植物内生菌在食用农产品质量安全与营养品质调控中的研究进展

徐重新 仲建锋 高美静 卢莉娜 刘贤金 沈燕

（江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所 江苏省部共建国家重点实验室培育基地-江苏省食品质量安全重点实验室， 南京 210014）

食用农产品是人们日常生活最基本的需求，也是加工食品最基础的原料，是维系社会稳定和发展的最基本的物质保障。质量安全与营养品质是评价食用农产品价值和功能的最基本也是最重要指标，然而食用农产品在产供过程链中，威胁其质量安全、影响其营养品质的风险因子众多。质量安全危害物风险方面，从产地环境中的重金属、生产过程中的有毒有害农药投入品到供应过程中的食源性致病微生物，乃至品种生命周期自身代谢产生或从环境中吸附的毒素物质等［1］风险因子层出不穷。而营养品质指标方面，食用农产品中水分、碳水化合物类、蛋白类、脂肪类、维生素类、膳食纤维类、矿物质类以及特殊的挥发性风味类物质等的含量是较为常见的关键性评价指标［2-3］，这些物质主要由品种自身遗传发育基因及新陈代谢过程所决定，同时又受到产地环境、农药和肥料投入品以及气候因素等综合影响。对质量安全与营养品质的人工定向调控，是食用农产品产供过程科技创新引领下安全优质发展的必然要求。从消解产地环境中重金属［4］、生物毒素［5］等源头污染物上的技术创新，到生物安全性更高的绿色防控替代化学类农药投入品［6-7］和绿色有机肥料［8］替代化学肥料投入品上的技术创新，再到品种改良［9］以及设施农业智能化［10］调控上的技术创新，涉及生物、化学、物理等多学科集成运用，发展迅猛、日新月异。

生物及其衍生产物是食用农产品质量安全与营养品质绿色调控的主要形式，是技术创新发展的主要方向，其中植物内生菌及其衍生产物又扮演者重要角色。植物内生菌几乎存在所有高等级植物体内，是植株正常生活史过程中不可或缺的共生菌，一些特殊的菌种在一定程度上还能辅助调控植株生长发育和新陈代谢，是挖掘微生物农药、肥料以及改善作物环境胁迫适应能力和增产提质的巨大资源库［11］。目前报道的植物内生菌主要分为内生真菌、内生细菌和内生放线菌三大类型。它们主要通过与宿主作物互利共生如固氮［12］、固磷［13］和趋利避害如吸附矿质营养元素［14］、耐受有毒重金属［15］、降解农药危害物［16］，以及通过次生代谢产物如植物激素［17］、生物碱类［18］、水解酶类［19］、抗生素类［20］物质直接或间接参与调节宿主作物生长发育进程、吸收和蓄积营养物质、抵御病虫害等形式，从而实现在食用农产品质量安全与营养品质上的定向调控。

本文将近年来有关植物内生菌及其代谢产物在食用农产品质量安全与营养品质调控上的研究进展进行系统梳理归类，并结合食品、食用农产品质量安全与营养品质评价学科未来发展的大趋势，进一步就植物内生菌及其代谢产物创新挖掘技术发展及其在食用农产品质量安全与营养品质调控上的潜在创新应用展开深入探讨，为食用农产品质量安全与营养品质定向高效绿色调控领域研究提供最新文献资料和潜在创新思路。

