水稻中的内生菌外文翻译资料

 2023-01-10 16:11:44

水稻中的内生菌

原文作者 Hironobu Mano1, and Hisao Morisaki2

摘要：植物内生菌是指由表面消毒的植物内检测出来的或者是从植物内分离出来的细菌，它对植物没有明显的有害作用。植物内生菌有很多种类，例如泛菌属、杆菌属、固氮螺菌属、草螺菌属、伯克氏菌属、根瘤菌等，在水稻植株中有发现它们的存在。这个小综述总结并讨论了最近的水稻植株中内生菌的研究,关注菌群、起源、运动、以及内生菌和植物及其他微生物的相互作用，并涉及了其他植物中的内生菌。这个关于从培养法和非培养法获得细菌菌群的发现是通过多次比较和讨论方法得出的。介绍了内生菌在水稻植株中的应用和相互作用结果。未来将从应用学和基础科学角度深入研究植物内生菌。

关键词: 内生细菌、水稻、植物微生物相互作用。

引言

在植物内部已经发现各种微生物，包括真菌、放线菌和其他细菌，这些细菌被称为植物内生菌。一般情况下，植物内生菌不包含病原体。Vogl在1898年首次记录了植物内生菌的存在，他揭示了草籽（毒麦草）里面存在菌丝体。早期，内生菌的研究主要关注丝状真菌例如禾本科植物地表上组织中的内生真菌。发现感染内生菌的植物产量得到提高以及抗虫害、抗疾病、抗干旱力加强，农业中开始尝试运用内生菌。内生真菌包括那些寄存在禾本科植物的内生菌得到了广泛地研究。

植物内部组织的内生菌研究始于19世纪70年代 Pasteur和其他人的研究。虽然有这样一个普遍趋势认为植物组织中存在的任何细菌都是植物在病理情况下的症状，但Perotti是第一个认为根组织存在着非致病菌群。Hennig和Villforth也报道了有28种健康植株的叶、茎和根中有非致病菌的存在。自1940年来，有许多关于各种植物中固有内生菌的报道。20世纪80年代,在禾本科植物中发现内生菌具有固氮活性。从那以后，把生物固氮内生菌应用到植物中，目前非根瘤属的谷物例如水稻成为持久的研究目标。

内生菌已经有几种定义，随着研究的发展，它的定义也不断被修改。从所给的内生菌的定义中，Hallmann对内生菌的定义似乎是最合适的。Hallmann把植物内生菌定义为由经过表面消毒的植物内部检测到的或者或从植物中分离出来的对植物没有明显有害作用的细菌。这个定义包含了有明显中性行为的定殖体以及共生体，也包含了在植物表面和内部来回迁移的处于内寄生阶段的细菌。已发现有些内生菌对宿主植物有益，例如促进宿主植物生长，增强其抗病原体能力并为宿主植物固氮。为了有效地将内生菌的益处运用到农业当中，目前正在进行各种实验。然而，我们所拥有的内生细菌生态学知识还十分有限。

水稻是世界上最重要的谷类作物，供养了世界上50%以上的人口，必须增加水稻产量来满足日益增长的消费量，必须在未大量使用可能导致环境污染、对人体健康不利的化肥和农药前实现这一目标。因此，应用植物内生菌的益处对水稻以及其他植物的培育是至关重要的。在此，我们将总结关于水稻植株内生菌的最近研究情况，并涉及其他植物中内生菌的研究。

水稻中的内生菌群

表1列举了从水稻植株各部分分离出来的内生菌。研究人员大都从种子中分离出泛菌属，从嫩芽中分离出来甲基杆菌，从茎和根中分离出固氮螺菌属，以及从根中分离出伯克氏菌属和根瘤菌。

