ABSTRACT

Endophytic actinomycetes are prokaryotes which cohabit within the living plant tissues without causing any apparent effects on the host plants. The current research focuses on the antagonism and their potential contributions to plant growth. Direct and indirect effects of endophytic actinomycetes on plant growth promotion were summarized in this review. The current problems and application prospects of endophytic actinomycetes were also mentioned.

Keywords:Plant, Endophytic Actinomycetes, Direct and Indirect Promotion on Plant Growth

植物内生放线菌促生作用研究进展

甘霖，林睿，张筱，白薇^*

内蒙古农业大学生命科学学院，内蒙古 呼和浩特

收稿日期：2017年5月19日；录用日期：2017年6月9日；发布日期：2017年6月12日

摘 要

内生放线菌是一类定殖于植物组织内部，不引起植物明显病害的放线菌。目前，农业中对内生放线菌的利用也越来越广泛，尤其是在生防、促生等作用方面有着重要的应用。本文对植物内生放线菌的直接及间接促生作用等方面的研究进展进行了综述，并对于内生放线菌所面临的问题和应用前景进行了展望。

关键词 :植物，内生放线菌，直接与间接促生作用

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1. 植物内生放线菌

放线菌是一类具有分枝状菌丝体的革兰氏阳性细菌，其细胞中(G + C)mol %含量较高，一般在55%以上，由于其菌落边缘呈放射状而得名。放线菌是一类介于细菌和丝状真菌之间又接近于细菌的原核生物，其主要分布于含水量少、含有机质丰富的中性或偏碱性的土壤中，在空气、水体、食草动物肠胃、植物组织内部等也有一定的分布 [1] 。放线菌在被发现时并未引起人们足够的重视，直到抗生素之父S.A. Waksman从土壤中分离出放线菌，并成功研制出卡介疫苗治愈肺结核病之后，放线菌才引起了人们极大的关注。放线菌与人类生活生产关系密切，且分布广泛、种类繁多、资源丰富，有着重要的研究及应用价值。

内生菌是一类在其全部或者部分生命阶段生长在健康植物组织内部，不会引起植物明显病症的真菌或细菌 [2] [3] 。但在植物衰老或者外界刺激的条件下，植物自身免疫能力下降，内生菌也可能会引起某些病症。Hallmann [4] 等将内生菌描述为能从表面消毒的植物组织内部提取出来的、不引起植物明显病症的微生物。此外，Azevedo以及Araújo [5] 等将内生菌定义为一类不论其在实验室环境中是否可培养的、定殖于植物组织内部的、不引起植物明显病症的、不在宿主表面出现某些特定结构的微生物。Schulz [6] 等认为，内生菌是一类会对宿主有利的微生物。Petrini [7] 提出，基本上所有植物都会共生有一种或几种内生菌。

内生菌可以在植物细胞中或在细胞间隙中定殖，与宿主植物或共生或寄生，亦或在几种关系中进行转变。植物内生菌占据有利的生态位，可以抵御植物自身的防御反应，并能与宿主以及感染宿主的病原微生物直接相互作用，为宿主植物提供全面有效的防护。内生菌与宿主这种复杂的互作方式也使得内生菌可以产生特殊的次级代谢产物，借助于信号传导作用对宿主施加影响。Hardoim [8] 等表示，内生菌与宿主植物互作的关键在于内生菌可以适当地增强植物的性状，调节植物的生理代谢，提高植物的环境适应能力。内生放线菌与其宿主植物关系的研究为增强农作物农艺性状、保护物种多样性等方面提供了新思路；内生放线菌的代谢产物复杂多样，对其相关代谢产物的深入研究，必将为发现、开发新型药物指明方向。充分研究和利用植物内生放线菌资源进行相关研究，拥有巨大潜力，前景十分广阔。