1 植物内生菌在食用农产品质量安全调控中的研究

1.1 调控产地环境风险因子

产地环境是主导食用农产品质量安全与营养品质的最基础也是最核心要素，对其中所存在的风险因子进行调控，是保障食用农产品质量安全乃至提升营养品质的重要举措。产地环境风险因子来源广、种类多、危害性持久，其中部分有毒有害重金属（如汞、镉、铅、砷等）［1］、生物毒素（如微囊藻毒素、芋螺毒素、西加毒素等）［1］以及多环芳烃类有机物（如菲、萘、蒽、芘等）［21］对人体和动物具有致突变、致畸、致癌等较为强烈的危害风险，因而成为筛查和防控研究的重中之重。在高浓度危害因子胁迫环境下生长的植物，通常会借助体内外环境微生物体协同调节生理生化代谢，从而达到自身防御或适应危害因子胁迫的目的，而伴生的植物内生菌在这个过程又扮演着重要角色。因此，在高浓度危害因子胁迫环境下生长的植株，是分离获得可协助植物调控产地环境危害物的植物内生菌的主要来源。将分离到的目标植物内生菌进行驯化并定殖到农作物植株体内，在共生过程中，内生菌主要通过特殊的代谢产物调控宿主植株体内危害因子胁迫响应基因的表达水平［15］，并通过分泌吲哚乙酸（IAA）［22］、产铁载体［23］、合成1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶［24］以及溶磷作用［25］等多种方式，协同促进宿主植株生长发育，增强植株对危害物的耐受性和适应性，抵御危害物在植株体内迁移，从而降低危害物吸收和蓄积，最终实现调控食用农产品质量安全和营养品质的目的。目前，植物内生菌对食用农产品产地环境风险因子的调控研究，主要聚焦在重金属汞、镉、铬、铅、镍、砷和多环芳烃菲等强致癌性危害物上，涉及食用农产品的作物类型涵盖水稻、小麦、玉米、绿豆、豇豆、白菜、空心菜等，均在一定程度上为供试作物质量安全与营养品质改善起到了积极的作用。Dolphen等［23］和Cheng等［26］分别将分离到的植物内生菌短小芽胞杆菌（Bacillus pumilus）和沙雷氏菌（Serratia liquefaciens（F2））定殖到水稻植株中，均能促进植株生长发育，增强植株砷胁迫耐受性，增加植株生物量积累，降低砷在稻粒上的迁移和蓄积。两者均发现定殖内生菌能显著提升宿主植株体内铁载体水平，而三价铁阳离子能强力结合砷阴离子形成复合物，由此推测铁载体在调控宿主作物抵御砷胁迫适应环境以及阻碍砷从环境到根系再向籽粒迁移过程起到了关键作用，但具体机理有待进一步解析。Zahoor等［27］从银胶菊中分离出一株重金属耐受能力强的内生菌Mucor sp.（MHR-7），将其定殖到芥菜植株上，一方面菌株在宿主体内代谢释放IAA、ACC脱氨酶以及磷酸盐等物质，极大促进植株生长发育，增强宿主植株抵御铬的毒性，另一方面内生菌能将宿主植株从环境中吸附的铬离子固定菌丝上，由此吸附而来的铬元素大部分固定在作物根系，从而显著降低铬元素向芥菜可食部分迁移和蓄积，达到调控质量安全的目的。显然，这种植物内生菌的应用优势，受限于与之相适应的植物种类，只有内生菌仅仅靶向定殖在作物根系而不向可食部分转移才具有调控重金属铬的价值。而Chen等［28］将植物内生菌Pseudomonas sp.（Ph6-gfp）分别定殖到空心菜、小白菜和大白菜上，发现菌株主要集中定殖在宿主植株根系部分，与未接种菌株的对照组相比，3种供试蔬菜的根系和地上植株部位对产地环境中危害物多环芳烃菲的吸收积累量分别减少了93.7%和75.2%，表明定殖的植物内生菌能有效调控宿主蔬菜对产地环境中强致癌物菲的吸收和蓄积，从而提升蔬菜质量安全水平。该供试植物内生菌对多种农作物具有广谱性的定殖适应能力，相比单一作物定殖适应的菌种而言，这类内生菌在后期驯化和应用上更具优势和价值，值得予以更大关注（研究实例见表1）。

表1 植物内生菌在食用农产品产地环境危害因子调控上的应用研究实例Table 1 Application of plant endophyte for regulating environmental hazard factors in edible agricultural products

