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到2050年，全球人口預(yù)計(jì)將達(dá)到97億，為了養(yǎng)活迅速增長(zhǎng)的全球人口，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要在全球范圍內(nèi)提高產(chǎn)量以承受持續(xù)不斷的人口壓力。但由于各種非生物和生物脅迫，農(nóng)作物生產(chǎn)正面臨著嚴(yán)重威脅。內(nèi)生菌是可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)（PGP）以及作為新型生物活性化合物的可持續(xù)庫(kù)存的生態(tài)友好型替代品。內(nèi)生菌被定義為任何可以在植物組織內(nèi)生長(zhǎng)和繁殖的微生物，它們通常由植物招募，來(lái)源于種子或根際微生物群落，并與宿主植物建立聯(lián)系，構(gòu)成植物微生物組的重要組成部分。據(jù)報(bào)道，植物與內(nèi)生菌已共同進(jìn)化了6000多萬(wàn)年，并在維護(hù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，這種互作關(guān)系為雙方都帶來(lái)了益處。長(zhǎng)久以來(lái)，與內(nèi)生菌群落及其在植物生命中的作用常被忽視，但當(dāng)前植物微生物組研究已完全改變了這一現(xiàn)狀，且這些研究表明這些微生物群落更為靈活，并包含編碼有益于宿主植物新性狀的遺傳信息。內(nèi)生菌通過(guò)對(duì)宿主植物進(jìn)行預(yù)警，或使其免受各種脅迫條件的影響，對(duì)宿主植物的健康和適應(yīng)性起著重要作用。幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)中都存在內(nèi)生菌，它們通過(guò)引發(fā)免疫反應(yīng)，產(chǎn)生抗氧化劑和抑制病原體生長(zhǎng)來(lái)減少植物中的非生物和生物脅迫。由于內(nèi)生菌對(duì)宿主的寶貴貢獻(xiàn)，人們一直在探索這種共進(jìn)化機(jī)制，以期能夠找到涉及共生的關(guān)鍵因素，并追蹤這種進(jìn)化關(guān)系的償還機(jī)制。最近許多代謝組學(xué)研究證實(shí)，與特定代謝物相關(guān)的內(nèi)生菌基因通過(guò)產(chǎn)生吲哚乙酸、生長(zhǎng)素和赤霉素之類的植物激素與PGP產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，這些植物激素可作為害蟲和微生物病原的保護(hù)劑。內(nèi)生菌多樣性、脅迫緩解作用及其代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，使其成為新型代謝產(chǎn)物的無(wú)限來(lái)源，其應(yīng)用可以減少農(nóng)藥和藥物在食品生產(chǎn)中的使用。因此，需要更多研究來(lái)解決群落組裝進(jìn)程及其在植物內(nèi)部和植物上發(fā)揮的作用，其中，破解定居在根，莖，葉柄和葉的各種微生物群之間和內(nèi)部的相互作用，是探索內(nèi)生菌微生物組調(diào)控的先決條件。宿主免疫系統(tǒng)，宿主基因型，環(huán)境參數(shù)，微生物與微生物的相互作用，土壤和養(yǎng)分類型等驅(qū)動(dòng)因素控制和決定著內(nèi)生菌群落的組成，其中，pH、營(yíng)養(yǎng)驅(qū)動(dòng)因素、溫度和氧氣的可用性是微生物群落組成的主要驅(qū)動(dòng)因素。但是，關(guān)于脅迫環(huán)境下內(nèi)生菌的多樣性，組成以及與植物的相互作用的信息很少，而隨著二代測(cè)序（NGS）的發(fā)展，基因組測(cè)序，宏基因組學(xué)，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)，代謝組學(xué)，微陣列和比較基因組學(xué)方法可能會(huì)為內(nèi)生菌的生活史提供更全面的理解。最近，宏基因組學(xué)和NGS方法的發(fā)展使我們能夠?qū)?nèi)生菌微生物組的多樣性和群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛篩查，對(duì)根相關(guān)內(nèi)生細(xì)菌群落的研究中最好的植物種類有：蘆薈、柑橘、小麥和擬南芥。此外，一些研究人員設(shè)計(jì)并使用了新的基于雙重基因組共生芯片的工具，研究了內(nèi)生菌與其宿主植物之間的共生作用。植物和內(nèi)生菌互作產(chǎn)生許多生物活性化合物，包括紫杉醇、苦艾素、煙曲霉酸、喜樹堿、石杉?jí)A、印楝素和許多可用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、生物降解、和生物修復(fù)等領(lǐng)域的化合物。