2. 植物内生放线菌的促生作用特性

随着农业生产的不断发展，农用化学品如化肥、除草剂、杀虫剂以及农药的滥用已经对环境造成了不可逆转的影响。因此，建设新型的可持续发展农业已经受到世界各国科学家的广泛关注。内生菌在长期的自然演化中进化出了许多与宿主植物互作的机制。据Ahmad [9] 等的研究表明，内生菌可以明显使植物株高增长；增加幼苗、根和茎的生物量；促进植物分蘖；增加作物产量。内生放线菌可以通过拮抗病原菌以及产生促生活性物质来对宿主植株产生有利影响。内生放线菌可以产生许多促生活性物质，从直接与间接两个方面促进植物生长。直接的促生作用例如植物激素如吲哚乙酸(IAA)等；帮助宿主植物固定N元素；有的菌株还具有良好的溶解矿质元素(磷酸盐、铝硅酸盐等)的功能，可以帮助植物更好地从环境资源中吸收营养物质。间接的促生作用主要表现在内生放线菌可以帮助宿主抵抗病原菌的入侵、产生铁载体以及提高植物宿主抗逆性等方面。

2.1. 内生放线菌直接促生作用

2.1.1. 植物激素

合成植物激素的能力在微生物中广泛存在，潘佩平和周鸿宾、Merzaeva O V以及Arawan Shutsrirung [10] [11] 等的研究结果都曾报道微生物能产生吲哚乙酸(IAA)；占新华 [12] 、古丽努尔 [13] 以及Irum Naz [14] 等的研究表明均表明，真菌、细菌以及放线菌均可以产生包括赤霉素、IAA等不同种类的植物激素。

内生放线菌可以产生植物生长素，促进宿主植物的根和茎的生长。Yacine [15] 等从五种沙漠植物分离出的内生放线菌中可以产生IAA，且某些菌株在后续实验中显示出对番茄种子促进发芽和根伸长的效果。Arawan [16] 分离到的柑橘内生放线菌具有产生IAA的能力，对柑橘幼苗有明显的促生作用。除此之外，据Igarashi [17] 等从一株链霉菌属内生菌的发酵液中纯化得到了植物激素pteridic acids A和B，这种活性物质可以促进四季豆的下胚轴形成不定根，与IAA的生物活性相似。El-Tarabily [18] 发现的内生放线菌可以同时产生吲哚乙酸和吲哚丙酸(IPYA)以及异戊烯基腺嘌呤(细胞分裂素的一种)，对黄瓜有明显的促生活性。Pongrawee [19] 将内生放线菌与慢生型大豆根瘤菌共同接种大豆，共同接种后的大豆其根与茎的干重明显增加，且接种菌产生的植物激素可以有效的促进宿主植物吸收和转运营养元素。S.P.Singh [20] 等从印度传统药用植物中分离到的内生放线菌可以产生赤霉素(GA3)，能有效增加鹰嘴豆植株的生物量并抑制鹰嘴豆白绢病的发生。

2.1.2. 解磷作用

由于长期栖居于土壤、海底沉积物等生境中，使得放线菌演化出了适应腐生生活环境的多种策略，他们可以通过产生多种胞外物质来降解环境中难溶解的某些营养物质。内生菌可以通过产生这些物质帮助宿主植物更好的吸收环境中难以利用的营养成分。磷元素就是许多种难以被有效利用的营养物质之一。磷在自然界中只能以离子的形式被吸收，但在土壤中通常是以难溶的形式存在。农业中为了提高作物产量，长期大量施用磷肥，但大多数的磷转化为难溶态或是被雨水冲刷流失，导致环境污染 [21] 。