1.2 调控农药投入品危害物

农药投入品是当今世界食用农产品生产过程中最为依赖的基础性生产资料，其来源广、种类多、应用范围大，在抗虫、防病、除草、促生长等方面发挥重要作用，是保障农业稳产、增产和农产品营养品质提升的关键要素，给人类社会带来了巨大社会和经济效益。然而，长期以来市面上绝大多数农药属于有毒有害的化学药品，其残留对生态环境以及人畜健康的安全隐患巨大［42］，是威胁食用农产品质量安全的主要风险因子，备受社会关注。最新修订版的《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》（GB2763-2021）就涉及了564种农药在376种（类）食品中多达10 092项最大残留限量。对农药投入品残留进行消解修复以及培育耐药性更强的农作物是保障食用农产品质量安全和提升营养品质的重要手段，相关研究发展迅猛。以高浓度农药污染胁迫环境下生长的植物为研究对象，是获取具有耐受和降解农药的植物内生菌的主要方式［43］，近而将菌种定殖到农作物体内，内生菌就能协同宿主植株降解或抵御农药迁移，从而在一定程度上调控农药在食用农产品中的残留水平，促进植物生长发育，达到保障和提升质量安全与营养品质的目的。目前，依托植物内生菌所能成功调控的农药类型已经涉及毒死蜱、噻虫嗪、2, 4滴、阿特拉津、邻苯二甲酸二丁酯等在农作物生产上较为常用的药物，宿主对象涵盖水稻、大豆、豇豆、豌豆、韭菜、白菜、甘蔗等农作物，为提升食用农产品质量安全水平和增强营养品质提供了具有潜在应用价值的创新思路。Yuan等［44］从韭菜植株体内分离获得了可降解邻苯二甲酸二丁酯的内生菌Bacillus amyloliquefaciens（JR20），将其定殖到绿叶蔬菜植株上，能显著提高邻苯二甲酸二丁酯在宿主植株根、茎、叶中的降解率，促进叶绿素和生物量积累，从而降低绿叶菜的农药残留，提升质量安全和营养品质水平。但该内生菌在降解供试农药时对环境的酸碱性依赖比较大，因此在实际应用中容易受到定殖作物品种本身的酸碱性影响而制约其应用价值，因此有必要对菌种进行更为宽泛的环境适应性驯化。Feng等［45］将分离到的植物内生菌Sphingomonas（HJY）定殖到韭菜植株上，在内生菌协同调控下，宿主韭菜叶和根中的毒死蜱去除率分别达到为70%和66%，显著降低了韭菜中的农药残留量，提高了韭菜质量安全水平。Wang等［46］将来源于桑树体内的植物内生菌Enterobacter sp.（TMX13）定殖在大白菜植株上，在噻虫嗪胁迫环境下，其能协同调控大白菜对噻虫嗪的吸收量远低于最大允许摄入量，并且还能促进植物根系发育，提高植株叶片叶绿素含量和植物生物量，显著促进了大白菜质量安全和营养品质。这两株内生菌都是以供试农药为唯一碳源，且菌体直接接触植株就能实现定殖，而对相应农药降解效率又较高，因此如果这类菌种自身不代谢其他有毒有害次生代谢产物，有潜力作为活体解毒剂，直接喷洒就能实现食用农产品在产供过程中持续发挥降解农药的功效，部分研究进展见表2。

表2 植物内生菌在食用农产品农药投入品危害物调控上的应用研究实例Table 2 Application cases of plant endophytic for regulating pesticide hazard factors in edible agricultural products

1.3 调控病虫害

病虫害是农业生产过程中的头号大敌，一方面为防控其危害农作物，不可避免地使用农药，这为食用农产品质量安全埋下安全隐患，另一方面农作物经受病虫害后，直接或间接影响食用农产品品质乃至营养，严重损害产品价值。探索对农业病虫害的高效绿色防控，是食用农产品质量安全与营养品质领域研究的重点，已持续纳入国家农业类重大科技攻关课题。植物内生菌作为健康植物体内普遍存在的伴生菌，对协助宿主植株抵御病虫害逆境同样起到重要作用，是探索挖掘绿色农药新资源的巨大宝库。将筛选获得的具有特殊功能的植物内生菌定殖到宿主农作物植株体内，菌体在共生过程中通过自身分泌或其代谢产物参与激活宿主植株的某些特殊功能基因表达产生抗生素类［53］、维生素类［54］、挥发性化合物类［55］、醛类酮类［56-57］以及凝集素类［58］等物质作用于农作物病原菌或害虫虫体，从而实现食用农产品病虫害绿色防控的目的。庄晓新［59］将来源于苔藓植物体内的内生菌Streptomyces physcomitrii（LD126）定殖到番茄植株上，菌体在植株体内分泌放线菌素D能显著增强番茄植株对番茄青枯病病原菌的抵御能力，室内盆栽实验的生防效果更是达到了84.07%，几乎达到了使用化学农药的药效。该内生菌产生的放线菌素属于抗生素类物质，其具备高抗菌活性的同时，也可能对人体肠道正常微生物造成不利影响，因此，在对食用农产品病害调控应用过程中，还需同步分析可能伴生的风险隐患，确保食用农产品安全。Verma等［55］将来源于芦苇体内的内生菌Pseudomonas sp.（SY1）定殖到小麦植株，菌体在小麦植株体内分泌具有广谱抗真菌功能的挥发性物质，显著增强了宿主植株抵御尖孢镰刀菌、弯孢镰刀菌、链孢镰刀菌等多种病原菌的能力，室内防治效果达到80%以上。这类生物源性挥发性物质多数都是属于热不稳定的小分子化合物，容易随着宿主作物生命活动而在植株体内迁移扩散，其中一些如挥发油类、黄酮类等物质既具备广谱抗菌活性，同时也是食品或药品功能性成分，因此代谢这类物质的内生菌在调控食用农产品质量安全方面更具优势。而Elango等［56］从药用植物到手香中获得了内生菌Aspergillus sojae、El-Sayed等［57］从埃及植物Cynanchum acutum中获得了内生菌Sarocladium strictum、Zhao等［60］从药用植物百部中获得内生菌Streptomyces sp.（BS-1）、Zhang等［58］从水稻中获得内生菌Enterobacter cloacae（SJ-10）、杨亚茹等［61］从辣椒植株中获得了内生菌Pseudomonas fluorescens biovar（DLJ1），经定殖到相应宿主农作物中，分别对斜纹夜蛾、灰翅夜蛾、蚜虫、白背飞虱和根结线虫具有显著防治效果。基于内生菌调控宿主作物防控虫害，在实际应用上相对困难，因为绝大多数害虫属于季节性摄食动物，这就对抗虫活性成分表达时间、表达量和在植株体内表达或迁移部位提出了更高的要求，需要对内生菌协同宿主作物进行不断驯化和适应性改造，部分研究进展见表3。

