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近年来植物与放线菌共生的研究现状

作者:原创论文网 时间:2018-11-13 16:14 加入收藏

摘要

  Abstract:Plants are closely related to fungi, bacteria, as well as actinomycetes, constituting a coevolutionary and mutualistic system. There are globally 25 dominant genera of plant symbiotic actinomyces (PSAs), with rich species resources and wide distribution. These PSAs may colonize plant roots, stems and/or leaves to form various symbionts. PSAs can improve plant growth and development through directly or indirectly increasing nutrient and water absorption and utilization, and excretion of plant growth hormones. They can enhance plant stress resistance (such as salt and toxic heavy metal tolerance, and disease resistance) through synthesizing antibiotics and secondary metabolites. Furthermore, they could promote soil health through adjusting soil chemical and physical properties and activating soil nutrients. The development and functions of symbionts between plants and actinomyces are influenced and regulated by soil conditions, climate factors, geographical characters, and agricultural management strategies. The current status of PSAs application and the problems existing in the current research are also analyzed, aiming to provide theoretical basis and reference for further research and application of PSAs. PSAs are new and unexploited microbial resources with broad application prospect.

  Keyword: plant symbiotic actinomyce; symbiosis system; colonization site; eco-physiology; functioning mechanism.;

  生物之间大多是依靠密切联合、共生互助、需求互补来共同发展。而共生是物种之间最基本、最重要和最普遍的互作关系(刘润进等, 2018)。动物、植物、微生物以及三者中任意两者之间都存在“共生”,其中,植物与菌根真菌的共生是生物共生的主角(刘润进, 2017),而植物与放线菌在长期演化过程中也逐渐建立了共生关系(Bibi et al. ,2012)。本文将能够与植物建立共生体系的放线菌,统称为植物共生放线菌(plant symbiotic actinomycete,PSA)。PSA可与植物共生结瘤固氮,合成生长调节物质、抗生素及其他次生代谢活性物质,促进植物生长,提高植物抗病性和抗虫性。近年来,植物与放线菌共生研究进展迅速,本文旨在总结PSA的种质资源与分布状况、植物与放线菌构建的共生体及其特征、PSA的生理生态效应及其共生机制、影响植物与放线菌共生的生态因子、PSA的应用与前景等,以期为促进PSA的研究与应用提供依据。

近年来植物与放线菌共生的研究现状

  1、植物共生放线菌的种质资源及其分布

  PSA属革兰氏阳性细菌,部分菌种产生气生菌丝和基内菌丝和孢子,有些则形成孢囊和孢囊孢子,大多数呈细菌形态,菌落边缘菌丝常呈放射状。PSA具有较丰富的物种多样性,主要有弗兰克氏菌属(Frankia)、链霉菌属(Streptomyces)、小双孢菌属(Microbispora)、小单胞菌属(Micromonaspora)、诺卡氏菌属(Nocardia)、拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)和链孢囊菌属(Streptosporangium)等共7个代表属(Al-Garni et al. ,2014;Himaman et al., 2016)。PSA有着极丰富的物种多样性。从草本到木本、从野生植物到栽培作物、从植物体内到根围土壤等均分布着众多的PSA。根内PSA数量最多,也存在诸多稀有放线菌,这些菌株可能具有较强的适应逆境的能力和独特的生理生态功能,而值得深入探究。

  2、植物与放线菌共生构建的共生体系及其特征

  2.1、植物根系与放线菌构建的共生体系

  根系与放线菌可建立两种共生体系:一是定殖于根围的放线菌与根系构建共生体系,它们能改善根围微环境条件、活化土壤养分、拮抗病原物和促进植物生长发育;二是定殖根内的放线菌与根系构建的共生体系,根系是共生放线菌主要的定殖和生活部位,多数共生放线菌是通过根围进入根组织中,通过合成和分泌生物活性物质或和其他生理生化和部分生物物理过程来直接或和间接影响寄主植物的生命活动。

