌对水稻叶片保护酶系统的影响研究中发现，随着Na2CO3胁迫浓度的增加，E+水稻叶片POD和CAT 活性明显高于E-植株的，而MDA含量则成相反的趋势。付艳萍等［20］认为在盐胁迫下接种植物根际内生菌可减少植物体中MDA的积累，降低MDA对植物组织的伤害，从而增强植物的抗盐碱能力。

非酶类抗氧化剂主要包括抗坏血酸（AsA）、还原型谷胱甘肽（GsH）、生物碱和胡萝卜素等，这些物质与抗氧化酶类协同作用，既可直接同ROS反应将其还原，又可作为底物参加酶反应，从而清除活性氧［14］。AsA可被ROS氧化成单脱氢抗坏血酸（MDHA）和脱氢抗坏血酸（DHA）［21］，在完全氧化的DHA产生的情况下，GsH作为还原剂参与AsA的再生，同时GsH还可以被ROS氧化，产生的氧化型谷胱甘肽（GssG）可以通过谷胱甘肽还原酶（GR）得到还原。AsA-GsH循环在活性氧的清除过程中起重要作用［14］。有研究［22］表明，在逆境

下内生菌能够激活植物组织内AsA-GsH代谢途径，从而增强细胞的抗氧化能力。Helmut等［22］研究发现，在NaCl胁迫条件下，根部内生真菌印度梨形孢（Piriformospora indica）的侵入削弱了大麦叶部由于NaCl引起的脂类过氧化反应，同时显著提高了大麦抗坏血酸的含量以及抗氧化酶的活性，被侵染的大麦植株不只表现出耐盐性，还表现出抗病和增高产量多重效应，可见内生菌对于植物抗性的诱导有其复杂的一面。Baltruschat等［23］也发现E+大麦根部抗坏血酸的含量以及抗氧化酶的活性高于E-植株。接种内生菌后的拟南芥植株地下部分在1 h和地上部分在5 h时总抗坏血酸量均增加1.5倍［24］。

抗氧化酶类和抗氧化剂在各自行使功能的同时，又互相补充构成了一个复杂的抗氧化网络来共同清除细胞内过剩的ROS。Sun等［25］认为内生菌通过减少多不饱和脂肪酸的降解来诱导抗氧化酶活性，从而清除活性氧。但内生菌是如何引发植物抗氧化系统响应盐碱胁迫的，当前较为合理的解释为内生菌通过影响宿主植物的物质代谢，同时产生生理活性物质，如植物激素、脱氨酶［17］等改变植物的生理代谢水平，从而提高植物的抗盐碱性［26］。

2.2 改变渗透调节物质的含量

2.2.1 脯氨酸含量 在盐碱胁迫下，许多植物都会出现大量积累游离脯氨酸的现象［27］。王正凤等［18］认为在盐胁迫下E+野大麦较E-野大麦更能够通过显著地增加脯氨酸含量来减轻受盐胁迫的程度，且这一减轻作用在浓度高时表现明显。缑小媛［28］发现与E-植株相比，在盐胁迫下内生真菌侵染可导致来源于盐碱地的醉马草叶内脯氨酸含量增加，但是对来源于非盐碱地的醉马草植株而言，内生真菌侵染却不能增加宿主植物叶内的脯氨酸含量。Zarea等［29］发现P. indica共生真菌能够激活植物体内脯氨酸的合成机制，从而促进脯氨酸的生成。任安芝等［27］发现内生真菌感染可导致黑麦草叶内的脯氨酸含量增加，但同时其生物量下降，推测盐胁迫下感染植株中脯氨酸的积累可能具有双重性。 因此，目前游离脯氨酸积累是否与植株抗盐碱性存在必然联系尚不能证明，而且盐碱胁迫和内生真菌的双重作用使脯氨酸的变化更加复杂，还需要进一步研究才能对脯氨酸累积的生理意义作出综合性评价。

2.2.2 可溶性糖含量 盐碱胁迫下，植物生长受到抑制，糖分利用率降低，植物体内可溶性糖含量增加［30］，可溶性糖能够增加细胞内溶质的浓度，防止细胞过度脱水，从而减少环境胁迫对植物的伤害。关于内生菌对盐碱胁迫下植物可溶性糖含量的影响，目前的研究结果有所不同。有研究［18］显示在无盐和低盐处理下，内生真菌感染对野大麦的可溶性糖含量无显著影响，在盐浓度为200和300 mmol/L时，E+野大麦可溶性糖含量均显著高于E-野大麦，分别高出17.86%和22.83%。在付艳萍等［20］的研究中也发现相同浓度盐胁迫下加入一种根际内生菌更能增加植物体内可溶性糖的积累。而任安芝等［27］报道，在高盐浓度下，与未感染种群相比，内生真菌感染黑麦草显著降低宿主中可溶性糖含量。Hardy等［31］曾报道，在充足灌水条件下，内生真菌感染不影响高羊茅叶片内可溶性糖含量。由此可见，内生菌对植物体内可溶性糖含量的影响具有差异性，因内生菌的种类、植物的种类及所处的盐碱胁迫浓度而异。

