摘要近年来植物内生细菌受到越来越多的关注。对植物内生细菌分离研究的历史作了简要的介绍,并概述了内生细菌的多样性及其应用,提出了植物内生细菌的研究中可能出现的问题,展望了其应用前景。
关键词植物内生细菌;应用;分离;多样性;生物防治
中图分类号S432.42文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)07-0011-02
ResearchAdvancesonApplicationofEndophyticBacteria
LUO Ming-yue1,2LU Xue-jun1LIAO Xiao-lan 1 *
(1 College of Biosafety Science and Technology,Hunan Agriculture University,Changsha Hunan 410128;
2 Construction Department of Hunan Province)
AbstractEndophytic bacteria has been concerned more and more recently. Part of work on endophytic bacteria was reviewed,including the isolation and diversity,as well as the applicaton in biological control. In addition,some problems were raised and the prospect was forecasted.
Key wordsendophytic bacteria;application;isolation;diversity;biocontrol
植物内生细菌是从表面消毒的植物组织中分离而得到或从植物内部获得的,但它们的存在并未使植物的表型特征和功能发生改变[1]。长期以来,主要通过化学农药防治植物病害,这种方法虽然能够较快地防治疾病,但是与此同时,也引起了植物病原抗药性、农药残留等问题,造成了严重的环境污染和生态破坏。植物内生细菌几乎存在于所有健康植物体内,与植物和谐共处,不仅能够避免使用化学农药给人类健康和环境带来的隐患,还能避免使用杀菌剂在杀死病原菌的同时杀死在环境中起重要作用的非靶微生物和使用其他生物菌肥破坏植物根际土壤的微生态平衡,在防治植物病害上有很大的应用潜力。因此,植物内生细菌作为生物防治菌株,发展迅速,成为当前微生物学领域研究的热点[2]。
植物内生细菌的应用,首先要筛选出植物内生细菌拮抗菌株。目前已经筛选出了许多具有拮抗作用的内生细菌菌株,其中以土壤根际细菌居多,主要有芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞杆菌(Pseudomonas)、短小杆菌(Curtobacterium)、肠杆菌(Enterbacter)、欧文氏菌属(Erwinia)等。
1内生细菌的分离研究
1876年,Pasteur从无菌葡萄果汁中分离出植物内生细菌,从此内生细菌的研究备受关注。植物内生细菌可存在于植物的根、茎及花、果实和种子中,1951年HOLLISJP [3]从马铃薯块茎中分离到节杆菌属(Arthrobacterureafaciens)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、阴沟气杆菌(Aerobac-tercloacae)。1963年SAMISHZ等[4]在番茄和黄瓜的果实中分离出多种内生细菌,包括阴沟气杆菌(Aerobactercloacae)、大肠埃希氏菌(Escherichiacoli)、黄杆菌(Flavobacterium sp.)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、黄单胞菌(Xanthomonas sp.)、棒杆菌(Corynebacterium sp.)。1990年MISAGHIIJ等[5]在棉花的根、茎、胚根、花、种子中发现有内生细菌,并且棉花无表现症状。1995年,URATANIBB等 [6]从玉米的根、茎中分离出内生细菌木质棍状杆菌犬齿亚种(Clavibacterxyli subsp.cynodontis)。同年,PLEBANS等[7]在温室中对向日葵的花和花椰菜的种子中接种内生细菌对病害进行防控。随着对植物内生细菌研究的深入,在越来越多的植物中发现存在内生细菌。
2植物内生细菌的多样性
植物内生细菌几乎存在于所有植物体内,而且同一株植物体内往往含有多种内生细菌。FERNANDO E等[8]研究咖啡组织中内生细菌的多样性发现了芽孢杆菌(Bacillus)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)、克雷伯菌属(Clavibacter)、短小杆菌属(Curtobacterium)、埃希氏菌属(Escherichia)、微球菌属(Micrococcus)、成团泛菌(Pantoea)、假单胞菌属(Pseudomonas)、沙雷菌属(Serratia)和寡养单胞菌属(Stenot-rophomonas)。Wang En Tao等[9]在墨西哥和危地马拉的豆科植物上发现成团泛菌(Pantoea)、欧文氏菌(Erwinia)、沙门氏菌(Salmonella)、肠杆菌属(Enterobacter)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)、克雷伯菌属(Klebsiella)等内生细菌。Lata H等[10]基于经典微生物测试和16SrRNA基因分析,发现无菌试管苗的松果中的内生细菌是不动杆菌、芽孢杆菌、绿脓杆菌等几个属的代表。Rodrigo Mendes等[11]在巴西田地甘蔗的根和茎中分离出了内生细菌,并发现根中的内生细菌密度很高。Cottyn等[12]发现水稻种子中 4%的内生细菌对稻纹枯病菌和稻瘟病菌有拮抗作用。植物内生细菌作为植物微生态系统中的天然组成成分,其存在对加强植物对环境的适应性具有重要意义。植物内生细菌长期生活在植物体内并与植物协同进化,一方面植物体为其提供生长必需的能量和营养;另一方面,内生细菌又可通过自身的代谢产物或借助于信号传导作用对植物体产生影响[13]。通过与植物病原菌争夺生态位和营养物质消灭病原菌、产生化感物质抑制病原菌、诱导宿主植物产生诱导系统抗性(induced systemic resistance,ISR)抵抗病原菌的侵袭,从而保护植物免受病原物的侵害。
