植物内生菌与宿主关系研究进展

生态环境学报 2010, 19(7): 1750-1754 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAI06A16）；上海市科委中药现代化专项（07DZ19723）；国家自然科学基金项目（30873386） 作者简介：姚领爱(1978年生），男，博士研究生，主要从事中药资源方向的研究。E-mail: yaolingai@sohu.com *通讯作者：黎万奎，副研究员。E-mail: bio5210@126.com 收稿日期：2010-06-11

植物内生菌与宿主关系研究进展 姚领爱，胡之璧，王莉莉，周吉燕，黎万奎* 上海中医药大学中药研究所，上海 201203 摘要：植物内生菌(endophyte)是指存活于健康植物组织内部，而又不引发宿主植物表现出明显感染症状的微生物类群，主要包括真菌、细菌和放线菌。其在植物体中的分布具有普遍性、多样性的特点。在目前研究过的所有植物中均发现有内生菌，它们可存在于植物的根、茎、叶、花、果实等各个部位。研究发现内生菌除了随植物遗传进行传播外，还可通过多种途径对宿主植物进行侵染，比如可以以内生菌体或孢子形式通过变形、吸器、或渗透等途径侵染植物，也可以通过分解植物表皮细胞壁或通过各种自然开口（包括侧根发生处，气孔，水孔等）或伤口（包括土壤对根的磨损，病虫对植物的损害及收割多年生植物造成的伤口等）等传播途经进入植物。内生菌由于与宿主植物长期共处，进而形成了一种复杂、特殊的关系。它们有的是互利共生关系，而有的是无害或微害寄生关系。两种关系可随多种因素变化而相互转化。本文主要从内生菌在宿主植物中的分布特点、侵染特性及与宿主植物共处方式等方面，对近十年来植物内生菌与宿主关系的研究进展进行综述和展望，以期为植物内生菌资源开发研究提供参考。 关键词：植物内生菌；宿主；分布；侵染；共生；寄生 中图分类号：Q948 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2010）07-1750-05

植物内生菌(endophyte)是指存活于健康植物组织内部，而又不引发宿主植物表现出明显感染症状的微生物类群，主要包括真菌、细菌和放线菌[1-3]。国内外有关内生菌的研究已有一百多年的历史，但直到二十世纪九十年代，尤其在有学者发现与植物（宿主）长期共存的部分内生真菌能够产生与宿主相同或相似的活性化学成分后，才得到重视，并进而成为研究热点。大家纷纷转而进行菌株筛选，试图筛出一些能产生重要活性物质或新化合物的菌株，进而对其开发利用。然而由于对内生菌的特性及其与宿主植物的关系缺乏足够的认识，目前上述研究多少有些盲目性。本文主要就近年来国内外对内生菌与宿主植物关系的研究进行归纳总结并进行展望，为植物内生菌资源开发研究提供参考。 1 内生菌在宿主植物中的分布特点 内生菌在植物体中的分布具有普遍性、多样性的特点。在目前研究过的所有植物中均发现有内生菌[4,5]，可存在于植物的根、茎、叶、花、果实等各个部位[6,7]。各植物体中存在的内生菌的数量、种类与植物的种类、生存环境、生长阶段、营养供给及两者的基因型有密切关系。不同地区、不同环境下生长的同一种植物组织中存在的内生菌种类和数目均有较大的差异，即使同一地区的同一植物不同组织部位中内生菌的数量和种类也不相同[8,9]。一般来说，生长在热带、亚热带地区的植物与生长在较干燥、寒冷环境下的植物相比，前者中内生菌的数量和种类多；生长速度快的植物比生长速度慢的植物中内生菌数量多；生长时间长的植株比生长时间短的植株中内生菌数量多[7]。孙剑秋等[8]针对从北

京植物园4科6种药用植物的1144个组织块中分离到的973株内生真菌进行分析，发现每种植物中含内生真菌5~8种不等，其中烟草赤星病菌（Alternaria alternata）为6种药用植物共有菌株，而

Microsphaeropsis conielloides菌株仅在杜仲中发现；内生真菌在6种植物均有较高的定殖率(47.9%~63.1%)和分离率(0.70~0.93)，随着枝条年龄的增长，枝条中的内生真菌定殖率和分离率呈明显递增趋势，且明显高于叶片。 2 内生菌对植物的侵染特性

内生菌可通过多种途径对宿主植物进行侵染。可以以内生菌体或孢子形式通过变形、吸器、或渗透等途径侵染植物[1,10]。如Hashiba等[11]通过将从白

菜根部分离的根际真菌与白菜共培养，发现真菌可从植物叶片的外表皮渗入，进入内皮，并在内皮细胞中生长。内生菌也可以通过分解植物表皮细胞壁或通过各种自然开口（包括侧根发生处，气孔，水孔等）或伤口（包括土壤对根的磨损，病虫对植物的损害及收割多年生植物造成的伤口等）等传播途经进入植物[7,10]。