  2.2、植物茎叶与放线菌构建的共生体系

  PSA不仅定殖根系,还能定殖茎和叶形成茎瘤共生体,实施固氮作用等。放线菌也可侵染胚轴、胚根、种子和花等器官,构建一定的共生体系,进而发挥其生理生态作用。PSA侵染植物通常不形成一定特殊结构的共生体,也不显着影响植物形态和解剖特征,只以其一般形态存在于植物体内。

  2.3、植物与弗兰克氏菌属放线菌构建的共生体

  弗兰克氏菌属于典型的PSA,大多数弗兰克氏菌能与非豆科植物共生形成结瘤共生体。有4亚纲7目8科25属194种双子叶被子植物可与弗兰克氏菌共生形成根瘤;木麻黄属中有的种还在枝干上形成茎瘤(Ben et al .,2017)。通常弗兰克氏菌以两种方式和寄主植物形成共生体:一种是以从根毛细胞侵染定殖香蕨木、桤木、杨梅和木麻黄等多数植物;另一种则是以从根部表皮细胞间隙侵入定殖,如胡颓子属植物。幼嫩的沙棘根瘤内存在较多的菌丝体,而成熟根瘤里共生放线菌主要以孢囊或孢囊孢子的形式存在。非豆科植物与弗兰克氏菌共生形成的根瘤不仅在形态结构上不同于豆科植物的根瘤,发育特点也各异。植物与弗兰克氏菌共生形成的典型根瘤是由弗兰克氏菌的刺激作用下侧根变短,重复分枝,集结形成不规则球形体或大致球形的珊瑚状瘤簇。弗兰克氏菌只侵染部分皮层细胞。邻近分生组织的侵染细胞中往往只有菌丝,其后的已普遍大量地分化出具固氮功能的泡囊,瘤瓣基部往往是衰老的菌丝和泡囊。根瘤共生体可分为桤木型根瘤和杨梅型根瘤。弗兰克氏菌具有侵染多种不同科、属植物而结瘤固氮的特性。因此,该菌可以作为研究扩大寄主范围、结瘤机制、固氮基因转移和构建新的固氮共生体系的理想材料。

  3、植物共生放线菌的生理生态效应及其作用机制

  3.1、植物共生放线菌的生理生态效应

  3.1.1、促进寄主养分吸收与利用

  链霉菌CMU-SK 126可分泌嗜铁素、儿茶酚和氧肟酸盐等,促进植物的养分吸收与利用(Khamna et al., 2009);将能产生噬铁素的共生放线菌Streptomyces sp.GMKU 3100接种水稻和绿豆后,能增加植株铁元素的吸收(Rungin et al., 2012)。解钾链霉菌(Streptomycete)M3-4能提高植物养分利用率(陈宇丰等, 2015)。弗兰克氏菌与沙棘(Hippophae rhamnoides)根系共生形成固氮根瘤,将氨供给沙棘利用(徐瑞瑞, 2011)。PSA产生胞外物质帮助植物吸收利用难溶性养分。链霉菌属放线菌WZS021促进甘蔗根系吸收氮素,茎和根内N含量分别增加30%和36%(Wang et al., 2016)。

  3.1.2、增强植物抗逆性

  链霉菌属的一些共生放线菌可提高植物抗香蕉炭疽病菌(Colletotrichum musae)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)侵染的能力(Taechowisan et al., 2004)、拮抗水稻叶状病毒病(Harsonowati et al., 2017);S. fradiae、S. olivogenes、S. collinus、S. ossamyceticus和S. griseus 具备分解几丁质的功能,显着降低鹰嘴豆(Cicer arietinum)植株死亡率达42%~75%,增加其生物量1.2~2倍(Singh et al., 2017)。放线菌ZZ-9发酵液对供试的15种病原真菌均具有抑制作用,其中对苹果树腐烂病菌和立枯丝核菌生长抑制率达96%以上,效果持久(范万泽等, 2017)。球孢链霉菌(Streptomyces globisporus)发酵液可有效抑制马铃薯块茎病斑扩散,对马铃薯干腐病的防效达65%(牛世全等, 2017)。一些共生放线菌能拮抗马铃薯多种土传病害,保持了连作马铃薯健康的根围微生态(陈杰, 2013)。共生放线菌对尖孢镰刀菌、层出镰刀菌、串珠镰刀菌、腐皮镰刀菌和立枯丝核菌具有拮抗作用,大部分强活性菌株都属于链霉菌属(刘爱华等, 2017)。