前人研究表明，溶磷能力在微生物中普遍存在。尹瑞龄 [22] 等的研究表明，我国旱地土壤中，解磷微生物占整个土壤微生物类群的比例高达27.1%~82.1%。田江 [23] [24] 等从湖南省湘西州花垣县的铅锌矿表层土壤中，筛选出两株具有重金属抗性和解磷特性的细菌TPSB1和TPSB2。M.Kukla [25] 从黑麦草中分离到的内生细菌均具有解磷作用。张炳火 [26] 等分离到的链霉菌属放线菌JXJ-0136可以有效增加土壤中可溶磷含量，并能显著增加白菜和豇豆的种子萌发率，促进生长。植物内生放线菌也具有很好的解磷特性，可以有效促进植物宿主对磷元素的吸收。Rahul Jog [27] 等从小麦根际以及根内部分离到7株放线菌，均具有解磷能力，且某些菌株可以明显的促进小麦的生长。王世强 [28] 等从珙桐分离到的链霉菌属放线菌JD211能够显著提高土壤中有效磷的含量，促进了水稻幼苗的生长。Miyada Zamoum [29] 等在撒哈拉沙漠旱生植物中分离得到的内生放线菌具有产生IAA以及解磷能力，可以显著地促进(P > 0.05)番茄幼苗的生长。Sheng Qin [30] 等从麻疯树中分离到的内生放线菌中，有4株菌具有解磷作用，部分内生放线菌对麻疯树幼苗具有明显的促生作用。

2.1.3. 生物固氮

自然界中，N元素主要以N2的形式存在，难以被生物体吸收利用，N元素必须经过微生物的固氮作用才能被植物吸收利用。放线菌中的弗兰克氏菌属可以与非豆科木本双子叶植物共生，形成根瘤帮助宿主植物固氮。科学工作者们早在1866年就已经发现了与非豆科植物共生的根瘤，并在1886年将这种微生物命名为弗兰克氏菌(Frankia)。此后随着研究的逐渐深入，人们将弗兰克氏菌属(Frankiaceae与Frankia)加入到放线菌目中，并认定弗兰克氏菌是在非豆科植物根瘤内进行绝对共生生活的放线菌。1978年人类首次成功的从香蕨木根瘤中分离得到弗兰克氏菌 [31] ，此后对放线菌固氮的研究也愈发趋于热门。弗兰克氏菌菌丝较纤细，直径一般在0.6~2 μm之间。随着菌丝的不断生长，可以形成孢子囊，孢子囊成熟后释放无鞭毛孢子。在缺少N元素的环境中，弗兰克氏菌菌丝可以分化为球形或卵球形的顶囊，这是弗兰克氏菌在有氧条件下进行固氮作用的场所。

弗兰克氏菌能够跨越物种与多种非豆科植物共生固氮，这些植物被称之为放线菌结瘤植物(actinorhizal plants)。放线菌结瘤植物能够在贫瘠的土壤上生长，还可以提高土壤肥力，常作为农林业中的先锋种得到应用。与未接种弗兰克氏菌的植物相比，弗兰克氏菌可以明显的促进结瘤植物的生长、生物量、含氮量以及叶绿素含量，可以帮助宿主植物抵御非生物胁迫的不利影响 [32] 。与未接种以及接种菌根真菌的意大利桤木相比，接种弗兰克氏菌的桤木在矿化土壤中栽培一年后，地上部分的生物量要明显增加 [33] 。A. KARTHIKEYAN等的研究发现 [34] ，在印度贫瘠的铝土矿土壤中栽培的木麻黄，应用各种有益微生物(包括弗兰克氏菌)处理过的实验组，存活率要明显高于对照组。该实验在持续两年零三个月后，弗兰克氏菌处理组其长势以及营养吸收仍明显高于对照组。Bélanger P A [35] 等在水培条件下研究发现，当存在有不同的金属元素时，接种弗兰克氏菌的桤木与对照组相比生物量有明显的增加。

弗兰克氏菌具有比传统根瘤菌更有效的侵染能力,与宿主形成的共生根瘤可以存在多年，持续固氮时间非常长，固氮量很大，固氮效应持久，应用价值不输豆科植物根瘤菌 [36] 。弗兰克氏菌属为自然界的氮循环起到了重要的作用，为生物固氮的应用提供了新的思路与方向。

