植物内生真菌形成机制及潜在应用

时间：2015-12-21 00:06:20 所属分类：植物保护 浏览量:

内生真菌（endophytic fungi）是一类在生活史中至少有一个阶段生活于植物组织内，但不会对植物造成显着不良影响的真菌。广义上讲，丛枝菌根菌（arbuscular mycorrhizal fungi）是典型的内生真菌，它们与植物进行互惠共生，不仅可以提高植物抗生物逆境（抗

　　内生真菌（endophytic fungi）是一类在生活史中至少有一个阶段生活于植物组织内，但不会对植物造成显着不良影响的真菌。广义上讲，丛枝菌根菌（arbuscular mycorrhizal fungi）是典型的内生真菌，它们与植物进行互惠共生，不仅可以提高植物抗生物逆境（抗病、抗虫及其他食草动物）和抗非生物逆境能力，而且可以帮助植物吸收磷、氮和硫及微量元素。内生真菌种类多，广泛存在于各种类型的植物之中，有些可以促进植物生长及显着提高寄主植物的抗逆能力，包括抗生物逆境和非生物逆境的能力[1-12].分离自野生稻的内生真菌稻镰状瓶霉 Harpophora oryzae 可以防治稻瘟病[13],最近有研究表明香柱菌属真菌 Epichlogansuensis 可以抑制醉马草上白粉病菌 Blumeria graminis 的定殖[14].在植物病害生物防治中，木霉是重要的内生真菌，包括哈茨木霉 Trichoderma harzianum、绿色木霉 T. viride 和绿木霉 T. virens 等[15,16].有些内生真菌因为可以合成治疗人类重大疾病的活性物质而受到广泛关注，最着名的例子是短叶紫杉 Taxusbrevifolia 的内生真菌安德氏紫杉霉 Taxomyces andreanae 可以合成抗癌活性物质紫杉醇[17].

　　Ludwig-Muller[18]指出植物和内生菌可能具有类似或相同的次生代谢产物合成通路，它们可以合成相同的或类似的活性物质。有些内生真菌可以通过寄生昆虫为植物直接提供氮素，绿僵菌 Metarhizium robertsii一方面是植物的内生真菌，另一方面是昆虫的病原菌，它可以寄生昆虫并将昆虫中的氮素直接转运到菜豆Phaseolus vulgaris 和柳枝稷 Panicum virgatum 中[8].因为具有防病促生长作用，利用内生真菌控制作物病害已成为目前植物病害生物防治研究热点之一。国内外已有很多关于内生真菌的报道，本文仅从内生真菌形成机制及潜在的应用等方面进行探讨。

　　1 内生真菌与寄主共生的分子基础

　　内生真菌与寄主植物建立互惠共生关系（mutualistic symbiosis）是由双方遗传物质共同决定的，内生真菌在植物体内的生长规模和速度对互惠共生关系的维持非常重要，一旦出现变化，平衡被打破，这种互惠共生关系就会破坏，而内生真菌即有可能转变为"病原菌".E. festucae 是多年生黑麦草 Lolium perenne的内生真菌，它可以分泌一系列次生代谢产物保护寄主免遭多种生物逆境和非生物逆境的为害，寄主植物为它提供营养、生存场所及传播载体。研究发现 E. festucae 中由逆境激活的 MAP 激酶途径和真菌 NADPH氧化酶（Nox）复合体产生的活性氧（ROS）对维持 E. festucae 与多年黑麦草的互惠共生关系非常重要，一旦破坏了 Nox 复合体中的 NoxA、NoxR 或 RacA,或破坏了逆境激活的 MAP 激酶，E. festucae 即由原来的节制性生长（restricted growth）转变为快速的增生性生长（proliferative growth），有关水解酶类及转运蛋白的基因表达显着上调，对寄主表现显着的致病作用，而植物方面抗病相关基因，转座子活性、激素合成及应答的基因表达上升，双方由互惠共生关系转变为致病关系[19-25].胞外嗜铁素（epichloenin A）对维系它与多年生黑麦草互惠共生也是必需的，破坏 E. festucae 中 epichloenin A 合成酶基因，植株生长则显着受到抑制[26].破坏 E. festucae 中菌丝融合相关的基因 so,其在寄主植物高羊茅 Lolium arundinaceum 体内由互惠共生关系转变为致病关系，在接种后 2 个月内杀死寄主植物[27].