表3 植物内生菌在食用农产品病虫害调控上的应用研究实例Table 3 Application cases of plant endophyte for regulating diseases and insect pests in edible agricultural products

2 植物内生菌在食用农产品营养品质调控方面的研究

对食用农产品营养品质提档升级，是现代农业发展的大趋势。食用农产品营养品质涉及的因素很多，评价方式也五花八门，但总的来说产品等级规格和是否属于绿色有机食品、是否属于地理标志农产品以及是否富含矿质营养元素（如富硒、富锌、富钙、富铁）等指标是判定其营养品质与价值的重要依据［72］。植物内生菌通过定殖农作物对食用农产品营养品质进行调控，一方面菌体协同宿主植株提升吸收氮、磷、钾等营养物质的能力，另一方面菌体在繁殖过程代谢或合成具有类似植物生长调节剂功能的活性物质如吲哚乙酸、赤霉素、1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶、产铁载体 等［73-74］，从而实现促进作物生长和营养物质积累，达到营养品质调控的目的。目前依托植物内生菌对食用农产品可调控的营养品质指标，在微观层面可调控作物对氮、磷、钾、钙、铁、镁、锌、硒、锰等营养元素的吸收和积累，而在宏观层面则体现在叶绿素、类胡萝卜素、粗纤维、粗蛋白、黄酮类等营养物质的蓄积，乃至提升食用农产品的等级规格和感官品质。Das等［38］将植物内生菌Acinetobacter lwoffii（RJB-2）定殖到绿豆种子上，通过在植株体内释放植物生长素吲哚乙酸以及合成多糖、溶解性磷酸盐类营养物质，极大促进了种子萌芽和植株生长，显著提高了绿豆叶绿素和类胡萝卜素含量，可为绿豆芽和绿豆营养品质提升提供新的途径。Wang等［46］将来源于桑树的内生菌Enterobacter sp.（TMX13）定殖到大白菜幼苗植株上，菌体繁殖过程中在作物体内释放大量植物激素类物质，显著促进植株生长和生物量积累，主要性状为植株根系发达、叶片肥厚，叶绿素含量明显升高，大白菜营养品质大为提升。而Durán等［75］和Waqas等［76］分别将植物内生菌Bacillus sp.（E5）和Phoma glomerata定殖到莴苣和黄瓜植株上，分别培育出了富含磷、硒元素的莴苣和富含钾、钙、镁元素的黄瓜，极大提升了农产品营养品质和价值。他们的研究均发现，定殖的内生菌均能在宿主作物体内大量合成铁载体，推测铁载体首先在宿主作根系部位与根际吸收进来的矿质元素发生复合反应，并且这些复合物能在作物体内各个部位畅通迁移，铁载体相当于扮演了抓手和运载的角色，促进矿质元素在宿主作物体内吸收和蓄积，最终实现食用农产品营养水平整体提升的目的（表4）。

表4 植物内生菌在食用农产品营养品质调控上的应用研究实例Table 4 Application of plant endophyte for regulating nutritional quality of edible agricultural products

3 结语与展望

植物内生菌作为健康植物伴生菌，在自然界中具有普遍性、物种的丰富性和多样性，是天然的微生物资源库，具备源源不断的可挖掘利用潜力，特别是在助推农业生产上，更是具有独特的优势。食用农产品作为农业生产最重要的组成部分，因其供人类“食用”的特殊属性，决定了其质量安全水平和营养品质指标是衡量其价值的最核心要素，因此这也对植物内生菌在食用农产品质量安全与营养品质调控上的应用条件更加苛刻。

