玉米内生菌研究进展

李 晔，田红琳，张丕辉

（重庆市农业科学院玉米研究所，重庆401329）

植物内生菌是指其生活史中某一阶段或整个阶段生活在生长健康的植物组织或细胞内，并对宿主植物没有引起明显病害症状的一类微生物群［1］。内生菌在宿主抵抗植物病虫害、抗非生物胁迫及促进生长中起到重要作用［2］。内生菌的研究已经成为植物学、植物保护学、农学、生物学和中药学等学科领域的热点，其在农业、林业及医药领域具有重要的研究开发价值。目前，从玉米、水稻、棉花等多种作物体内均获得具有一定应用潜能的内生菌菌株［3～6］。

玉米是中国重要的粮食经济作物，在经济、生活中起着举足轻重的作用，研究玉米及其内生菌之间的关系、模式、机理，对防止病虫害、增加玉米产量有着积极意义。近年来，在玉米中分离出许多有应用潜力的内生菌株，在生防、促生长、抗非生物胁迫方面有重要意义。本文就玉米内生菌种群多样性、生物学功能及其前景作简要概述。

1 玉米内生菌的种群多样性及定殖分布

1.1 玉米内生菌的种群多样性

采用传统的培养分离鉴定模式，研究人员对多个玉米品种进行内生菌的分离鉴定，其中内生细菌主要包括芽孢杆菌属（Bacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、黄单胞菌属（Xanthomonas）、微球菌属（Micrococcus）、棒状杆菌属（Corynebacterium）等［7～10］。其中芽孢杆菌属为主要优势种群，枯草芽孢杆菌为绝对优势种，对玉米常见病害有抑制作用的菌株大多来自该属。对内生真菌的研究发现，出现频率最高的是木霉属（Trichoderma）、青霉属（Penicillium）、链格孢属（Alternaria）、镰刀霉（Fusarium）、曲霉属（Aspergillus）、头孢霉属（Cephalosporium）等［11～13］。

而近些年，随着测序技术的发展，研究人员开始通过非培养方法对玉米内生菌的种群进行研究。例如陈泽斌等［14］应用Illumina MiSeq高通量测序技术分析发现，玉米内生细菌分布于以下6个属：鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、盐单胞菌属（Halomonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、希瓦氏菌属（Shewanella）、甲基杆菌属（Methylobacterium）、土地杆菌属（Pedobacter）。其中优势菌属为鞘氨醇单胞菌属、盐单胞菌属，分别占37.78%、33.33%。喻江［15］采用LNA－PCR和454高通量测序方法研究玉米根内生菌多样性，发现异链霉菌属（Streptomyces）和Niastella是玉米内生放线菌的主要成员。而目前对于玉米内生真菌采用非培养方法研究的较少。

1.2 玉米内生菌的定殖规律

有研究表明，玉米品种的遗传背景对内生菌种群有明显的影响。玉米内生菌的种类及其数量在很大程度上受品种的遗传背景控制，内生菌的种类与玉米品种存在明显的相关性［7］。亲本中的优势菌在其后代中亦能够发现，具有一定的继承性，正反交得到的两后代之间在第一优势菌及其比例、内生细菌多样性等方面保持一致，且后代的内生菌种类比亲本更加多样［16］。

在玉米不同组织中，相同品种的玉米内生菌种群分布大致相同，数量上以根部最多，种子次之，茎、叶最少［10，17，18］。在内生菌种群多样性上以茎最多，根次之，苞叶最低［12］。玉米内生菌主要类群在整个生育期的分布也存在差异，随着株龄的增大，内生菌的种类和数量均增加，到花粒期玉米内生菌的种类达到最多。在不同时期分离频率有所不同，苗期以根茎最高，叶最少；而在穗期以叶最多，根茎次之，叶鞘最少；花粒期以叶最多，苞叶最少［12］。内生菌在不同时期对不同组织有不同的种群分布，这可能与不同组织器官的生化特性及其侵染方式有关。