　　同样，根瘤菌（细菌）与豆科植物互惠共生，但是它在豆科植物中的生长也需要受到限制，过度生长会显着抑制植物生长。当植物基因发生突变时，根瘤菌在根部结瘤的数目显着增多，导致出现类似病害的症状[28].上述结果表明内生菌同样与植物体有一个平衡点，一旦平衡被打破，共生关系就会被打破，而这个平衡点是由内生菌与植物双方共同决定的。

　　2 内生真菌对植物影响的机制

　　内生真菌与寄主植物建立互惠共生关系对宿主的影响是多方面的。一些内生真菌参与了寄主生长发育的调控，内生真菌可以调控寄主植物表型的可塑性[29].印度梨形孢菌 Piriformospora indica 是一种最初从生长于印度拉贾斯坦沙漠植物的根部分离获得的内生担子菌，与丝核菌 Rhizoctonia 具有较近的亲缘关系[30],该菌在提高作物抗逆方面具有重要的应用潜力[4].印度梨形孢菌可以导致一种药用毛喉鞘蕊花 Coleusforskohlii 提前开花，增加生物量及改变其次生代谢产物的合成[31].印度梨形孢菌通过 PLD-PDK1-OXI1信号通路促进拟南芥的生长，其中 PLD 为磷酸酯酶 D（phospholipase D），PDK1 为依赖 3-磷酸肌醇的蛋白激酶 1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase1），OXI1 为活性氧诱导的蛋白激酶 1（oxidative signalinducible）[32].两种水稻的内生真菌 Phoma glomerata LWL2 和 Penicillium sp. LWL3 可以合成赤霉素和生长素[33];接种内生真菌 Gilmaniella sp. AL12 可以激活苍术 Atractylodes lancea 体内蛋白磷酸化水平及依赖钙离子的蛋白激酶的活性，并增加精油（volatile oil）的积累[34].携带真菌病毒的内生真菌 Curvulariaprotuberata 可以帮助其寄主（一种稗草）提高耐高温的能力[35].上述研究表明内生真菌可以改变寄主的信号通路和代谢通路，实际上内生真菌帮助寄主提高抵抗非生物逆境和抵抗病虫害的能力也是通过改变寄主的信号通路和代谢通路得以实现的。

　　3 内生真菌与寄主特异性相互作用

　　木霉有多种防病促生长的机制，如寄生病原菌、产生拮抗物质和活性物质抑制植物病害的发生和发展，可以在植物根部定殖并分泌活性物质促进植物生长和诱导植物产生抗性等[15].研究发现哈茨木霉可以与玉米共生，改变玉米的转录组和蛋白组，推测玉米几丁质酶类与抗病有关[36].Lamdan 等[37]研究了绿木霉 T.virens 与玉米互作时的分泌蛋白组特性，发现绿木霉与玉米根共培养时产生的分泌蛋白能够比在培养液中单独培养绿木霉产生的分泌蛋白更能够诱导玉米产生诱导性系统抗性（induced systemic resistance,ISR），而且它们的种类和含量也相同；木霉中一些富含半胱氨酸的小分子分泌蛋白受到了玉米的负调控，把它们敲除后处理玉米，可以诱导出更强的 ISR 反应。这些小分子蛋白可能会降低植物的抗病反应从而使得木霉可以在玉米根部生长和定殖。研究表明绿木霉分泌的 Sm1 蛋白激发子对诱导抗性至关重要[38],而另外一个类似 Sm1 蛋白的分泌蛋白 Sm2,则与绿木霉在玉米根部定殖有关，敲除 Sm2 的绿木霉转化子丧失了在根部定殖的能力，导致 Sm1 大量表达，诱导寄主的 ISR 反应[39].

　　印度梨形孢菌在大麦根部建立互惠共生关系时需要寄主的死亡细胞，它也有可能通过干扰大麦根部的细胞程序化死亡建立互惠共生关系[40],但是印度梨形孢菌在拟南芥根部却要进行活体营养型生长，需要生活在寄主活的表皮细胞内，寄主的新陈代谢信号影响印度梨形孢菌的营养类型[41].在印度梨形孢菌与拟南芥互作系统中，研究者发现来自拟南芥的一种定位于内质网上的 β-葡萄糖苷酶（PYK10）对建立互惠共生关系十分重要，这种酶可以限制印度梨形孢菌在根部的生长量从而抑制拟南芥的抗病反应[42];也有研究发现寄主的乙烯信号通路对限制印度梨形孢菌的生长和建立互惠共生至关重要[43].

