内生真菌对植物促生、抗逆作用研究进展

隋 丽，万婷玉，路 杨，徐文静，张正坤*，李启云*

（1. 吉林省农业科学院/吉林省农业微生物重点实验室/农业农村部东北作物有害生物综合治理重点实验室，公主岭 136100；2. 吉林农业大学植物保护学院，长春 130118）

植物内生真菌（Fungal endophytes）是指存在于健康植物组织中，其生活史的某一阶段或全部阶段都在植物的各组织、器官内度过，而不使其宿主植物表现出明显感染症状的一类真菌[1]。植物内生真菌广泛分布在植物界，其中包括低级的苔癣植物、藻类植物、蕨类植物以及高级的被子植物、裸子植物等，几乎所有植物组织中都有内生真菌的存在[2]。研究发现，每种植物中约有4～5种内生真菌，按照地球上已知的25万种植物计算，内生真菌的总数可超过100万种[3]。并且植物内生真菌具有多样性，目前研究的植物内生真菌绝大多数属于子囊菌类的核菌纲、腔菌纲和盘菌纲，无孢菌群的多类真菌和半知菌中的链格孢属、青霉属、镰刀菌属等[4]。植物与周围环境众多生物组成相互依赖的复杂网络，其中微生物是与之发生作用的一个重要类群，在长期的协同进化过程中，植物对微生物的侵染已经形成一种适应性机制，能够识别来自微生物的信号分子并作出相应的生理反应[5]。一些宿主植物在感染内生真菌后，往往表现出生长快速、抗逆境和抗胁迫等优势，与未感染的植株相比更具有生存竞争力[6]。本文对近年来国内外关于内生真菌与植物互作的相关文献报道进行了总结，综述了内生真菌对植物促生及抗逆性产生的影响，这将为内生真菌促生和提高植物抗逆性的深入研究提供有益参考。

1 内生真菌对植物的促生作用

大量研究表明，内生真菌能够促进宿主植物生长，对其各生长指标有积极影响。南志标等[7]发现，感染内生真菌的布顿大麦草的总生物量、根干重和分蘖数等生长指标与对照组相比均有显著增加；Groppe等[8]研究表明，在高浓度菌液侵染下，内生真菌能够增加麦草的叶片长度、分蘖数及地上生物量；马敏之等[9]的研究则证明了内生真菌能够显著提高黑麦草叶片相对含水量、可溶性糖含量、叶绿素含量，净光合速率、蒸腾速率等生理指标。除牧草外，还有研究发现内生真菌对粮食和经济作物的生长也具有显著的促进作用。杨赫等[10]利用内生真菌 Y6R15菌株发酵液对玉米和大豆进行促生作用试验，结果表明施用该菌株后玉米叶部和根部明显增加，尤其是根长度、根表面积、根体积、根尖数等指标均显著提高；王宏伟等[11]研究表明，在连作花生的土壤中施加内生真菌拟茎点霉Phomopsis liquidambari可以改善连作花生的土壤环境，在一定程度上缓解花生连作障碍，并显著提高花生荚果产量。近年来，还有研究证明了植物内生性虫生真菌同样能够促进植物生长。Sui等[12]研究发现，在玉米苗期，白僵菌定殖的植株与对照相比，其株高、生长速率都有所增加，并且随着环境温度的升高，白僵菌定殖对玉米植株高度及生物量积累同样具有正效应，证明了内生性白僵菌对玉米的生长发育有直接的促进作用；崔雨虹等[13]通过土壤喷施的方法将白僵菌接种到玉米苗中，发现接种白僵菌后的玉米株高、根长、生物量均有显著提升；还有研究发现，利用白僵菌和绿僵菌处理豆子种子，能显著提高植物高度，增加生物量[14]；以上研究明确了内生真菌对植物生长具有积极的促进作用，这种促生作用是通过多方面实现的，主要包括：营养元素吸收，植物激素的干预和增强植物光合作用等。