这些内生菌也能从其它植物中分离出来如：玉米、棉花、马铃薯、红三叶草、葡萄树、豌豆可以分离出泛菌属；玉米、棉花和红三叶草中可以分离出甲基杆菌；禾本科植物中可以分离出固氮螺菌属；玉米、高粱、甘蔗、禾本科植物中可以分离出草螺菌属；玉米、棉花和黄瓜中可以分离出伯克氏菌属。最常见的内生菌类群是从各种植物组织中分离出来，包括苜蓿、玉米、棉花、黄瓜、粗皮柠檬、甜菜、马铃薯、葡萄、番茄等，属于前假单胞菌群（假单胞菌属、伯克氏菌属、叶杆菌属）和肠杆菌科（肠杆菌属、欧文氏菌属、克雷伯氏菌）。

内生菌所具有的功能基因和它们在水稻植株中的分布有关。许多固氮内生菌可以从种子、茎以及根中分离出来（表1）。这些有益内生菌优先被宿主植物所吸收。水稻种子中的内生菌似乎暴露在高渗条件下。从水稻种子中分离出来的菠萝泛菌据报道能承受高渗透压。从水稻嫩芽中分离出来的甲基杆菌能承受各种胁迫因子例如gamma;射线辐射、干旱和营养缺乏。这可能导致PPFM寄存在表面并侵入到植株内部，反之亦然。PPFMs产生细胞分裂素，一种植物生长调节剂，它们似乎能利用植株通过果胶脱甲基形成的甲醇作为碳源。PPFMs还可利用由甲烷氧化细菌氧化甲烷（由稻田中的水稻植株体上叶片的气孔散发出）产生的甲醇。

传统的镀膜技术通常会多样性减少。例如，只能检查到土壤中10%以下的菌群。在际这个比例是1%~100%之间。因此，独立培养和以小亚基rRNA基因为基础的分子指纹图谱技术成为解决与多样性、结构组成、微生物群落的互动有关的问题的常用方法，然而，利用非培养技术研究内生菌群受到植物组织中的细胞器小亚基（SSU ）rDNA的阻碍。这种植物细胞器SSU rDNA可以通过内生菌SSU rDNA通用引物的聚合酶链式反应来扩增。许多研究者，包括作者也遇到同样的问题。为了克服这个障碍，Chelius、Sakai、Sun和其他研究者设计了新的引物特异性扩增各种菌种的SSU rDNA，而不会使植物叶绿体的SSU rDNA扩增。Sun等人通过新的引物扩增核糖体DNA限制性分析(ARDRA)检测到了水稻根中内生菌的多样性，揭示了SSU rDNA 库中各种菌群。证明有些复制体和未经培养的细菌和古细菌高度相似。Ikeda等人表示核糖体基因间隔分析RISA）可用于来自不同农艺产品的植物微生物群形成外形，而不会由于植物DNA的过量存在引起任何显着的偏差。他们利用RISA成功地研究了糙米种子中的微生物的多样性而不用区分种子表面和内部，并成功地检测到与假单胞菌、荧光假单胞菌、黄单胞甘蔗、梨火疫病菌、诺卡氏菌和葡萄球菌属以及几种未培养的细菌高度相似的几种序列。Ikeda、Sun等人利用非培养法检测到了传统分离方法没有检测到的内生菌，除了嗜麦芽寡养单胞菌是从水稻叶子中分离出来。

水稻内生菌的来源

人们认为内生菌来源于外部环境，并通过气孔、透镜体、伤口（包括损伤的毛状体）、新长出来的侧根区域和胚芽进入植物。通过对黄瓜、棉花和土豆内外根菌群进行比较，表明几乎所有的内生菌都出现在植物的根际。此外，据报道，油菜、小麦、棉花、甜玉米和玉米根部的内生菌群是土壤菌群的一个子集。Marilley和Aragno发现从黑麦草和白三叶的非根际土壤到根际再到根内部，细菌的多样性逐渐减少。还发现内生菌不仅存在于根中，还存在于处于外部环境的种子和叶中。我们研究了培养在稻田里的水稻植株种子（去除外壳后）和叶的内生和表面的菌群。结果发现种子和叶的内生菌中分别有56％和63％的内生菌也能从这些部位的表面上分离。种子作为内生菌的来源的作用仍然存在争议，Sato未检测到水稻种子中的内生细菌。另一方面，我们已经在水稻种子中发现了可培养的内生菌，其鲜重为102~106 CFU/g。Mundt和Hinkle从除水稻外的29种植物的损坏种子中获得内生菌。从棉花种子检测到的内生菌鲜重为1times;103~1times;105 CFU/g，甜玉米中低于1times;10 CFU/g。Adams和Kloepper将经过表面消毒的棉花种子放在水琼脂中培养48小时后，从胚根中检测到了内生菌，而非潜伏期前。