　　在 E. festucae 与多年生黑麦互惠共生系统中，Eaton 等[44]发现 E. festucae 有一套核心基因（共 182 个基因）维系共生关系，响应饥饿刺激上调表达的基因包括编码降解酶类、转运蛋白、初生代谢等相关基因，而下调表达的则包括编码特定的小分子分泌蛋白和次生代谢相关酶类的基因。如果破坏这些互惠共生相互作用核心基因，突变体将会从植物中获得大量的营养物质，降解植物的营养物质和细胞壁等，由互惠共生转变为寄生关系。

　　4 植物病原真菌，特殊的内生真菌

　　很多常见的病原真菌，如刺盘孢、轮枝菌和镰孢菌等，经常出现在健康的植物体内，这种现象常给植物病理学研究者带来困惑。植物病原真菌也许可以看成是一类特殊的"内生真菌".病原真菌是在植物体内生长并引发植物出现病害症状的真菌，根据营养方式，植物病原真菌大致可以分为 3 种类型，即活体营养型（biotroph）、半活体营养型（hemibiotroph）和死体营养型（necrotroph），不管是哪种类型的病原菌最终对寄主植物的生长发育均具有显着的破坏作用（即病原菌的致病性）。内生真菌与病原真菌因为均在植物体内生长而具有一些共同的特性，如从植物上获得营养物质。我们经常可以在一些"非寄主"的植物体内分离到一些经典的病原真菌，它们在这些"非寄主"植物体内生长但不会引起寄主出现病害症状，因此这种类型的植物也称为非显症寄主（asymptomatic host）[45].例如大丽轮枝菌 Verticilliumdahlia 可以在 400 多种植物上引起病害，但在其他一些植物上则是内生菌[45,46].尖孢炭疽菌 Colletotrichumacutatum 是草莓炭疽病的病原真菌，将其接种到辣椒、茄子、番茄和四季豆等作物上，发现它可以在这些作物上生长但不会引起症状，同时该菌也在健康的白酒草属 Conyza 和蚕豆属 Vicia 的杂草上检测和分离出来[47];炭疽菌 Colletotrichum spp.和尖镰孢菌 Fusarium oxysporium 是非常重要的病原真菌，但同时也是着名的内生真菌[48-52].灰葡萄孢 Botrytis cinerea 是一种寄主范围广的典型的死体营养型病原真菌[53],Barnes 和 Shaw[54]发现在多花报春 Primulax polyantha 的幼苗上接种灰葡萄孢通常植株开花之前不会表现出症状；Sowley 等[55]发现灰葡萄孢可以在莴苣体内进行内生性生长，他们认为灰葡萄孢系由附着在种子表面的孢子侵入植物体内，他们还发现用干燥的孢子接种莴苣幼苗，可以增强植株携带灰葡萄孢的几率；Shipunov 等[56]在入侵植物矢车菊 Centaurea stoebe 中发现了 10 株内生性生长的葡萄孢属真菌，其中 1 株为灰葡萄孢，其他 9 株为葡萄孢属的新种。葡萄孢属中一个新近描述的新种 B. deweyae 是观赏萱草（hemerocallis）中的一种内生真菌[57].

　　Leptosphaeria maculans 是油菜的重要病原真菌，引起油菜茎基溃疡病，但即使是在油菜体内其生长方式也是十分独特的，该菌由子囊孢子自油菜叶面侵入，以死体营养型方式在叶面上生长并引起典型的圆形叶斑，而后进入长达数月的内生性生长阶段，于油菜生长后期在茎基部显现发病症状[58]，在室外自然条件下生长的健康拟南芥上却可以高频率地检测到该真菌[59].García 等[60]研究了拟南芥的内生真菌区系（endophytic mycobiota），发现有很多其他作物上的病原真菌，如 Alternaria alternate、Cladosporiumcladosporioides,Colletotrichum spp.、L. maculans、Lewia（Alternaria）infectoria、Plectosphaerella cucumerina、Pyrenophora leucospermi 和 Stemphylium solani 等，均可以在健康的拟南芥中检测到。Sclerotinia（Ciboria）pseudotuberosa 是一种与死体营养型病原真菌核盘菌 S. sclrotiorum 亲缘关系较近的病原真菌，该真菌引起橡树 Castanea sativa 果实黑腐病，研究发现在栗树的无发病症状的树皮、芽和坚果等部位均可以检测到该病菌的存在，表明该真菌具有内生性生长的特性[61].有些系统性侵染的真菌病害的病原真菌，如小麦黑粉病菌自小麦扬花期进入种子之后在其内休眠，随种子萌发而萌动进入幼苗生长点生长直至小麦抽穗前，罹病植株并不会表现出明显的发病症状[62].除真菌外，病原卵菌中也有类似的现象，白锈菌属 Albugo 卵菌是典型的专性活体营养型病原菌，研究发现它们在十字花科植物上广泛地以内生菌的形式存在[63],樟疫霉Phytophthora cinnamomi 是木本植物的重要病原卵菌，最近研究发现它可以在一些一年生和多年生草本植物中进行无症状的内生性生长[64,65].上述发现表明植物病原真菌在"非寄主"植物上进行内生性生长的现象是普遍存在的，即病原真菌在自然界还存在很多非显症寄主。随着人们日益关注微生物组（microbiome）对植物生长发育的影响，相信会发现更多的植物病原物可以内生真菌的营养方式在"非寄主植物"内生长。