  具有杀螨活性的共生链霉菌菌株St24对番茄灰霉病也有防治效果,其EC50抑制灰霉菌菌丝生长为11.78 mg·L-1。菌株St24的提取物可以抑制多种病原体,其中对葡萄孢菌的抑制作用最强(王美琴等, 2012)。Micromonos porahumi菌剂在防治植物寄生性线虫方面具有较强效果(高丙利等, 2012)。共生放线菌AGRS 8和SORS 119可造成四龄幼虫80%~100%的死亡率(Rabia et al., 2014)。接种菌株1SM5-02、2SH3-07、3SH5-05和3WH5-01显着提高了水稻幼苗根系活力和根系长度,甚至具有抗高盐胁迫的效应(Suksaard et al., 2017)。粗枝木麻黄(Casuarina glauca)与弗兰克氏菌共生能提高前者的抗盐性(Duro et al., 2016)。另外,Williamsia genera对抗生素恶唑青霉素和Nalidixic酸具有耐药性(Gos et al., 2017)。关于这些共生放线菌的其他生理生态作用有待进一步试验。

  3.1.3、增加作物产量

  接种弗兰克氏菌显着增加桤木(Alnus cremastogyne)的生物量(Bélanger et al., 2015)。弗兰克氏菌促进非豆科植物的生长,提高了植株总生物量、氮和叶绿素的含量,促进植物根茎的伸长(Ngom et al., 2016)。共生放线菌Ac10促进白菜(Brassica pekinensis)胚根的生长(任玉珍等, 2016)。黄赭色链霉菌(Streptomyces silaceus)用量为0.1 g·kg-1时对苋菜(Amaranthus tricolor)的促生效果最好,增产13%(顾志光等, 2017)。土壤Pb胁迫条件下,放线菌Act12对黑麦草(Lolium perenne)根系分蘖和根鲜重较对照增加了12%~44%和19%~95%,对根系生长有显着的促进作用(曹书苗等,2016)。辣椒(Capsicum annuum)接种放线菌后其可溶性糖和辣椒素含量分别提高了9.4%和33.3%,小麦茬接种放线菌制剂后番茄(Lycopersicon esculentum)果实VC含量、蛋白质、可溶性糖、有机酸含量均比不施放线菌制剂提高了12%、14%、10%和40%,大蒜茬施放线菌制剂提高了辣椒和番茄产量,也显着改善了小麦茬番茄和辣椒品质(石国华等, 2013)。放线菌WZS021显着促进甘蔗生长(Wang et al., 2016)。

  3.1.4、改善土壤肥力与健康状况

  弗兰克氏菌与寄主植物共生结瘤固氮时间长,固氮量大,能显着增加土壤中氮含量,提高土壤肥力。非豆科植物与弗兰克氏菌形成共生体的固氮作用,提高了土壤肥力,促进植物在贫瘠的土壤中的生长,已应用于退化和受污染土地的修复。

  3.2、植物共生放线菌的作用机制

  3.2.1、促进植物生长的作用机制

  PSA能分泌植物生长激素和次生代谢物质,进而促进植物生长发育。放线菌合成的吲哚乙酸(IAA)调节植物组织细胞的渗透活性,调节养分的转运。接种放线菌后产生的激素促进了大豆植株吸收和运转养分(Nimnoi et al., 2014);这些激素能促进番茄种子发芽和根系生长,以及柑橘幼苗的生长(Arawan et al., 2013; Goudjal et al., 2013)。共生放线菌产生的吲哚丙酮酸和异戊烯腺嘌呤,不仅能促进植物生长,还可修复致病菌造成的组织损伤(Eltarabily et al., 2009)。张鸿雁(2014)研制的种放线菌制剂Act12通过增加人参(Panax ginseng)叶片叶绿素相对含量、提高根系活力和叶片诱导酶活性等促进人参生长和提高质量。共生放线菌3-17、4-21、4-70通过产生不同抑菌物质、分泌胞外水解酶、诱导植物水杨酸信号转导、增强植株光合作用及根系活力等机制而促进植株生长(廖敏, 2016)。