在這篇綜述中，重點(diǎn)闡述了內(nèi)生菌的生活方式及其進(jìn)入植物的機(jī)制，它們?nèi)绾握{(diào)節(jié)植物的免疫系統(tǒng)，以及在非生物和生物脅迫下影響宿主植物的基因型和表型表達(dá)。此外還討論了基因組學(xué)和其他各種組學(xué)方法在揭示復(fù)雜的宿主-內(nèi)生菌信號(hào)串?dāng)_中的作用。

2. 內(nèi)生菌：一種生活在宿主植物體內(nèi)的生活方式

內(nèi)生菌可以通過(guò)從土壤到植物的水平方法或通過(guò)種傳微生物的垂直方法進(jìn)入宿主植物組織并定植，且內(nèi)生菌的定植是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程。有研究證實(shí)優(yōu)勢(shì)根際細(xì)菌蕈狀芽孢桿菌在缺乏競(jìng)爭(zhēng)性細(xì)菌的無(wú)菌條件下無(wú)法在小麥根內(nèi)定植，預(yù)示著定植是有一定條件的。內(nèi)生菌的成功定植與友好型植物微生物互作關(guān)系息息相關(guān)：當(dāng)內(nèi)生菌進(jìn)入宿主植物時(shí)，宿主植物便會(huì)識(shí)別它，并引發(fā)信號(hào)分子的串?dāng)_。植物分泌的根系分泌物（類黃酮等），可作為許多PGP微生物（包括內(nèi)生菌）的化學(xué)吸引劑；脂低聚寡糖（LCO），稱為Nod因子，能活化叢枝菌根（AM）或叢枝菌根真菌（AMF）以及根瘤菌-豆科植物共生體系的共生途徑（CSP）；黃酮作為生物原料可以使根瘤菌成功定植在豆科植物根內(nèi)；獨(dú)腳金內(nèi)酯（SL）處理可刺激短鏈甲殼質(zhì)低聚物的合成和釋放，從而刺激植物共生信號(hào)通路，并且有報(bào)道稱擬南芥的根分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯作為毛霉菌內(nèi)生定植的信號(hào)分子；阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs）是植物細(xì)胞壁蛋白中富含羥脯氨酸的糖蛋白（HRGP）超家族的高度糖基化成員，可在多個(gè)級(jí)別建立植物與微生物的相互作用，這些蛋白質(zhì)在根部定植中起特定作用，通常充當(dāng)微生物的引誘劑或驅(qū)避劑以及引導(dǎo)感染的發(fā)生。此外，由植物根系分泌的酚類化合物，有機(jī)酸，氨基酸，糖和一些次生代謝產(chǎn)物，可以選擇性地吸引內(nèi)生菌。最新關(guān)于植物miRNA和基因表達(dá)研究表明，通路和基因的響應(yīng)一定程度上取決于內(nèi)生菌，大量研究證明，在根瘤菌或AMF之類的有益內(nèi)生菌在定植植物過(guò)程中，植物的防御通路會(huì)下調(diào)，但茉莉酸（JA）/乙烯（ET）/水楊酸（SA）的信號(hào)傳導(dǎo)途徑與微生物無(wú)關(guān)。細(xì)菌內(nèi)生菌固氮螺菌Azospirillum sp.B510可以誘導(dǎo)水稻的系統(tǒng)抗病性，此外，基因表達(dá)分析表明，ET對(duì)內(nèi)生菌介導(dǎo)的水稻的系統(tǒng)性抗性（ISR）至關(guān)重要。GA信號(hào)通路會(huì)抑制共生作用，而在AMF定植過(guò)程中，miRNA（-E4D3Z3Y01BW0TQ-）上調(diào)并破壞了GA信號(hào)通路。此外，內(nèi)生菌還利用其自身的防御機(jī)制來(lái)保護(hù)自己免受植物防御機(jī)制的侵害：植物的模式識(shí)別受體（PRR）無(wú)法識(shí)別內(nèi)生菌的微生物相關(guān)的分子模式（MAMP）。與其他病原互作相比，植物針對(duì)內(nèi)生菌僅激活相對(duì)微弱的暫時(shí)性防御；真菌內(nèi)生菌會(huì)產(chǎn)生一種幾丁質(zhì)脫乙酰酶，然后將植物受體無(wú)法感知的殼聚糖低聚物脫乙酰；內(nèi)生菌還會(huì)通過(guò)產(chǎn)生某種類型的代謝物（具有抗氧化活性）來(lái)躲避植物產(chǎn)生的活性氧（ROS）或氧化爆發(fā)作用，如過(guò)氧化氫酶（CatA），超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽 -S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）過(guò)氧化物酶（POD）和烷基氫過(guò)氧化物還原酶（AhpCs）。