1.1 内生真菌促进植物对营养元素的吸收

氮源是植物生长过程中最为重要的营养元素之一，但植物不能直接利用空气中大量存在的氮元素，只能利用无机氮源，因此生物固氮可以发挥重要作用，为植物提供氮素、促进其生长。Behie等[15]通过5种绿僵菌（罗伯茨绿僵菌Metarhizium robertsii、棕色绿僵菌M. brunneum、贵州绿僵菌M. guizhouense、蝗绿僵菌M. acridum和黄绿绿僵菌M. flavoviride）和球孢白僵菌Beauveria bassiana在几种单子叶和双子叶植物中进行试验，发现所有被检测的绿僵菌和球孢白僵菌均能不同程度地协助植物从昆虫中获取氮源，增加宿主植物的生物量。还有研究表明，在氮含量较低的贫瘠土壤中，一些内生真菌的存在可以提高宿主植物对氮元素的吸收能力。例如，拟茎点霉属内生真菌Phomopsis liquidambari在低氮条件下能够促进水稻中氮素吸收和代谢相关基因的表达，从而增强氮素的利用率[16]。此外，Qin等[17]将植物内生真菌与植物共培养，发现在提供有机氮源的条件下，多数内生真菌能将有机氮转化为无机氮，从而促进植物生长，提高植株生物量。内生真菌也会引起土壤中养分含量发生变化，有研究发现种植感染内生真菌的高羊茅Festuca elataKeng土壤与对照土壤相比，具有更高含量的有机碳和总氮含量[18]；禾草内生真菌的侵染会对土壤养分含量产生影响，致使土壤有机碳、土壤全氮含量发生改变[19]。

磷也是植物生长必需的营养元素之一，我国有74%的耕地土壤缺磷，且土壤中95%以上的磷为无效形式，植物很难直接吸收利用。因此利用溶磷微生物来溶解积累于土壤中的磷元素、提高磷的利用率十分重要[20]。Barrow等[21]研究发现，内生真菌能够提高盐生灌木对不溶性磷的利用率，同时增加根与茎的生物量；Dai等[22]研究结果表明，内生真菌Fusariiumsp.能够通过溶磷等作用提高植物对矿质营养元素的吸收能力。詹寿发等[23]通过盆栽试验检测内生真菌的溶磷、解钾能力，发现内生真菌泡盛曲霉Aspergillusawamori和黑曲霉Aspergillus niger能够有效提高玉米植株内叶绿素及磷、钾含量。以上研究证明了植物内生菌能够将环境中的营养元素转化为植物可利用的形式，并提高植物养分利用率，进而促进宿主植物生长。

1.2 内生真菌产生植物激素调节植物生长

植物中内源激素种类和浓度各异，它们虽然只是一些简单的小分子有机化合物，但在生理生化及应激反应中发挥着重要作用[24]。从植物萌发直至成熟，植物生长的各个阶段均需要植物激素的参与，同时，光合作用、代谢活动、营养摄取等也需要植物激素的干预[25]。很多植物内生真菌均具有合成植物激素的能力，如格孢腔菌属Phaeosphaeriasp.、黑曲霉可以合成赤霉素（gibberellin，GA3）[26]；担子菌印度梨形孢Piriformospora indica可以分泌生长素如吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）[27]；张集慧等[28]从5种内生真菌的发酵液中提取出赤霉素、生长素、脱落酸（abscisic acid，ABA）、玉米素（zeatin，ZA）等。也有研究进一步证实，内生真菌能够通过分泌多种植物激素调节植物生长。内生真菌镰孢菌Fusarium tricinctum和互隔交链孢霉Alternaria alternata通过分泌生长素，促进水稻根系和地上部的生长以及提高水稻的生物量[29]；Khan 等[30]从黄瓜根中分离出了9种内生真菌，从它们的发酵液中发现了赤霉素，这些发酵液可以使水稻幼苗株高显著增加。可见，内生真菌能够通过合成多种植物激素，在植物生长过程中发挥重要作用。

1.3 内生真菌对植物光合特性的影响

植物光合作用是植物生长过程中物质积累与生理代谢的基本单元，也是分析环境因素影响植物生长的重要手段，已有研究表明，内生真菌能够影响植物光合特性。如林枫等[31]发现接种内生真菌能够提高羽茅的蒸腾速率、光能利用等光合特性指标；杜永吉等[32]研究发现感染内生真菌的高羊茅，其植株净光合速率、水分利用效率、气孔导度等光合特性均高于未接菌植株；谢安强等[33]将 10株内生真菌接种于尾巨桉幼苗中，对其光合作用指标进行测定，结果表明其中一种青霉菌Penicilliumsp.具有极强的促进植株光合作用的能力；汤智德等[34]将5株内生真菌接种于低磷胁迫下的杉木幼苗，发现供试内生真菌对杉木的生长和光合效率具有显著促进作用。目前有关内生真菌对植物光合特性的积极影响已受到广泛认可，但其作用机理有待于进一步探索。

2 内生真菌提高植物抗胁迫能力

植物在生长过程中，受到环境中各种生物因素和非生物因素的干扰和胁迫，造成植物生物量下降甚至死亡。其中，非生物胁迫因素主要包括温度、干旱、盐碱等，而生物胁迫因素主要为病虫害。研究发现，内生真菌不仅能够促进植物生长，还能够提高植物的抗逆性。