McInroy和Kloepper已经评估了用经表面消毒后进行水琼脂培养的甜玉米和棉花种子作为内生菌的来源的贡献。经过6天的生长后，甜玉米幼苗中的内生菌鲜重低于102 CFU/g而棉花幼苗为105 CFU/g。他们认为该种子可能是内生菌的来源之一。该作者正在研究作为内生菌来源的水稻种子的作用（未发表），通过检测水稻秧苗中的内生菌群，采用表面消毒的种子进行体外无菌培养。在水稻秧苗也检测到了与种植在农田中的水稻植株中一样的内生菌属。这些内生菌可能存在于胚中，或者当他们从种子的内部组织长出后就会从胚乳迁移到胚根和胚芽。另一方面，随着不断生长这些内生菌向周围扩散。在这两种情况下，水稻种子似乎是内生细菌的来源之一。

总之，内生菌定殖于宿主植物的细胞间隙和维管系统中，只有少数几篇报告表明内生菌在细胞内定殖。由于内生细菌之间互相竞争以及与其它内生生物一起竞争寄主植物中的有限空间，所以存在于种子中的内生菌可能在发芽后能够有优势地立即感染下一代植物。

水稻植株内生细菌的入侵和运动方式

人们认为内生菌来自外部环境并通过气孔、透镜体、伤口（包括损伤的毛状体）进入植株，如上所述，存在于新长出来的的侧根和发芽的胚根中。然而，内生细菌似乎主要是通过由于植株的生长而致新长出来的侧根和根尖上的自然伤口侵入植株。已报道数种株植物的辅根生长区（根分支位点）都存在着广泛定殖的内生菌：包括甘蓝、甜菜、菜豆、玉米和其他稻科植物如卡拉尔、白羽扇豆和豌豆。由于内皮在某些部位受损，定殖于皮质的内生菌穿过内皮进入维管组织。总之，内生菌定殖于宿主植物的细胞间隙和维管系统中，只有少数几篇报告表明内生菌在细胞内定殖。另外，有些内生菌通过维管系统定殖于宿主植物。

水稻植株的内生菌似乎以与上文提到的其他植物内生菌入侵方式一样进入并定殖于寄主植物中。然而，细胞内的定殖尚未发现。beta;-葡萄糖苷酸标记的草螺菌株通过新长出来的侧根处的裂缝进入水稻幼苗，随后定殖于细胞间隙、通气组织和皮层细胞，少数穿过胚中柱进入维管组织，其后定殖于表皮细胞、通气组织以及茎和叶的气孔下腔。葡萄糖醛酸苷酶标记的粘质沙雷氏菌IRBG500似乎是通过新长出来的侧根处的裂缝和根尖进入水稻幼苗的根部。免疫标记的内生IRBG500菌在根、茎、叶中生长，并且可以在细胞间隙、通气组织、木质部导管和衰老的细胞质不再完整的根皮层细胞碎片中发现IRBG500菌，但宿主植物中却没有发现。荧光立体显微镜显示，GFP标记的草螺菌属SPB501在接种到种子后定殖于无菌培养的野生水稻幼苗的嫩芽和种子中（药用野生稻）。通过观察荧光和电子显微镜表明，草螺菌属sp.B501菌株主要定殖于野生稻叶的细胞间隙中。