2.2. 内生放线菌间接促生作用

2.2.1. 拮抗作用

抗生素是一类由微生物在次级代谢过程中所产生的具有抗病原体或能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。放线菌是一类盛产抗生素的微生物，早在上世纪40年代以前，研究者们就将其作为生产菌用来筛选新型抗生素。我们通过对放线菌次级代谢产物的研究，发现了超过4,000种天然抗菌活性物质，包括了我们如今药物治疗中许多重要的抗生素，如氨基糖甙类、蒽环类、大环内酯类、四环素类、β-内酰胺类、氯霉素等化合物。据不完全统计，到目前为止，由微生物产生的抗生素已经有上万种之多，其中约有一半以上是由放线菌产生的。

随着对相关研究的不断深入，植物内生放线菌已受到越来越多的关注，从内生放线菌中分离新型的抗菌化合物有着重要的实际意义。Bieber [37] 等从德国耶拿地区的赤杨根部分离到的链霉菌可以产生萘醌类化合物，对革兰氏阳性菌和人白血病细胞系K₅₆₂有很好的抑制作用。Pullen [38] 等从卫矛科中分离到的链霉菌可以产生新型抗生素celastramycins A(I)和B(II)。Taechowisani [39] 等从高良姜中分离到的内生放线菌Streptomyces sp. Tc022可以产生放线菌素D，并对香蕉炭疽病和白色念珠菌有很强的抑制作用。Khomsan [40] 等从水稻内生链霉菌中分离得到新霉素，是新霉素在生物体内合成的首次报道。H.C.Rao [41] 等从印度高止山脉的阔叶风车子中分离到的内生菌Nocardiopsis prasina中分离得到了吡喃酮类化合物nocapyrone E，具有较好的拮抗活性。一株从红豆杉中分离到的内生放线菌具有显著的抑制病原真菌以及抗癌活性 [42] 。

应用分子生物学手段克隆抗生素生物合成基因的方法可以帮助我们快速筛选得到抗生素生产菌株。抗生素生物合成基因主要有聚酮合成酶基因(PKS I和PKS II)以及非核糖体肽合成酶(NRPS)两大类。郭泽经 [43] 、徐红艳 [44] 、祁鹤兴 [45] 等均发现了不同的植物内生放线菌具有上述生物合成基因。李静 [46] 等从14种真红树植物样品中分离到的38株菌至少存在NRPS、PKS I以及PKS II三种中的一种抗生素生物合成基因。张萌萌 [47] 等对35株内生放线菌进行了PKS基因的筛选，结果表明，绝大多数菌株具有聚酮合成酶基因，有的菌株还同时具有PKSⅠ和PKSⅡ两种基因。Engelhardt [48] 采用基于PCR的基因筛选技术筛选PKS和NRPS生物合成基因时，发现一株海绵共生菌Nocardiopsis sp. TFS65-07同时具有PKS I、PKS II和NRPS基因，并从其发酵液中得到一个新型抗生素TP-1161，该化合物具有良好的抗菌活性。

除此上述之外，放线菌还可以通过其他的一些机制抑制病原菌的生长。如乔宏萍 [49] 等研究表明放线菌F46和PR对灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)有重寄生作用，可以抑制其生长。王歧 [50] 的研究结果显示，草坪土壤放线菌菌株Bn035可以产生几丁质酶，对草坪草根腐病菌有较强的抑制作用。高小宁 [51] 等的研究发现，植物内生放线菌可以产生β-1,3-葡聚糖酶活较高，对13种常见植物病原菌的生长均有一定的抑制效果。高小宁 [52] 等分离到一株产几丁质酶的内生放线菌对油菜菌核病菌的抑制率达到85.4%。于妍华 [53] 等的研究发现拮抗放线菌在以不同的病原真菌菌体为碳源时，可合成几丁质酶和纤维素酶，利用病原微生物生长。