2.1 内生真菌提高植物抗非生物胁迫能力

目前，很多研究发现内生真菌能够提高宿主植物对非生物胁迫的抗性。如陈志豪等[35]发现干旱条件下感染内生真菌高羊茅种子的发芽率和胚根长均显著增加，明确了内生真菌浸染能够提高高羊茅种子萌发阶段的耐旱能力；宋梅玲等[36]研究表明内生真菌的存在可以在一定程度上提高宿主禾草在温度和水分胁迫下的种子发芽能力及其后期幼苗的生长能力；Rodriguez等[37]研究发现，在高浓度氯化钠处理下，未侵染内生真菌的对照植株出现枯黄现象，而侵染内生真菌的植株可维持生长；王正凤等[38]的研究也得到了相似结果，即内生真菌的侵染有助于提高宿主野大麦在室外盆栽条件下的耐盐性。还有一些研究表明，部分植物在没有内生真菌存在的情况下，因不能耐受居住地的各种生物或非生物的胁迫而无法生存[39]。可见，内生真菌能够提高植物对干旱，温度及盐胁迫的耐力，有助于宿主植物在逆境中生长。内生真菌提高植物抗非生物胁迫的作用还表现在诱导植物产生一系列应激反应。王英男等[40]在盐胁迫条件下的羊草内接种丛枝菌根Arbuscular mycorrhizal真菌，发现羊草内抗氧化酶类的活性显著提高，氧自由基的清除能力增强，进而促进宿主植株生长；Jan等[41]发现在盐胁迫条件下，接种内生真菌能够促进植物的代谢和激素分泌水平，促进玉米植株生长。植物内生菌定殖后，还能引起植物体内化合物成分发生变化，如植物抗菌素、萜类化合物、木质素等成分[30,42]；Jirakkakul等[43]发现联合施用球孢白僵菌和金龟子绿僵菌后，可诱导植物在铁元素贫瘠的条件下产生铁离子，进而提高植物的抗逆性。

2.2 内生真菌提高植物抗生物胁迫能力

内生真菌能够提高植物的抗病性。岳婧怡等[44]研究表明山石斛内生抗病原真菌具有广谱性，且对石斛大多数致病菌具有较好的抑菌效果；Zhao等[45]研究发现内生真菌Seimatosporiumsp.能够提高宿主植物抗白粉病的能力；Barra-Bucarei等[46]研究表明球孢白僵菌处理番茄Lycopersicon esculentum和辣椒Capsicumannuum的根部，能有效抑制灰霉病菌Botrytis cinerea引起的病害发生程度。还有研究通过体外培养的方式证明内生真菌对病原菌有显著抑制作用。如Schmidt等[47]研究了草地羊茅内生真菌N. uncinatum对叶斑病的影响，在离体叶片试验中发现该菌对病斑扩展有很好的抑制作用。同样地，牛毅等[48]通过体外纯培养发现分离自羽茅的内生真菌对新月弯孢霉Curvularia lunata、根腐离蠕孢Bipolaris sorokiniana和枝孢霉Cladosporiumsp.等3种病原真菌都具有一定的抑制作用。内生真菌的抗病机制主要表现为营养竞争和对病原菌的直接抑制作用[49]。植物内生真菌的定殖与病原微生物相似，分为识别宿主，孢子萌发，植物体表渗透和组织内定殖几个步骤，成功定殖后，内生菌就会占据生态位并且从宿主体内获得养分，导致病原菌可利用的资源不足以维持生长，从而抑制病原菌增殖[50]。有很多研究发现内生真菌能够直接抑制病原菌生长。例如，木霉菌Trichoderma和蜡蚧轮枝菌Verticillium lecanii，能够侵染病原菌细胞壁，并进一步通过裂解酶破坏细胞壁结构穿透菌丝，阻止细胞壁和细胞质重新合成[51]。虫生真菌也能够通过分泌丰富的次生代谢产物保护宿主植株。球孢白僵菌能够产生多种抗性物质，主要代谢产物球孢白僵菌素对立枯丝核菌Rhizoctonia solani和腐霉菌Pythium aphanidermatum等病原菌方面具有很好的抑制效果[52]。还有研究从分子生物学角度探讨了内生真菌提高植物抗病性的作用机制。代谢组学方法发现，内生菌侵染植物后能够通过基因水平转移将抗病基因DNA整合到宿主植物中，进而提高宿主植物的抗病性[53]。

