植物内生菌研究进展

丁文珺, 王珊珊*, 任婧祺, 李 歌, 詹佳鹏

1.沈阳工学院生命工程学院, 辽宁 抚顺 113122;2.辽宁省抚顺市兽药饲料监察所, 辽宁 抚顺 113006

植物内生菌研究进展

丁文珺1, 王珊珊1*, 任婧祺2, 李 歌1, 詹佳鹏1

1.沈阳工学院生命工程学院, 辽宁 抚顺 113122;2.辽宁省抚顺市兽药饲料监察所, 辽宁 抚顺 113006

内生菌由于生长于植物体内且不引起植物病害所以不易被发现，它是一类具有高实用价值的植物内生微生物。经过人们的不断研究，越来越多的植物内生菌被发现，其活性代谢产物的优势也得到了更多研究者的认可。综述了国内外有关植物内生菌研究的主要成果和进展，并从植物内生菌的发现、研究历史、多样性、生理生化特性以及植物内生菌与宿主植物间的作用关系等多个层次进行了概述，以期为植物内生菌相关研究提供参考。

植物；内生菌；抑菌研究

内生菌是指在植物生长生存的过程中，能与植物达到共生、寄生、腐生等关系且在植物的整个生命过程中无明显负面影响的一类微生物。内生菌普遍存在，且数量庞大、种类众多。其在植物生长的至少一个阶段里，会与植物产生极微妙的关系，它们大部分会长时间、非干扰性地、无症状地生活在活体植株的组织中[1]。对内生菌的研究开始于19世纪中期，至今已有一百多年的历史，研究者从高等植物的茎叶化石中发现了与植物相关的微生物，这一研究证明早在地球出现高等植物时，微生物与植物的相互作用就开始演变[2]。在19世纪中期，研究者们从30多种高等植物中均发现了内生菌的存在，其中最引人瞩目的是产羊茅草毒的致病微生物Neotyphodiumcoenophialum的分离及其致病机理的研究[3]。到20 世纪 90 年代，Stierle等[4]从短叶红豆杉韧皮部分离到产紫杉醇的内生真菌，植物内生菌的研究开始广泛开展。常见的内生菌类型包括内生真菌、内生细菌和内生放线菌，其中，内生真菌是最常被分离出来的一类内生菌。

植物内生菌是一类纯天然活性物质，有着独特且重要的应用价值，因此在医药、食品工业和农业等方面都有较好的可利用空间。以银杏为例，银杏作为一种古老的植物，以其独特的生理活性而备受关注，目前已知银杏的药用成分有170余种，包括：黄酮类、内酯类、有机酸类、氨基酸、糖类和醇类等，研究显示银杏中分离出的银杏内生菌不仅多样性水平较高，而且较为稳定，具有较高的生物活性。现已从内生菌中分离纯化得到许多抗微生物活性、抗细胞毒性活性、清除自由基活性和抗癌活性等高活性物质。近20年来人们对植物内生菌展开了更为深入的研究，得到了很多有价值的研究成果，但相对于其他微生物的研究，植物内生菌的研究还存在很多不清楚的地方。目前预计自然界中存在有100万种植物内生菌[5]。但如此庞大的内生菌群至今被发现的还不到15%[6]。本文介绍了植物内生菌的研究进展与发展概况，以期为植物内生菌的研究及天然产物的挖掘提供参考。

1 内生菌的多样性

自1898年Vogl从黑麦草(LoliumtemulentumL.)种子内分离出第一株内生菌，越来越多的内生菌被分离出来。内生菌的分布极广，普遍存在于各种陆生和水生植物当中，现已从苔藓类、蕨类、拟蕨类、角苔类、草本植物和各类木本植物中分离出内生菌，地域也从热带到北极，从自然野生到农业生态系统[7]。从同种植物当中分离出的内生菌种类和数量也千差万别，目前研究的内生菌主要集中在热带和亚热带地区，常见植物有红豆杉、芦荟、桃儿七、杜仲、喜树和银杏等，这些植物中都含有不止一种内生菌，在每种植物的根、茎、叶、果实等器官、组织细胞和组织间隙当中也都存在着不同数目和种类的内生菌[8]。

2 内生菌次级代谢产物的活性

由于长期的共同进化，植物内生菌与寄主建立了良好的互利共生关系，使得原本仅植物才能产生的活性物质也可以由内生菌代谢产出相同或相似的物质[9],而此类天然产物因结构复杂和内在的生物学潜力具备了完美的化学活性[10]，使植物内生菌研究具有良好的应用价值和发展前景。

