植物内生真菌形成机制及潜在应用

　　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].