3. 內(nèi)生菌調(diào)節(jié)植物宿主對(duì)抗不同脅迫的基因型和表型表達(dá)

3.1 增強(qiáng)生物脅迫抗性

內(nèi)生菌生活在宿主組織內(nèi)且不致病，并有引起不同植物響應(yīng)而抵御多種病原的潛力。當(dāng)植物受到不同的環(huán)境脅迫時(shí)，內(nèi)生菌會(huì)啟動(dòng)信號(hào)防御機(jī)制，從而表達(dá)脅迫響應(yīng)基因，增強(qiáng)胼胝質(zhì)沉積和入侵前防御。內(nèi)生菌可以通過(guò)下調(diào)脫落酸（ABA）顯著緩解脅迫，但ABA也會(huì)通過(guò)發(fā)出引起系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）的信號(hào)而產(chǎn)生負(fù)面影響；在植物激素GA的合成中，內(nèi)生菌阻礙了DELLA蛋白對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)信號(hào)的抑制作用（圖1）。另外，許多葉內(nèi)生菌可調(diào)節(jié)宿主基因表達(dá)，從而影響宿主防御途徑和宿主植物的生理反應(yīng)：水楊酸和JA是兩種不同的植物激素，它們通過(guò)激活植物防御系統(tǒng)對(duì)病原攻擊起著重要作用（圖1）。最近許多代謝組學(xué)研究證實(shí)，與特定代謝物相關(guān)的內(nèi)生菌基因通過(guò)產(chǎn)生生長(zhǎng)素、赤霉素之類的植物激素，或產(chǎn)生其他調(diào)控氮磷鉀有效性的化合物，與PGP產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。例如，產(chǎn)生赤霉素的內(nèi)生菌可通過(guò)JA和SA途徑增加宿主對(duì)入侵者的抵抗力；絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）級(jí)聯(lián)是各種細(xì)胞過(guò)程（如分化，生長(zhǎng)，增殖，脅迫響應(yīng)和死亡）的高度保守的調(diào)節(jié)劑，這些蛋白質(zhì)級(jí)聯(lián)在各種非生物和生物脅迫響應(yīng)中起重要作用；細(xì)菌內(nèi)生菌可合成多種新興的有機(jī)化合物和抗真菌代謝物，對(duì)線蟲和植物病原微生物具有廣泛殺滅活性。內(nèi)生菌保護(hù)宿主植物免受病原微生物損害的能力，鼓舞了揭示其主要機(jī)制的進(jìn)程。有研究人員回顧并提出了植物內(nèi)生菌與病原體之間三種特殊類型的保護(hù)性通訊：(i)直接抑制，主要是局限性的防御微生物作用（產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗真菌，抗菌和殺線蟲化合物），(ii)間接抑制，引發(fā)固有的植物防御（ISR和SAR）途徑，(iii) 占領(lǐng)生態(tài)位，內(nèi)生菌比病原體能更迅速地在宿主植物中定植，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)資源耗盡，抑制病原體定植。最近一項(xiàng)研究表明，通過(guò)利用有益的內(nèi)生細(xì)菌解淀粉芽孢桿菌YN201732參與煙草的系統(tǒng)性耐藥機(jī)制，可以有效控制煙草中的煙草白粉?。灰环N真菌內(nèi)生菌，Hypoxylonrubiginosum通過(guò)產(chǎn)生抗真菌代謝物phomopsidin，有望對(duì)灰分?。℉ymenoscyphusfraxineus）進(jìn)行生物防治；從小麥內(nèi)生的枯草芽孢桿菌EDR4菌株中分離出一種抗真菌蛋白，該蛋白可抑制尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum.sp.），F(xiàn). vasinfectum, F. graminearum,G. graminis var. tritici, B. cinerea, R. cerealis, 和Macrophomakuwatsukai.菌的生長(zhǎng)。