在协同应对产地环境危害因子方面，目前植物内生菌供研究和利用最多、效果更明显的还是集中在通过提升宿主植物吸收并蓄积危害物，从而减少产地环境中危害物物水平，达到治理和修复产地环境的目的［83］，属于间接调控农产品质量安全的范畴。而真正依托植物内生菌直接调控食用农产品质量安全与营养品质水平的应用研究，多数仍然处于室内特定环境下的小范围添加测试的初级探索阶段。一方面，获取能与食用农作物建立稳定的共生关系且具备提升宿主植株抵御产地环境风险因子胁迫，又不至于影响作物生长发育和产品营养品质的这类植物内生菌的难度相当大，极大地制约了植物内生菌在食用农产品质量安全与营养品质调控上的探索研究与示范应用的发展步伐。另一方面，野外产地环境复杂多变，定殖的植物内生菌协同宿主农作物抵御环境胁迫的能力容易受到不可控的环境因素干扰而退化乃至失效，最终很难达到室内测试实验的所呈现出的效果。因此，在上述问题未取得技术突破的条件下，采用植物内生菌协同食用农作物调控产地环境中的危害物风险因子的方式，只能是作为食用农产品质量安全与营养品质调控的潜在可行的辅助手段。

在协同应对农药投入品危害物方面，一些农药特别是有机合成类农药（如菊酯类［44］、有机磷类［45］、烟碱类［47］、三嗪类［49］）本身就能为某些具有“嗜药”偏好的植物内生菌提供碳源、氮源、磷源等能量物质，将这类内生菌定殖到宿主农作物植株体内，极大地促进了作物体内农药的消解速率。正因为如此，具有农药降解功能的植物内生菌，特别是以农药为唯一能量来源的高效率“嗜药”植物内生菌，不仅可以在食用农产品生产过程中通过协助宿主作物调控农药残留水平，同时理论上也具备作为采后食用农产品的“消毒剂”潜力。当然植物内生菌作为“消毒剂”用于调控采后食用农产品质量安全与营养品质，这属于食品添加剂范畴，对其安全性要求更严，准入门槛更高，投入使用的前提是供试内生菌不会产生额外的有毒有害物质，不会造成食用农产品的二次污染，目前国内外尚无这方面的应用研究报道，值得业界深入探讨。

在协同应对病虫害方面，植物内生菌代谢产物是协同宿主农作物抵御病原菌或害虫的关键要素，特别是在调控农作物病害方面，植物内生菌代谢产物普遍具有广谱抗菌的特性［54-55，63］，其中植物内生放线菌又因普遍具有代谢抗生素类物质的特性，因而成为微生物源性抗菌类新药物的重要来源［84］。而在调控农作物虫害方面，涉及植物内生菌的有关应用研究相对较少，但值得注意的是Zhang等［58］报道的将具有抗白背飞虱功能的植物凝集素蛋白基因克隆到植物内生菌上，定殖了该重组内生菌的水稻植株对白背飞虱表现出了极强的抗性，说明克隆的植物凝集素可以随植物内生菌共翻译表达，并且能够在宿主植株体内迁移，从而达到防控害虫的效果。依据这个思路，抗虫蛋白（如Bt杀虫蛋白）类物质理论上应该也可以借助植物内生菌作为生物防控载体，通过定殖方式直接使得农作物具备抗虫功能，从而跳过对作物进行转基因改造的复杂操作过程，有望为抗虫作物改造提供全新的捷径，或许能成为农业绿色防控发展的新方向。

在营养品质调控方面，主要是得利于植物内生菌代谢产生植物长调节剂类物质或具备溶磷作用、吸附矿质营养元素等特性［16，75，79］，直接促进宿主作物生长发育或特殊营养物质吸收和蓄积，从而达到调控食用农产品营养品质的目的，植物内生菌在其中主要扮演着微生物肥料的角色。在实际应用中，相对稻、麦、玉米、花生等果实类食用性农作物，植物内生菌在调控豆芽菜类（如绿豆）［38］、叶菜类（如白菜）［46］、茎类（如莴苣）［75］等整株性供食用的农产品营养品质上相对更有优势，因为植物内生菌协同宿主作物蓄积的生物量或营养元素可直接供人类食用，调控效率更高、作用更明显。此外，植物内生菌在富矿质营养元素（如富硒、富锌、富铁、富钙）［75-77］食用农产品的调控上同样具有可操作性强、实施效率高等优势，也是今后优质农产品探索研发的新方向。