  3.2.2、拮抗病原物的作用机制

  PSA特别是链霉菌属的放线菌可产生多种抗生素,如链霉素、卡那霉素、丝裂霉素等,可直接抑制病原物。共生放线菌Streptomyces sp. Tc022可产生放线菌素D,显着抑制香蕉炭疽病和白色念珠菌(Taechowisan et al., 2006)。PSA的部分代谢产物以及细胞壁成分等可作为诱导因子,诱导植物合成过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸酶(PAL)和提高其活性而产生抗性。产几丁质酶的共生放线菌对油菜菌核病菌的抑制率达到85%(高小宁等, 2010)。水稻共生放线菌OsiRt-1具有纤维素酶、蛋白酶活性,同时可产生铁载体、IAA、ACC脱氨酶,致使稻瘟病菌菌丝畸形,大田条件下该菌对水稻苗瘟和穗瘟均有较好防效(王真真等, 2016)。Pratiwi等(2018)认为,从植物中分离出的共生放线菌所产生的抗菌化合物可能有助于更好地解决抗生素耐药性问题,他们从植物茎皮中分离的放线菌产生的抗菌化合物有效抑制了芽孢杆菌(抑菌带为1.25 mm)和沙门氏菌(抑菌带为5.75 mm)的生长。从蛇藤(Acacia pennata)、龟背竹(Monstera deliciosa)、印楝(Azadirachta indica)植物分离的共生放线菌具有良好的抗菌活性,并产生新的抗生素。

  3.2.3、改善土壤肥力与健康状况的作用机制

  植物与放线菌构建的共生体系通过分泌各种酶类、有机酸等物质能活化和溶解难溶性养分、分解有机物与有毒有机物,进而提高土壤肥力;其中链霉菌在烃类降解过程中发挥重要作用。共生放线菌结合其他土壤微生物分解植物残体形成腐殖质,从而配合营养循环保持土壤的生物平衡与健康(Bhatti et al., 2017)。

  4、影响植物与放线菌共生的因子及其调控

  4.1、土壤条件

  土壤类型、质地、理化特性和肥力等显着影响PSA的物种多样性和数量。放线菌物种多样性分布次生盐碱土>原生盐碱土>农田土、稀有放线菌属一级的多样性则为次生盐碱土>原生盐碱土>农田土、链霉菌的数量表现为农田土>次生盐碱土>原生盐碱土;土壤肥力越高则放线菌数量越多,而物种多样性则越少(胡娇龙, 2014)。土壤有机质、速效磷、速效钾和速效氮含量是造成矿区复垦土壤放线菌群落的丰度和多样性差异的主要因素。淡灰钙土上的苦豆子共生放线菌数量比风沙土上的多(顾沛雯等, 2011)。土壤水分与放线菌数量呈显着正相关、土壤全盐与放线菌数量呈极显着负相关,土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷含量与放线菌数量呈显着正相关(贾倩民等, 2014)。土壤热处理温度对根围土壤放线菌分离影响最大;土壤有机质、重金属及磷酸酶水平等均影响土壤中PSA数量,值得进一步研究。

  4.2、气候条件

  降水和温度等是影响植物与放线菌共生体系的重要因素。随着降水强度的增加,土壤水分由低变高时,放线菌数量增加而真菌数量减少。干旱环境中,链霉菌属放线菌生长良好,链霉菌属的嗜热菌种在炎热环境中较常见(Goudjal et al., 2013)。草本科植物根围放线菌数量随着预处理温度升高呈降低趋势(车敏娜等, 2017)。关于气候因素对PSA的影响尚待系统研究。