内生放线菌长期处在植物内生生态位，分布在植物组织中，有着充足的营养和生存空间，不必暴露在恶劣的自然环境中。这使得内生放线菌具有更少的种间竞争，与土壤放线菌相比更容易发挥其促生作用，能更有效地帮助宿主抵抗病原菌的入侵。

2.2.2. 铁载体

铁元素是植物生长发育所必需的元素之一。在自然界中，铁元素的分布较为广泛，但地球丰富的氧气环境，使得自然界中的铁只能以氧化物的形式存在，能够供生物直接利用的铁元素少之又少。因此，在长期的自然演化下，许多微生物都能够通过非核糖体途径合成并分泌攫取Fe³⁺的铁载体(siderophores)。铁载体是一种具有很强特异螯合作用的小分子化合物，主要在细胞膜外发挥生物学功能，微生物利用分泌铁载体争夺外界铁元素来维持正常的新陈代谢。在低铁环境下，某些微生物对环境中铁元素的竞争能力很强，可以变相的抑制其他微生物(尤其是病原微生物)的生长。

许多研究表明 [54] - [60] ，植物内生菌可以通过产生铁载体起到对宿主的促生作用。谭红铭 [61] 等的研究表明，番茄内生放线菌可以产生铁载体，且部分菌株可对番茄青枯病有一定的防治作用。杨晓璐 [62] 等的研究表明，抗稻瘟病水稻内生放线菌OsiSh-2具有产铁载体的能力，这可能与其拮抗活性有关。王真真 [63] 等从水稻内部分离筛选到拮抗稻瘟病效果最好的内生链霉菌OsiRt-1，具有产生多种包括铁载体在内的植物生长促进剂的活性。Pongrawee Nimnoi [64] 发现了植物内生放线菌可以产生铁载体和IAA。孙磊 [65] 、Madhurama Gangwar [66] 以及Ajit Kumar Passar [67] 等均研究发现了内生放线菌可以在不同程度上产生多种类型的铁载体。

2.2.3. 提高宿主抗逆性

植物在生长过程中，经常会遇到很多不利的环境条件，我们称这些不利于植物生长发育的因素为逆境或胁迫。胁迫主要包括生物胁迫与非生物胁迫两个方面，非生物胁迫如寒冷、干旱、高盐碱度土壤和重金属污染等，生物胁迫如杂草，害虫和病害等。逆境会影响植物的正常生长和发育，严重时还可使植物枯死。内生菌长期共存于宿主体内，与宿主共同进化，其可以通过多种方式增加植物宿主对不利环境的耐受性，从而间接地促进宿主植物生长。

内生放线菌可以帮助宿主抵御非生物胁迫，提高宿主抗逆性。Sachiko Hasegawa [68] 等的研究发现，经内生链霉菌处理后的山月桂组培苗与对照试验组相比，具有较好的耐旱性。经过进一步试验发现 [69] ，内生链霉菌可以使山月桂组培苗细胞中胼胝质积累，并加速细胞木质化过程。Conn VM [70] 等研究表明，小麦内生链霉菌接种后的突野生型拟南芥在抵抗病原菌入侵时，与未处理的对照组相比，可以诱导水杨酸途径(SR)与茉莉酸/乙烯途径(JA/ET)相关基因表达量的上调。罗达 [71] 等的研究发现，经内生固氮菌接种后的多枝柽柳实生苗在盆栽试验过程中能有效应对水盐双胁迫。M. Kuffner [72] 等的研究发现，将耐受Zn/Cd的内生放线菌接种于黄花柳后，黄花柳对Zn/Cd耐受性有所提高。

此外，内生放线菌也可以产生除草、除虫类物质，增加宿主在种间竞争中的竞争力，抵御生物胁迫所造成的不利影响。邱志琦 [73] 等从健康番茄根部分离出的内生放线菌具有作为除草剂的应用潜质。史赟 [74] [75] 以及范永玲 [76] 等的研究均表明内生放线菌具有较强的杀虫作用。