2.1 产生重要的药理活性

内生菌可以利用自身代谢产物与植物中的某些物质发生反应并产生新的化合物或利用植物体内的活性物质做为前体物质，经内生菌转化体系产生新的活性成分[11]。对生物活性和群落生境相关性的研究发现，相对于从土壤中分离到的菌种，内生真菌有更好的除草和抑制藻类生长的能力[12]。杨清香等[13]利用平板分离法从怀地黄中分离出对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和黑曲霉等均具有较强拮抗作用的8株内生菌，研究发现8种内生菌对食管癌细胞系具有抑制作用, 因此具有重要的开发价值。 任娜[14]采用超高效液相色谱与GC-MS 技术研究发现红豆杉内生真菌能对艾叶油进行生物转化，并得到了新的萜类物质。彭清忠等[15]从姜黄根茎中筛选到一株能产甲基姜黄素和二去甲基姜黄素的内生菌，研究同时表明：内生菌产生的去甲基姜黄素的抗氧化、抗炎症活性比姜黄素高。由此看来，植物内生菌给研究人员带来了新的思路：植物内生菌具有良好的药理活性，且研究成本较低、对环境空间要求低、生长速度快、易控制，在新药特药的研发和应用方面具有不可估量的潜在价值。

2.2 增强植物对外界环境的抵抗能力

内生菌与宿主植物长期协同进化的过程中，二者形成了互利共生的关系。一方面，宿主植物利用光合作用为内生菌提供营养；另一方面，内生菌产生的代谢物如一些促生、抗菌的物质，能够促进植物生长发育，提高植物抗虫、抗逆能力，从而增强植物对外界环境的抵抗能力。最初报道内生菌能协助植物抵抗外界干扰的例子是榆树内生菌P.oblonga能产生拒食性毒素抑制甲虫对榆树的危害，从而减少了荷兰榆树病致病因子的传播[16]。随着研究的不断深入，研究人员提出了防御互利共生假说，植物的不同部位对植食性动物或植物病原菌的攻击所产生的压力不同，以至在不同植物内部的内生菌也并非全部产生防御物质，而是可能产生马赛克效应来保护宿主植物，形成各自的后天免疫系统[17,18]。目前对内生菌产生的用于防御的物质研究最多的是毒性生物碱，如麦角生物碱等。内生菌在宿主和纯培养时会产生有毒物质，这些物质对植食性动物、植物病原菌、线虫、昆虫等都有毒害作用。另外内生菌还可以提高植物的抗旱[19]、抗盐碱[20]等能力。

2.3 促进植物氮吸收能力

随着人们对农产品的需求量日益增长，氮的有效供给成为农业可持续发展的基本保证，为提高农产品在单位面积上的产量，氮肥的使用量也逐年增加。但是，氮肥的大量使用，会造成土壤的理化性状恶化、氮肥的利用率下降、水体富营养化、资源浪费和环境污染等一系列问题[21]。而偏施氮肥也不利于农作物产量的提高和优质农产品的生产[22]。

植物通过根系吸取土壤中的氮素，根系的形态特征(根系总长、根系半径、根体积、有效吸收面积)、分布和根系活力直接影响到植物吸收氮素能力的强弱[23]。而内生菌的存在能够促进根的生长和根系活力[24]，达到促进植物对氮素吸收的效果。目前认为内生固氮菌的存在能够为宿主植物提供无机氮源以提高植物的固氮能力: 内生固氮菌都含有固氮酶，它们可以在宿主植物的各种营养器官中以相当高的数量存在并发挥固氮作用，直接为植物提供无机氮源，且不会引起宿主任何不良反应[25，26]；有些固氮菌将固定的氮素直接供给植物吸收同化，有些则固定大气中的氮气将部分氮气供给宿主吸收利用[27]，其余部分则被内生菌转化为细胞氮供自身利用，由于内生菌的生命周期比植物短，内生菌死亡崩解后释放的氮素也能被植物根系吸收。