2 玉米内生菌的生物学作用

主要研究方法为从玉米组织中分离出微生物，筛选出具有特定功能的菌株，通过回接玉米（如浸种或浸根），或体外模拟实验对其生物学性能进行研究。

2.1 抗病害

目前已报道的玉米内生菌对多种病原微生物有明显防治或抑制作用。辜运富等［8］及高增贵等［19］从玉米中筛选获得对玉米纹枯病菌具有显著拮抗作用的内生细菌，具有良好的防治效果，防治效果高达67.9%。候美玲等［20］分离出拮抗玉米大斑病菌（Setosphaeria turcica）的内生细菌，同时还对禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）、灰霉病菌（Botrytis cinerea）、玉米弯孢霉叶斑病菌（Curvularia lunata）等7种植物病原真菌有较强的拮抗作用。沈玥［21］从玉米分离出内生放线菌，对玉米大斑病菌和玉米小斑病菌、玉米弯孢菌叶斑病菌、玉米纹枯病菌4种病原菌都有抑制作用。赵晨晨等［22］分离的菌株对南方锈病（southern corn rust，SCR）的平均防治效果达65.7%。另外，还有研究人员从野生的古玉米品种中分离出能抗币斑病菌（Sclerotinia homoeocarpa）的内生菌［23］，为玉米内生菌资源的开发和利用提供了新的方向。

玉米内生菌增强宿主对病害的抵抗能力的机制：一方面表现在部分内生菌可以产生对病原微生物有拮抗作用的代谢产物；另一方面内生菌激活玉米主要防御酶系，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）［24］，这些酶被认为与植物抵抗病原微生物侵染有重要关系［25］；三是占领生态位，产生直接生态竞争。内生细菌作为病原拮抗菌具有许多优势：对玉米生长没有抑制作用，并且能在体内持续繁殖、转移［26］。

2.2 抗胁迫

内生菌能够增强宿主植物在不利的外界环境中的抗性，主要表现在抗旱、耐热、耐盐碱等非生物胁迫方面。

张文英等［27］初步研究了内生真菌印度梨形孢（Piriformospora indica）诱导提高玉米抗旱性的效应。结果显示，在自然干旱胁迫下，根长、根鲜重、根干重、叶片数、叶面积、叶绿素含量等指标比未接种的玉米幼苗明显增加，差异达到显著、极显著水平。刘茂军［28］通过盆栽试验发现，其分离的一株真菌能增强玉米对重金属的耐性，降低玉米对重金属的吸收，把重金属主要固持在玉米根部从而减轻玉米受重金属毒害的作用。宋艳雨等［29］从植物内生真菌菌丝中分离出多糖物质对玉米种子进行浸种处理，在氯化钠盐水中进行催芽实验，结果表明浸种处理组的根长明显优于对照组。

目前对内生菌诱导植物产生环境耐受性的机制研究较少，但已有研究人员开始尝试。王娜等［30］利用基因芯片技术对渗透胁迫下植物内生菌次生代谢产物处理的玉米进行差异基因表达谱分析，检测到的差异表达基因共计441个，参与21条代谢通路。表明在渗透胁迫下内生菌次生代谢产物对玉米的影响是一个多基因参与、多个生物途径协同调控的过程。

2.3 促生作用

内生菌有促进植物生长作用，一是因为许多内生菌可以产生生长素、赤霉素等植物生长激素；二是内生菌能够增加植物的固氮能力和对钾、钙、磷等营养元素的吸收。

傅晓方等［5］从玉米植株中分离到固氮酶活性和产IAA能力的菌株，接种至小麦后，其苗高、根长、鲜质量、干质量和叶绿素含量均高于对照组。韩梅等［31］从玉米中分离得到2株固氮酶活性较高的内生固氮菌，均为克雷伯氏菌属（Klebsiella trevisan），将其接回玉米植株，较对照植株株高、地上部分干重及根干重差异均达到显著水平，对玉米苗期生长有明显的促进作用。另外，一些从玉米中分离出的溶磷菌株（PSB，phosphate－solubilizing bacteria），能将固体磷酸盐溶解出来，供植物吸收利用［32］。

2.4 其它作用

另外，还有学者从玉米中分离出能抗食源致病菌的内生细菌，能有效抵抗如大肠杆菌、李斯特菌、沙门氏菌、产气荚膜梭菌等菌。还有些内生菌能产生具有抗菌活性物质多粘菌素［33］，为生物医药提供了新的资源。

3 结束语

内生菌在与植物长期共同进化的过程中形成了一种共生关系，在植物宿主、食草动物生态系统中，植物内生菌起着重要的生态学作用，在农业生产及制药等行业中具有重要的应用潜力。

目前已分离筛选出许多有价值的菌种资源，并通过盆栽等实验初步验证了其在生防、促生长及抗环境胁迫等方面的应用价值。但对于内生菌与宿主的作用机制的理论研究仍然较少，后续研究需要从作用机理上解释内生菌与宿主的相互关系以充分了解和利用内生菌。同时，对影响其内生菌种群分布及定殖效果的因素仍不明了，影响今后内生菌在农业生产中的应用。希望通过对玉米内生菌的系统研究，为我国玉米的发展提供坚实的理论基础和实际指导作用。

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