3. 内生放线菌在农业上的应用

近年来，生态农业的理念越来越受到重视。随着农药、化肥的大规模使用，生态环境遭受了严重污染，病原体生物的抗药性也逐渐增强。因此，寻求新型农用药剂迫在眉睫。生物农药对防治病虫害作用高效，不易使病原生物产生抗药性，对人畜毒性低，特异性强，残留量低，已成为了当前科学研究的热点。放线菌是人们最早应用到农业生产中的微生物，内生放线菌生活在植物体内的微小空间里，具有极丰富的生物多样性以及代谢产物多样性，具有应用于农业生产的潜力。

Shimizu [77] 等的研究表明，内生链霉菌可以帮助杜鹃组培苗抵御病原菌的入侵。卫矛科内生链霉菌可以产生新型氯吡咯以及氯化蒽酮，对多株耐药性细菌具有较强的抑制作用。Christopher Franco [78] 等的研究表明，内生放线菌可以有效提高大田小麦产量，并能防治小麦立枯病，可以很大程度上可以减少农业生产过程中对杀虫剂、杀菌剂的依赖。马强 [79] 分离获得的内生放线菌对黄瓜白粉病、番茄叶霉病有着较好的生防效果，同时也有较好的促生作用特性。李文华 [80] 从泽漆组织中分离到的内生放线菌具有明显的抗病毒活性。陈亚菲 [81] 的研究表明，内生放线菌在大田试验中可以有效地抑制油菜菌核病对宿主的侵染，具有很好的生防潜力。甘良 [82] 等研究表示，放线菌混合菌剂可以有效防治西瓜枯萎病，并对西瓜有良好的促生特性。艾草内生放线菌可以定殖在多种蔬菜组织内，并对白菜胚根的生长有一定的促进作用 [83] 。综上所述，内生放线菌丰富的种质资源为我们开发新型生物制剂提供了新的来源和思路，为建立建设环境友好型、可持续型新农业奠定了基础，值得我们进一步深入研究与探索。

4. 展望

近年来，研究者们对植物内生放线菌的生防、促生作用等方面进行了更为广泛的关注和研究。但是，内生放线菌活性代谢产物的实践应用尚还处在初始阶段，内生放线菌和宿主植物间的复杂作用机理也还尚未阐明，随着内生放线菌在农业、医学等各个方面的广泛应用，其一些相关的研究也势必会越来越深入，越来越热门。

目前，内生放线菌面临着一些科研及应用上的问题：一是内生放线菌的分离和筛选。由于目前有限的培养方法和筛选手段，使得许多内生放线菌都无法成功地在体外分离出来，发现新的内生放线菌的机会也就会相应减少。其次，内生放线菌在离开宿主组织后，其某些生物活性会丧失，如何最大限度的保留内生放线菌的生物活性，特别是能否在体外模拟内生菌与宿主共生关系，也是发现和挖掘新型内生放线菌、新型活性物质的过程中所存在的问题。最后，如何将促生、生防效果良好的内生放线菌进行实际应用，如何将内生菌制备成活性高、易保存的制剂也是亟须解决的问题之一。此外，在生产实践中还应注意对内生放线菌的适度使用，趋其利避其害，让内生放线菌的应用真正做到合理、可行、高效、无残留、无污染。

随着对内生放线菌研究的不断深入，内生放线菌将更广泛的应用于商业、农业生产及科学研究之中。丰富的多样性、丰富的次级代谢产物类型，都使得内生放线菌成为了极其重要的微生物种质资源。未来，内生放线菌作为环境友好型、可持续发展型的新型微生物资源将得到更广泛的应用，对人类的影响也将更加深远。

文章引用

甘 霖,林 睿,张 筱,白 薇. 植物内生放线菌促生作用研究进展
Advances on the Growth Promotion of Endophytic Actinomycetes in Plants[J]. 微生物前沿, 2017, 06(02): 17-26. http://dx.doi.org/10.12677/AMB.2017.62003

参考文献 (References)