內(nèi)生細(xì)菌莫海威芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌定植水稻（Oryza sativa）后對(duì)真菌病原Fusarium proliferum, 輪枝鐮孢, F. fujikuroi, Magnaporthe salvinii, 和M. grisea表現(xiàn)出抗菌活性；有研究報(bào)道了黑胡椒根的內(nèi)生細(xì)菌惡臭假單胞菌BP25通過(guò)產(chǎn)生一系列VOCs，抑制多種植物病原的生長(zhǎng)，如：Pythium myriotylum, Phytophthora capsici, Athelia rolfsii, Rhizoctoniasolani, Gibberella moniliformis, Colletotrichum gloeosporioides和寄生線蟲（如Radopholus similis）；使用兩個(gè)內(nèi)生細(xì)菌菌株枯草芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌在玉米種子中定植，可以產(chǎn)生抗真菌脂肽抑制單核鐮刀菌的生長(zhǎng)；從野生開心果中分離出的內(nèi)生細(xì)菌芽孢桿菌，泛菌，假單胞菌，嗜單胞菌和粘質(zhì)沙雷氏菌顯示出對(duì)致病性細(xì)菌菌株假單胞菌假單胞菌和丁香假單胞菌具有積極的生物防治作用；枯草芽孢桿菌（Bera 71）通過(guò)產(chǎn)生抗真菌脂肽iturin抑制菜豆中引起goid病的Macrophominaphaseolina的生長(zhǎng)；與zipziphoracapitata和貫葉連翹有關(guān)的內(nèi)生細(xì)菌屬于無(wú)色桿菌，節(jié)桿菌，芽孢桿菌，腸桿菌，歐文氏菌，泛菌，假單胞菌，沙雷氏菌和嗜單胞菌，其中，穿孔桿菌（H.perforatum）與頭孢菌（Z. capitata）相比更具抗菌活性，并可以支持更多抗菌活性細(xì)菌群落的定植；在終極腐霉菌脅迫下，甜羅勒毛狀根培養(yǎng)物產(chǎn)生的分泌物吸引了一些列微生物群落定植在土壤根際，其中迷迭香酸在這一過(guò)程中針對(duì)多種微生物群落具有動(dòng)態(tài)抗菌活性（表1）。由于種子制劑的問題，大多數(shù)用于促生和生物防治活性的內(nèi)生制劑產(chǎn)品都是基于芽孢桿菌和木霉屬菌株，盡管基于假單胞菌的產(chǎn)品近年來(lái)也已商業(yè)化。

圖1 內(nèi)生菌對(duì)非生物和生物脅迫的響應(yīng)