3植物内生细菌的应用
植物内生细菌分布于植物的不同组织中,不仅受到植物组织的保护而不受外界恶劣环境(如强烈日光、紫外线、风雨等)的影响,而且有充足的营养物质,因此具有稳定的生态环境,占据有利于生防的生态位,相对于腐生细菌更易于发挥生防作用[14]。张颖等[15]通过从小麦中分离出内生细菌,从中筛选出对小麦全蚀病菌具有拮抗作用的菌株,该拮抗菌可以在一定时间内定殖于植物根系,弥补了利用土壤拮抗微生物对其进行生物防治而受土壤中其他微生物的竞争作用所造成的不足。Hu X等[16]筛选出来抗半夏软腐病的内生拮抗菌,提出利用无病原种苗预先接种拮抗菌的是植物半夏抗软腐病的一个策略。
3.1构建植物内生细菌抗病或杀虫工程菌
以植物内生细菌为载体,构建植物内生细菌抗病或杀虫工程菌,利用内生细菌将某些抗病或杀虫基因导入植物体内,提高植物的抗病虫能力而不改变植物本身的基因,保持植物的天然性状。Andrews[17]首次将Bt基因构建于内生细菌木质棍状杆菌犬齿亚种(Clavibacter. xyli subsp. cyndontis)中防治玉米螟害虫;Yan Nian-Long等[18]将有带有vip3A 基因的有杀虫活性的细菌苏云金杆菌和内生细菌枯草芽孢杆菌(B.subtilis)融合构建多功能工程菌,兼有杀虫活性和内生菌的特性,对黄瓜枯萎病病原(F.oxysporum f.sp.cucumeri-num)具有拮抗活性。要注意的是,构建植物内生细菌抗病或杀虫工程菌时,必须考虑内生细菌本身对寄主植物的作用效果,若以对植物生长有促进作用的内生细菌为载体,构建杀虫或防病工程菌可能更有应用价值[19]。ZINNIEL D K等[20]从美国中西部的玉米和高粱上分离得到内生细菌Microb-acterium testaceu并验证了其菌株IFO12675、SE034、CE648中质粒的转换能力,将从内生细菌中分离出来的质粒pBUN349转入大肠杆菌中,pBUN349表达出FFlux报告基因,他指出内生细菌可作为成为基因工程菌转移到其他植物中,从而达到抗病的目的。
3.2用于毒性有机化合物的生物降解
许多内生细菌能够降解环境污染物,国外已有许多成功的报道[21]。Van Aken等[22-23]描述从杂交杨树(Populusdeltoi-des X Populusnigra DN34)中分离的甲醇内生细菌Methylo-bacterium populi BJ001能够降解TNT、RDX和HMX,在2个月内使RDX和HMX减少60%,有望修复含有硝基芳烃化合物的土壤。从比利时BTEX污染区的杂交杨树(P. tricho-carpa X P. deltoides cv. HazendensHoogvorst)中分离的内生细菌菌株能够降解VOCs和被氯消过毒的有机除草剂(2,4-D)[24-26]。Porteus Moore等[26]描述从杂交杨树中分离出121个内生菌株并已辨认出其中有34株有植物修复的潜能。Germaine等[24]报道当豌豆(Pisum sativum)植株中接种从杂交杨树(P. trichocarpa X P. deltoides cv. Hoogvorst)中分离的假单孢内生菌Pseudomonas putida VM1450 时,植株中既没有2,4-D积累也无任何药害迹象,分离出的内生细菌菌Pseudomonas putida VM1441(pNAH7)能够降解萘[27],这表明这些内生细菌有应用于2,4-D和萘污染的土壤的生物修复的潜能。植物内生细菌应用于生物降解有许多有益之处,细菌分解污染物的基因的数量能够决定其降解效率,细菌的分解途径比植物分解途径更容易,而且能够分解植物中的毒性污染物以减少对土壤的毒性作用[28];最大的优点是应用能够植物内生细菌能够避免因根际细菌之间的竞争而导致降解菌株减少。但是,其不足之处在于,这种方法比传统修复技术稍慢,植物的选择受季节性控制,而且如果污染物降解不完全就会随着植物被人食用进入食物链。
国内有报道植物内生细菌作为降解化学农药的菌株解决农产品中农药残留问题,但目前发现的能用于降解化学农药的内生细菌并不多。曹喆等[29]从植物龙葵中分离出来能够去除Cd2+的内生细菌,有望利用内生细菌解决重金属污染问题。李雪梅等[30]从香荚兰气生根中分离到1株产香内生芽孢杆菌 Van-1a,经培养转化生成了含有香兰素及愈创木酚衍生香味物的天然香料。该天然香料能与烟香较好谐调,具有提调烟香、细腻醇和烟气、改善卷烟吸味的良好效果。
4存在的问题
植物内生细菌带来益处的同时,也出现了许多问题。研究发现,内生细菌的污染比一般的细菌污染更为严重,往往会造成严重的损失[31]。应通过对这类内生细菌污染源的鉴别,来控制污染。此外,在生物防治中要考虑内生细菌与植物或其他微生物建立共生关系或拮抗关系。另外,内生细菌在农业防病中的应用还有欠缺,目前对于农业病害大多采用农药,采用内生细菌在实际防治农业病虫害中并未推广,而且推广起来也是困难重重,如植物内生细菌的大量分离、存放问题以及农民的认可。真正用于实际中还是存在很多问题需要加强研究。
5展望
植物内生细菌防治范围广,对细菌病害、真菌病害、病毒病害和线虫病害都有一定的作用,开发应用其资源菌不仅能解决农药带来的诸多问题,减少农药和化肥的使用量,还能保持农田微生态系统多样性,维持农田生态平衡,提高作物产量,实现农业的可持续发展。因此,植物内生细菌的发展前景非常广阔,利用植物内生细菌进行生物防治是一项经济、有效、可持续的绿色无污染的技术。
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