　　5 内生真菌形成的分子机制

　　真菌如何从对寄主有显着致病作用的病原菌转变为内生真菌及其在植物体（包括寄主或非寄主）内生性生长的分子机制研究还十分有限。稻镰状瓶霉是一种分离自野生稻上的内生真菌，在分类上与稻瘟病菌具有较近的亲缘关系，Xu 等[66]分析了该内生真菌的基因组，推定 H. oryzae 可能是由病原真菌演化成为与野生稻互惠共生的内生真菌。炭疽菌属真菌是一类半活体营养型病原真菌，其中 C. magna 引发葫芦科植物的炭疽病，早在 1993 年《Science》一篇文章报道一个 C. magna 菌株单个基因的破坏促使其由病原真菌转变为与寄主互惠共生的内生真菌，丧失了致病性，不能引起病害，但是可以在植物体内生长，接种该突变体后可以诱导植物产生对炭疽菌和镰孢菌的抗性[67].通过 REMI 技术插入破坏 C. magna 的某特定基因，也使得 C. magna 由致病菌转变成与寄主建立互惠关系的内生真菌[68].真菌病毒普遍存在于内生真菌中，且丰度非常高[69],对寄主真菌可能会造成一定的影响，并有可能进一步对寄主真菌与植物的互作产生影响。

　　Marquez 等曾报道一种内生真菌管突弯孢霉 Curvularia protuberata 的病毒（curvularia thermal tolerancevirus,CThTV）可以帮助该真菌的寄主（一种稗草）提高耐高温的能力。　　　　内生真菌与病原真菌可以相互转换，van Kan 等[70]以葡萄孢属真菌为例对内生真菌转变为病原真菌进行了阐述，葡萄孢属真菌如 B. deweyae,是观赏萱草上的内生真菌，但却成为兼性病原真菌，逐渐造成经济损失，他们认为这与种植的作物品种有关，内生真菌转变为植物病原真菌与使用作物杂交品系和降低作物遗传多样性有关。

　　6 内生真菌研究展望

　　在外界环境中生长的植物是一个复合体，在这复合体中除植物之外，还包括真菌、细菌和病毒等微生物，这些微生物影响着植物营养吸收和抗逆性（生物逆境和非生物逆境），对植物的生长和生存发挥了重要的作用，植物和这些微生物组成了一个共生功能体（plant holobiont）[71].在植物共生功能体中，植物决定了微生物的种类和数量[72].目前，研究表明植物复合体中生长有多种多样的细菌[73,74],但是从植物共生功能体高度分析内生真菌多样性相对来说还很缺乏。

　　我们知道内生菌在植物体内，也有可能大致知道植物中的内生菌种类和数量，但是我们目前还不能知道内生真菌之间、内生真菌与内生细菌之间以及它们与植物之间如何交互作用?除了以菌丝形式在植物体内生长外，内生真菌是否还可以其他形式在植物细胞内或细胞间生长?Atsatt 和 Whiteside[75]发现内生真菌可以形成共生原生质团。有些内生真菌可以在植物体内系统性生长，但有些又不能[76],它们是如何决定的?

　　尽管有人推测内生真菌可能通过次生代谢产物调控真菌与真菌之间及真菌与细菌之间的平衡,但是这种推测仍然是初步的，需要更多更深的研究。

　　研究植物共生功能体为寻找新型的抗病、抗虫基因、挖掘新的活性物质提供了新的可能。在共生功能体内，可以将所有微生物的基因及植物的基因看成一个共生功能体的基因组，在这个庞大的基因组中，可望存在抗病抗虫的功能基因，通过从表达组和代谢组层面上分析植物共生功能体与有害生物（昆虫和病原物）相互作用，可望挖掘出抗病、抗虫功能基因；利用生物信息学分析出不同的次生代谢通路，结合色谱分析，可望获得新型的活性物质。

　　植物病原真菌也可以是内生真菌，即无症状地在植物体内生长，表明作物病害循环可能要比我们目前所认识的复杂很多，特别是关于初侵染源和病原真菌的越冬越夏场所。目前国内外学者重点关注和研究了病原物与植物两者之间在分子层面上的相互作用，我们需要考虑病原物与植物共生功能体的互作及对作物病害发生发展和成灾的影响。

　　目前，利用植物内生菌（包括内生真菌和内生细菌）防治作物病害已经取得了可喜的成绩，但是仍然还有很多环节需要关注。例如，何时以及如何向植物体内引进内生真菌?内生真菌可以改变植物的代谢通路和次生代谢通路，需要明确它们是否会对最终农产品产量和品质造成不良的影响。另外，植物病原真菌能否开发成为控制病害的生防真菌?通过对植物与内生真菌及病原菌相互作用的研究，将促使我们更深入地理解植物病理学，并为植物病害的综合防控提供新的思路。

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