以上研究探讨了接种在由表面消毒过的种子进行体外无菌培养得到的水稻幼苗的细菌。然而在实际运用中，内生菌是如何迁移到水稻植株的？因此，我们研究了分别培养在水稻田中的同一水稻植株的种子（去除外壳后）、叶和根中的内生菌群。从水稻植物的各个部分分离出大约30种菌并进行了四核糖体RNA基因序列鉴定。从叶、种子和根内分离出的菌种数分别接近13、11和18种。其中六种菌种（短小芽孢杆菌、短小杆菌属、甲基杆菌属、鞘氨醇单胞菌属、鞘脂单胞菌属以及菠萝泛菌）是叶和种子中常见的菌属，在定殖于这些部分的内生菌中占60％以上。另一方面，与叶和种子分离出的内生菌不同，根内生菌没有藤黄微球菌。由于外部环境的不同菌种之间的差异很大，例如生长在大气中的水稻嫩苗以及土壤中的根。我们还研究了种子和叶表面的菌种。其中13种是从叶内分离出来的，7种（橙单胞菌属、短小芽孢杆菌属、短小杆菌属、甲基杆菌属、杆菌属、鞘氨醇单胞菌属和鞘脂单胞菌属）是从叶片表面检测到的。11种是是从种子内分离出来的，6种（枯草芽孢杆菌、短小杆菌属、甲基杆菌属、藤黄微球菌、鞘氨醇单胞菌属和半透明黄单胞菌）也是从种子表面检测到的。这些菌种分别占叶和种子中内生菌的69％和56％。由于许多内生菌似乎是从各部位的表面进入水稻植株的组织，所以这些细菌可能构成内生菌种群的子集。在叶片和种子的内生菌接触到胁迫因子，例如紫外线辐射、干燥、活性氧和营养缺乏。相反，在根际，有机化合物例如氨基酸和糖类从根部释放。此外，一些随着植物生长而坏死的根可以被根际的微生物利用以作为营养来源。叶、种子和根之间由于外部环境引起的差异似乎导致每个部位都栖息着特定的内生菌群。一些内生菌可能通过气孔、伤口等进入水稻植株。Mocalietalal指出，榆树（榆属）的内生菌群受温度变化的影响。这可能意味着内生菌和外生菌一样也受温度变化的影响。

目前仅从水稻植株内分离出来的内生菌有（叶：吉氏芽孢杆菌、对氯苯胺假单胞菌、菠萝泛菌、鞘氨醇单胞菌属、嗜麦芽寡养单胞菌；种子：燕麦食酸菌、短小芽孢杆菌、解淀粉类芽孢杆菌、菠萝泛菌和鞘氨醇单胞菌属（图1））。他们来源于哪里？第一种可能性是，他们来源于植物表面，但这些植物表面上的菌如此稀少以致于不容易检测到。第二种可能性是，他们来源于种子，通过从种子迁移感染下一代植物的组织。第三种可能性是，根中数量很小的内生菌通过维管系统到达嫩芽。我们已经报道了内生菌在水稻根部种群的多样性比在种子和叶中的更为丰富。根据McInroy、Kloepper和Sturz等人的研究，生在在田野中的植物内生菌似乎不断从根部向茎的下部运输。尽管水稻植株嫩芽（种子和叶）和根中内生菌群各不相同，但在甜玉米和棉花的茎、根中很多内生细菌是共有的。在从甜玉米和棉花的茎内分离出来的菌种中，分别有93％和94％的菌种也能从它们的根内分离出来。可能还要考虑到所采样的植物的高度。我们采用的样本是水稻植株最上层的叶（离地面约80厘米）和种子，而McInroy和Kloepper采用的样本是甜玉米和棉花的茎，离地面高度约1〜10厘米。从根迁移的内生细菌可能最远能够达到茎的下部。 Sturzal已经研究了红三叶草叶子上、下部以及根和根瘤中的内生菌群。从红三叶草的叶子下部分离的菌种中，87％是也能从根和根瘤中分离出。在叶子上部则只有58％能从根和根瘤中分离出。

水稻植株中内生菌与其他内源性生物以及宿主植物间的相互作用

内生菌与宿主植物中其他内源性生物相互作用。例如，人们认为内生菌会与定殖于植物中的其他微生物例如真菌和细菌竞争宿主植物所提供的有限的定殖空间和养分。当把阿氏肠杆菌JM22与浸麻类芽孢杆菌一起应用于

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