有关内生菌对植物侵染特性的观点，已得到许姚领爱等：植物内生菌与宿主关系研究进展 1751 多实验论证。马同锁等[6]在研究蔬菜内生菌时发现，将蔬菜种子分别播种于无菌基质、花盆、大田等不同环境下，在其生长的不同阶段，体内所含的内生菌差异很大，其中无菌基质中生长的蔬菜内生菌只有数量的增加并无种类的增多，而在花盆和大田中的蔬菜中内生菌的种类和数量均有增加。本实验室在进行内生真菌侵染实验时也发现，无菌苗与特定内生菌共培养一段时间后，从培养苗中能分离出所研究的内生真菌。 不过，内生菌对植物侵染（或随种子进行垂直传播）、在植物体细胞内或细胞间定殖以及内生菌孢子萌发、菌体生长繁殖和代谢等过程均受宿主植物的表型和基因型影响。且需要合适的温度、湿度、光照、地理位置、植被等[12-15]环境条件及合适碳、氮等营养条件。Hashiba[11]发现用市场上购买的园艺营养土栽培卷心菜，其内生菌Heteroconium chae-tospira生长受到抑制，而用含0.1%葡萄糖的泥炭土栽培时其内生菌定殖率可高达75%。 3 内生菌与宿主的共处方式 内生菌与宿主在长期共处中形成了一种复杂、特殊的关系。它们有的是互利共生关系，而有的是无害或微害寄生关系。两种关系可随多种因素变化而相互转化。在共生时，不同内生菌对其宿主专一性差别较大，有的内生菌只与某种植物共生，而有的则可同时与多种植物共生。 3.1 内生菌与宿主的互利共生关系 研究表明许多内生菌由于与宿主的长期共处，与后者形成互利的共生关系[16]。一方面，宿主为内生菌提供充足的营养和适合的生长环境促进其生长。如Rudrappa等[17]发现，植物组织内充足的水分及特定的分泌物产生，有利于微生物黏附在一起形成微生物在宿主内赖于生存的特殊结构—生物薄膜（biofilm），进而促进内生菌的生长；易婷等[16]报道，如宿主长时间处于各种逆境中，反过来也能大大提高biofilm中细菌的各种抗性及生存能力。另一方面，内生菌在宿主应对外界环境的应激耐受性[5,18,19]（包括抗旱、抗病虫害及对病原体拮抗等）、宿主植物的生长、宿主植物中的有效活性成分的产生等方面也产生重要影响。 3.1.1 增加宿主应激耐受性 宿主应激耐受性主要包括抗旱、耐热、抗病虫害及对病原体拮抗等。研究发现，即使不是所有，也应是大部分的内生真菌增加了其宿主的应激耐受性。至少有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应激而无法生存[5]。相反有大量证据证明内生菌与植物的共生协助了早期植物在一些环境恶劣、贫瘠的土地上的生存[20]。当植物感染内生菌后，其针对某种应激的耐受性将大大加强，并能明显增加自身存活率。例如，Rodriguez [5,19]报道一种非沿海地生长的

植物在感染黄色镰刀菌（Fusarium culmorum）后，具有了很强的耐盐性，并能在沿海地存活。感染炭疽菌属内生真菌Colletotrichum protuberata后宿主植物具有了很强的耐热性[5,19]。

内生菌增加宿主应激耐受性的例子有很多，例如杜永吉[21]等将来自于高羊茅的内生真菌

Neotyphodium typhinum通过注射菌液法和菌丝塞入法回接至2种高羊茅宿主中，移栽后发现，含菌植株水分利用效率远高于不含菌植株，同时前者叶片相对含水量高于后者，具有更强保水、抗旱能力。Herre[1] 报道叶内生真菌(foliar endophytic fungi)和

枝菌根菌(arbuscular mycorrhizal fungi)普遍具有减少病原菌棕榈疫霉（Phytophthora palmivora）对叶

子损伤的作用。Hashiba [11]发现，真菌Heteroconium chaetospira可使卷心菜苗根棒状硬化和黄萎病黄叶的发生概率减少52%~97%。 虽然众多研究表明，内生真菌能增加宿主对某种应激的耐受性。然而宿主这种耐受性增强的机制目前还不甚明了.一些学者从不同角度进行了研究和报道，他们认为：（1）内生真菌可通过增加宿主生物氧化及减少对水的消耗[4]来增强宿主的抗旱

能力；（2）可通过产生抗生素或其它次生代谢物，增加自身的竞争优势作用[22-23]，及诱导或增加宿主

内的防御机制来杀死或抑制病原菌[1]；（3）通过增加宿主对矿物质、重金属以及有机质的吸收来提高宿主对恶劣环境的适应性[24]；（4）通过产生生物

碱等对昆虫具毒性的次生代谢物来抑制昆虫生长发育甚至促其死亡，进而控制昆虫的蚕食[7]。

3.1.2 促进宿主的生长 内生菌与植物互利共生关系的一个重要体现就是能促进宿主的生长。Hashiba等[11]和Narisawa

等[25]发现，感染内生菌Heteroconium chaetospira的白菜苗干重可增加3倍左右。内生菌促生作用的方式有多种，它们有的通过联合固氮来发挥促生作用；而有的则通过产生生长素、赤霉素以及细胞激动素等促植物生长物质来发挥其促生作用；有的甚至还可通过改变根部周围的环境来缓解植物根部的非生物压力，比如在对从向日葵根部分离出的一株根瘤菌研究时发现，其可以通过分泌胞外多糖来改变土壤结构，从而增加植物根部对环境的适应性，促进植物的生长[16]。

3.1.3 促进宿主次生代谢物的产生 目前许多报道称，内生菌可增加宿主次生代谢物的生成量。Mucciarelli等[26]对薄荷无菌苗和感染