2.3 改变Na+和 K+及K+/Na+的比率，增强植物抗盐碱性

在正常生理状态下，植物细胞内离子保持相对平衡状态，而在盐胁迫下，植株体内P和S含量减少，而Na+和Cl-含量增加，细胞质中不平衡的离子状态会对植物细胞的代谢产生伤害［32，33］。缑小媛［28］的研究中发现，在盐胁迫阶段及恢复阶段，耐盐性及非耐盐性的E+醉马草叶片和根系K+含量和K+/Na+比值均比E-醉马草的大，Na+含量则相反。Hauser等［34］认为一个高K+/Na+比率是植物耐盐的良好标志。Sabzalian等［35］报道在盐胁迫下，内生菌感染显著降低高羊茅和草原羊茅根部Na+与Cl-的含量，却显著增加了两者地上部分K+的含量，而植物吸收的Na+主要积累于根部，阻止Na+向地上部运输机制是植物具有较强耐盐性的主要原因之一［36］。有报道指出，高浓度的Na+与K+对核糖体及酶活性中心存在竞争，而K+是50多种植物代谢酶的活化剂，且这种作用不能被Na+所替代［37］。内生菌的应用能够改变盐碱胁迫下宿主植物的Na+、K+含量和K+/Na+比率，从而减轻离子毒害、缓解盐碱胁迫对植物的伤害，

但是内生菌是通过何种机制阻碍Na+向地上部分运输还需要进一步的试验。

2.4 提高光合作用，增强植物抗盐碱性

土壤盐分过多使细胞内RuBP羧化酶活性降低，叶绿体趋于分解，光合色素生物合成受阻，气孔关闭，使光合速率下降［38］。卜宁等［19］报道，E+水稻的叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素的含量都明显高于E-水稻，而在高浓度Na2CO3胁迫下，净光合速率、水分利用效率和气孔导度也有相同的趋势。Zarea等［29］研究发现在盐胁迫下，接种内生菌能够增加E+小麦植株叶绿素含量，并且E+植株比E-植株有更多的绿色叶片。Khan等［39］从大豆植株中分离到一株能够产赤霉素的内生真菌，在盐胁迫下能够降低植物脱落酸含量，而脱落酸的多少又与气孔的开闭有关［40］。内生菌调节气孔开闭的机制尚不清楚，可能是内生菌侵染虽不能使宿主植物表现症状，但它作为宿主植物的入侵者，使宿主植物长期受到胁迫，产生的生物活性物质或借助于信号转导引起宿主激素水平的改变，使宿主对胁迫更加敏感，因而在盐碱胁迫条件下带菌的水稻叶片对水分亏缺的反应更迅速，气孔关闭更快［41］。

3 展望

综上所述，内生菌能够从植物的抗氧化系统、渗透调节物质、矿质元素吸收和光合作用等方面来改善植物组织渗透平衡和离子毒害，从而缓解盐碱胁迫对植物的伤害，有利于植物在盐碱地的生长。因此，内生菌接种植物可以作为缓解盐碱性敏感植物在盐碱压力下的一个有利的工具，在盐碱土壤改良与植株恢复中，内生菌具有广阔的应用前景。为给盐碱地改良治理提供生物材料和理论上的支持，建议从以下几方面开展进一步研究。首先，植物内生菌具有丰富的物种多样性，其次生代谢产物也多种多样，这些次生代谢产物是否与植物的耐胁迫能力有关还需要大量的工作；其次，植物与内生菌之间互惠共生关系比较复杂，涉及到多种生化信号的传递及基因的交互表达，今后的工作应注重植物-内生菌共生体响应和适应盐胁迫的信号网络和调控机制研究，采用现代组学技术探索植物-内生菌共生体响应盐胁迫的特殊生理特征和特异代谢途径。

总之，内生菌在植物抗盐碱胁迫方面有广阔的应用前景，但目前这方面的研究还远远不够，只有通过对植物与内生菌的共生机制的研究，了解植物与内生菌之间互惠共生体的形成机制，才能更好地推动植物内生菌在盐碱地植物上的应用，进一步达到农业的可持续发展。

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（责任编辑 狄艳红）

Progress in Endophyte Improving Plant Salt and Alkali Resistance

Li Jiao1Zhang Baolong1Zhao Ying1Xin Shigang2Chen Qiang2Song Ningning1Li Xuemei1
（1.College of Chemistry and Life Science，Shenyang Normal University，Shenyang 110034；2. Experimental Center，Shenyang Normal University，Shenyang 110034）

Soil salinization is one of the main factors of restricting crop yields. How to enhance crop resistance to salt and alkali, has become a major issue of sustainable development of agriculture in our country. Endophytes exist within the plant and have important impact on stress resistance, such as disease resistance, insect resistance, drought resistance. The phenomenon of the symbiotic relationship between endophyte and plant has been paid great attention. This paper mainly summarizes the diversity of endophytes and illustrates endophyte improving salt and alkali resistance by ROS scavenging system, osmotic regulation substances, mineral elements absorption and photosynthesis of plant.

Endophyte Salinity-alkalinity stress Resistance Plant

2013-10-09

国家自然科学基金资助课题（31070285），沈阳师范大学实验中心主任基金（SY201102，Sy201104），沈阳师范大学大学生课题

李娇，女，硕士研究生，研究方向：生物化学与分子生物学；E-mail：lj19880311@126.com

李雪梅，女.博士，教授，研究方向：植物逆境生理；E-mail：lxmls132@163.com.