3 展望

我国国土资源辽阔，得天独厚的地域孕育了十分丰富的动植物和微生物资源。目前我国药物成分来源主要为天然药物产物和人工合成产物。

天然产物与合成化合物相比具有更为广大和复杂的空间，不仅如此，天然产物还包含多环的立体异构体，这种立体异构体由于太过复杂，即使投入大量人力和财力进行研究，也未必能在短时间内获得产品。另外植物在合成某种天然产物的同时也会赋予产物大量的功能基团，并伴随出现加大人工合成难度等问题。内生菌的代谢产物同时具有天然活性产物所有的优越性以及菌体本身繁殖速度快的优点，可以使天然产物在短时间内被大量制造。

内生菌与宿主植物协同进化的过程中产生的次级代谢产物具有高度协同性和相似性，这种特性使内生菌迅速成为研究热点。但事实却是：我们对内生菌的研究还处于初级阶段。除现有理论体系和科研技术的不完善外，人们对内生真菌认识的匮乏和内生菌菌体本身对外界环境适应能力太强，产物不稳定，离体培养后会出现特性退化和消失等都阻碍了人们对内生菌的研究。

目前，对于内生菌理论体系研究仍然不是很明确，具体表现为以下三个方面：①基础理论方面的研究:内生真菌入侵宿主的分子机理、内生真菌在植物体内生命活动的分子调控、在广泛的地理范围内对更多的植物进行内生真菌多样性的研究、内生真菌对宿主和组织专一性机理、分布等生态学问题仍有待进一步研究。②次级代谢理论基础：内生菌的次级代谢产物理论、水平基因转移、防御共生假说、Xenohormesis假说、内生菌专一固有特质假说、内生菌与植物之间的信号交流、内生菌与内生菌之间的信号交流等机制尙不明确。③实际应用方面的研究:内生真菌在植物活力和环境污染检测方面的应用、内生真菌作为植物病害的生物防治、内生真菌产生的重要生物活性物质和酶的筛选等仍需深入研究和挖掘。

现代内生菌次级代谢假说的层出不穷，说明我们对内生菌研究仍处于初级阶段，但同时也说明内生菌研究存在巨大的潜力。目前研究人员对借助宏基因组技术以突破内生菌鉴定、分离、培养的“瓶颈”寄予厚望。笔者认为利用生物技术创建内生菌宏基因组计划是研究内生菌的重要方向之一，研究人员计划将宏基因组克隆技术应用于植物内生菌多样性分析及功能筛选中，同时减少分离培养过程中内生菌多样性丢失，避免内生菌离体培养后自身特性的消失和退化，并增加了获得特殊活性物质的机会，但内生菌宏基因组的建立需要耗费大量的时间、人力与物力，因此现阶段内生菌相关知识的完善与推广变得格外重要。内生菌具有很好的应用模式以及潜在的商业价值，但想要服务于生产实践，仍需要大量的实验支撑。随着医药和农药行业的飞速发展，人类病原菌的多重抗性持续增加以及超级细菌的出现，这些都提醒着我们需要研发新药代替经典药品。欧洲联邦制药行业和协会启动了药物创新计划(IMI)解决耐药性问题，以加速新抗生素的研发。Barbara等比较了135个已鉴定结构的代谢物表明，内生菌产生新颖结构的比例是51%。这就意味着内生菌这类微生物能产生高比例的新颖化合物，在寻找新型且疗效显著的药品替代品方面，内生菌是未来重要的发展方向。

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Progress on Plant Endophyte

DING Wen-jun1, WANG Shan-shan1*, REN Jing-qi2, LI Ge1, ZHAN Jia-peng1

1.LifeEngineeringCollegeofShenyangInstituteofTechnology,LiaoningFushun113122,China;2.FushunVeterinaryDrugFeedMonitoringInstitute,LiaoningFushun113006,China

Plant endophyte is a kind of endophytic microorganism with high practical value. Plant endophyte is hard to detected for it not causing plant disease. With continuous research, more and more endophyte were found, the advantage of the active metabolites of its product also

more and more recognization. This paper reviewed the related progress on plant endophyte at home and abroad, including the discovery and history, diversity, physiological and biochemical characteristics of plant endophyte, and the relationship between plant endophyte and the host plants. The paper was expected to provided reference for related plant endophyte research.

plant; endophyte; antibacterial research

2015-06-04; 接受日期：2015-06-29

辽宁省教育科学规划课题(JG14DB310)资助。

丁文珺，本科生，研究方向为微生物与细胞生物学。E-mail: parlindwj@163.com。*通信作者：王珊珊，讲师,研究方向为生物化学与食品发酵。E-mail:shuihugai@163.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.06.04