内生真菌还能够提高植物抗虫性。常燕等[54]从夹竹桃Neriumindicum中分离得到65株内生真菌，其中7株对蚜虫Aphidoidea有杀虫活性，12株对斜纹夜蛾Prodenia litura3龄幼虫有触杀活性，这表明一些内生真菌具有显著的杀虫效果；孙艺昕等[55]发现内生真菌对玉米蚜Rhopalosiphum maidis的生长繁殖有不利影响，且对玉米蚜有一定的趋避作用。近年来，内生性虫生真菌对植食性昆虫的调控作用也是一个研究热点。如白僵菌定殖叶片对亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis幼虫的取食行为具有显著的抑制和忌避作用[56]；白僵菌能够减少茎象鼻虫Apion corchori对白麻的取食量[57]；玉米内生真菌白僵菌和链格孢Alternaria alternata对草地贪夜蛾Spodoptera exigua生长发育不利，可显著降低其繁殖率[58]。除白僵菌外，也有研究探讨了金龟子绿僵菌定殖对植食性昆虫的影响，例如金龟子绿僵菌能够降低甜杆高粱Sorghum bicolor中蛀茎害虫的为害程度[59]；金龟子绿僵菌定殖甜瓜Cucumis melo能够显著提高寄生蜂Trich ogram ma对棉贪夜蛾Spodoptera littoralis的寄生率[60]。

内生真菌的抗虫作用机理主要表现在分泌抗性物质、营养补偿和诱导植物抗性增强等方面。内生真菌能够诱导植物产生一系列抗性物质，从多角度影响昆虫的行为及发育。内生真菌能够诱导植物产生次级代谢产物，其中一些组分对植食性昆虫具有很强的毒性。例如，生长在美国西部的牧草竖针茅Achnatherum robustum体内的内生真菌，可以产生麦角酰胺，对植食性昆虫产生麻醉作用从而避免其对植物的破坏作用[61]；还有研究发现，从玉米叶片中分离出的白僵菌能够对昆虫保护酶产生影响，保护酶的变化对玉米螟发育及取食行为具有重要调控作用，进而提高植物抗虫性[62]。Zitlalpopoca-Hernandez等[63]研究发现内生真菌有助于诱导植物进行补偿性生长，利用菌根真菌（AMF）与球孢白僵菌对玉米根部进行接种后，能够促进植株生长并提高植物氮元素含量，使植株能够补偿黄曲跳甲Phyllophaga vetula造成的伤害。Sui等[12]研究表明内生真菌对植食性昆虫产生的负面影响也可以通过提高植物的系统抗性实现，虫生真菌定殖能够显著提高玉米植株内抗性酶活力；此外，虫生真菌定殖还能够引起植物内防御基因表达量上调，进而激活植物对病原体及害虫的广谱抗性[64]。

3 存在问题与展望

植物内生真菌是一种非常丰富的微生物资源，其宿主范围广，并且大部分内生真菌具有促进宿主植物生长、增强宿主抗胁迫能力以及防治病虫害等方面的作用，作用效果显著，因此对内生真菌进行全面和深入的研究，有着非常重要的意义。但目前，关于内生真菌的研究和应用并不完善，对于内生真菌的研究也处在发展阶段，很多方面还需深入研究。（1）内生真菌对植物作用的持久性及最佳施用方式仍需探讨，例如不同的接种方式、应用技术和接种形态（孢子、菌丝、发酵产物等）；（2）内生真菌与宿主互作机理研究方面，内生真菌在宿主植物中定殖的具体途径、部分内生真菌定殖在宿主后能否实现增殖以及宿主对内生真菌是否有拮抗效应等仍需明确；（3）在应用方面，内生真菌虽然能够作用在植物内部，但一般侵染率低、定殖量少，导致作用效果不显著，因此需要进一步明确内生真菌的作用机理，找出关键因素（代谢产物、抗性基因和关键微生物种群的改变等）；（4）目前关于植物内生真菌的研究多基于室内可控制的试验条件，外在环境因素对试验的影响小，对于一些田间作物的研究，还应开展更多的大田试验，从生产实践角度出发，提升内生真菌的应用空间。

内生真菌与植物存在协同进化，互利共生的作用关系，解决上述问题，不仅有利于进一步挖掘植物内生真菌的生态学功能，而且可以为提高植物内生真菌应用潜力，并进行开发利用提供依据。在未来的工作中，可以将具有优良性状的内生真菌进行分离鉴定，改良培养和发酵技术，进行大规模扩繁，在保证其生物学活性的基础上，创制新的农药和肥料剂型，建立适合其定殖和植物体内增殖的应用技术体系，进行应用；在明确内生真菌与寄主互作机理基础上，鉴定其代谢产物如生物大分子和小分子化合物，通过创制新剂型、过表达以及微生物种群重组等实现目标表型，直接形成生物农药制剂；还可以鉴定出内生真菌生态调节寄主植物的靶标基因和通路，利用现代作物转基因技术，实现高品质和高抗性转基因育种。通过上述手段研发的高效、绿色的微生物制剂及培育的新品种的大面积推广和应用，将对减少农药、化肥的施用，保护黑土地具有重要意义。