  4.3、地理因素

  地域和海拔等影响PSA数量和分布。不同海拔放线菌活菌数存在差异,山谷中放线菌的活菌数最高,其次是半山和高山(Vijay et al., 2013)。高海拔2400 m放线菌的种类数量减少,但稀有放线菌的数量有所增加,包括罗氏菌属、类诺卡氏菌属等(周娟, 2017)。马爱爱等(2014)从祁连山不同海拔位点的植物根围土中分离78株特异表型放线菌,诺卡氏菌属菌株仅定殖于海拔2200 m生长的猪毛菜(Salsola collina)、海拔2800 m的钉柱萎陵菜(Potentilla saundersiana)和3800 m处的甘肃蚤缀(Arenaria kansuensis)根围土中。秦岭太白山纯林植被土壤中PSA在海拔1963 m北坡辽东栎(Quercus wutaishansea)和3202 m的南北坡太白红杉(Larix chinensis)相对丰度较高,海拔3738 m的山草甸中的丰度一般(王鹤, 2016)。

  4.4、农业技术

  4.4.1、土肥水管理

  施肥和灌水等是影响和调控PSA的主要途径。施用微生物菌肥能显着增加草原矿区排土场土壤中可培养放线菌菌落数量(珊丹等, 2017)。大田条件下菌肥+化肥处理能有效提高土壤中有机质含量,有效提高土壤中细菌和放线菌数量,降低真菌数量(杨盼盼等, 2017)。腐植酸肥显着增加土壤真菌与放线菌数量(刘馨等, 2017)。高浓度氮肥处理对放线菌、细菌、纤维素分解菌数量产生一定抑制作用。有机肥+磷菌肥处理能提高复垦土壤放线菌数量(孟会生等, 2016)。施用生物菌肥可提高根围土壤细菌和放线菌数量,而降低真菌数量。与化肥相比,沼渣处理使土壤中可培养真菌数量降低34%,可培养细菌和放线菌数量分别增加103%和292%,并降低真菌病害的发生率(尹淑丽等, 2017)。

  4.4.2、种植制度

  种植制度也影响PSA。轮作有益于植物根围放线菌的生存。与连作相比,轮作有利于改善土壤微生物结构,增加细菌和放线菌数量;随着轮作年限的延长,下茬香蕉种植园的放线菌数量有所增加(柳红娟等, 2016)。而连作则往往抑制共生放线菌的生长和降低其数量。

  5、展 望

  植物与放线菌共生是生物共生学领域重要研究对象之一。针对PSAD研究有利于深入研究生物共生现象。然而,PSA在培养基上不易生长、培养周期长、分离技术和方法以及培养条件等方面的限制,自然界中绝大多数PSA仍然未获得纯培养,获得的纯培养也大多是链霉菌。因此,今后应重点加强一下几个方面的研究:

  (1)PSA分离培养技术的建立,一些稀有PSA必须采用具有高度选择性的分离方法和分离条件才能获得。采用传统分离方法在研究PSA过程中存在一定的局限性,必需采用不同的研究手段以到达不同的研究目的。

  (2)植物与放线菌共生机制研究,从遗传和基因水平上阐明其共生机制,不仅可为植物与放线菌共生研究注入新活力,而且可指导生理生态效应与机制、高效菌种筛选等工作。

  (3)共生放线菌新种及其新功能的发现和挖掘,特别是应关注PSA产生新的抗生素及其应用。如与非洲植物共生的链霉菌能产生甲状霉素和抗菌多肽(Qin et al., 2017),这对促进开辟新的研究方向和领域意义重大。

  (4)PSA的应用技术研发 如作物土传病害生物防控、连作障碍的综合治理(开发连作障碍微生物修复菌剂等)、增强土壤肥力与健康、改良退化与污染土壤或生境、促进作物生产、改善品质的PSA制剂等。

  PSA是一类相对未开发的新微生物资源领域,PSA在调控寄主植物生理生态功能和调节土壤微环境方面意义重大。该共生体系还能促进次级代谢产物和植物生长调节剂的产生;有助于改善土壤健康可持续发展和形成天然生物肥料。植物与放线菌共生还有联合修复能力,能够改善土壤的贫瘠状况,提高土壤的肥力等效应,实现土壤的生态修复等。如植物与弗兰克氏菌共生在生态平衡和土地复垦中占有重要地位。总之,PSA在医药开发、农林牧业可持续生产、有害生物的防控管理、园林植物养护、环境污染综合治理等方面表现出广泛的应用前景。

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