表1 內(nèi)生菌在緩解生物脅迫中的作用

3.2 增強(qiáng)非生物脅迫抗性

內(nèi)生菌群落模式是指內(nèi)生菌群落的基本原理概念，以及驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)形成的力量，最初的內(nèi)生菌微生物組結(jié)構(gòu)及其組成類似于各自的種子庫(kù)，包括空氣和土壤，但隨著植物的生長(zhǎng)和發(fā)育變得更具植物特異性。許多非生物脅迫，例如干旱、鹽度、極端溫度、堿度、氧化脅迫和重金屬毒性，都對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，內(nèi)生菌會(huì)采用各種分子機(jī)制來(lái)減輕上述脅迫的影響。其中，各種膜受體（例如G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），受體樣激酶（RLK），離子通道和組氨酸激酶）可以感知到環(huán)境脅迫信號(hào)，這會(huì)改變細(xì)胞質(zhì)中Ca2 +水平，并產(chǎn)生次級(jí)信使，例如ROS，ABA，肌醇磷酸酯（IPs）等，這些次級(jí)信號(hào)分子通過(guò)各種激酶（例如蛋白磷酸酶，蛋白激酶CIPK和CDPK）啟動(dòng)蛋白級(jí)聯(lián)的磷酸化，通過(guò)磷酸化和去磷酸化的事件進(jìn)一步激活不同的轉(zhuǎn)錄因子，如bZIP，DREB / CBF，MYC / MYB，AREB / ABF，WRKY等。這些轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)致各種脅迫響應(yīng)基因的激活，包括編碼熱休克蛋白（HSP），脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白（LTP），晚期胚胎發(fā)生豐富（LEA）蛋白，抗氧化劑，離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和滲透壓蛋白的基因表達(dá)等，最終產(chǎn)生抵抗脅迫的能力并修復(fù)受到的損傷。因此，植物的抗逆性主要依靠由自由基（如ROS）的產(chǎn)生，以及通過(guò)脅迫響應(yīng)基因表達(dá)產(chǎn)生抗脅迫的代謝產(chǎn)物。細(xì)菌內(nèi)生菌對(duì)植物的生長(zhǎng)潛在作用可通過(guò)幾種機(jī)制來(lái)解釋：其一，多種內(nèi)生菌可以增加養(yǎng)分的可給性，例如氮磷或金屬元素，或產(chǎn)生可調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和防御反應(yīng)的代謝物，例如生長(zhǎng)素，GA，ABA，細(xì)胞分裂素，ET，SA，SL，油菜素甾體和茉莉酸酯等著名的植物激素。其二，許多內(nèi)生菌會(huì)產(chǎn)生防御分子，例如脯氨酸，類胡蘿卜素和褪黑激素，它們對(duì)非生物脅迫具有防御作用，該作用不僅僅是局部的，內(nèi)生菌也可以產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)碳（VOC），這與宿主植物的初始識(shí)別/相互作用有關(guān)，也可以是主要信號(hào)分子的前體。其中，葡萄樹中褪黑素的積累是一個(gè)非常有趣的例子，接種解淀粉芽孢桿菌可以中和干旱，寒冷和鹽分脅迫的不利影響，該細(xì)菌菌株還減少了5-羥色胺N-乙?；D(zhuǎn)移酶和色氨酸脫羧酶轉(zhuǎn)錄上調(diào)；另一個(gè)例子包括宿主植物中類胡蘿卜素的產(chǎn)生，可作為植物激素，ABA或解毒酶（如ACC脫氨酶）的前體，這些酶控制ET的產(chǎn)生并隨后調(diào)節(jié)脅迫引起的損傷。當(dāng)然，褪黑激素是一種強(qiáng)抗氧化劑，可增加CuZn SOD，抗壞血酸過(guò)氧化物酶，F(xiàn)e-SOD和類囊體結(jié)合的過(guò)氧化氫酶活性，因此褪黑素因其較好的效果已經(jīng)可以進(jìn)行外源性應(yīng)用，但產(chǎn)生褪黑素的內(nèi)生菌進(jìn)入植物組織，可能會(huì)對(duì)植物中的內(nèi)源性褪黑素水平產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。其三，有報(bào)道稱ABA介導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)之間存在串?dāng)_。ABA和ABA介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路的生物合成通常是由植物根內(nèi)相關(guān)微生物的存在才激活的，這些微生物介導(dǎo)的通路在鹽脅迫條件下有助于植物健康；當(dāng)水稻接種內(nèi)生真菌哈茨木霉菌后，水通道蛋白和脫水蛋白等基因的上調(diào)緩解了植物的非生物脅迫；枯草芽孢桿菌（BERA 71）可通過(guò)調(diào)節(jié)植物防御機(jī)制來(lái)提高鷹嘴豆的耐鹽性，而AM的定植可提高其抗旱性。

一些植物可以在重金屬和農(nóng)藥污染土壤中生長(zhǎng)，這些植物表現(xiàn)出幾種生理/遺傳策略來(lái)應(yīng)對(duì)各種土壤污染物，它們可以招募有益細(xì)菌內(nèi)生菌協(xié)助植物修復(fù)。一些細(xì)菌內(nèi)生菌已進(jìn)化出具有抵抗或耐受高濃度污染物的能力，同時(shí)表現(xiàn)出PGP特性：內(nèi)生菌通過(guò)細(xì)胞外沉淀，生物轉(zhuǎn)化，細(xì)胞內(nèi)積累以及將有毒金屬離子隔離成無(wú)毒或毒性較小的形式來(lái)減輕植物毒性（圖2）。重金屬抗性內(nèi)生真菌屬于不同的分類，包括鏈格孢屬，毛霉菌，曲霉菌，生瘤菌，微孢子菌，劍孢菌和白孢菌；細(xì)菌包括芽孢桿菌，假單胞菌，關(guān)節(jié)桿菌，桿狀芽孢桿菌，彎曲桿菌，腸桿菌，梭狀芽孢桿菌，Leifsonia，葡萄球菌，Xanthomonadaceae，嗜麥芽單胞菌，Sanguibacte和微細(xì)菌。最近有研究從Zn / Cd超富集植物伴礦景天（Sedum plumbizincicola）中分離出許多內(nèi)生細(xì)菌，選擇了五株表現(xiàn)PGP特性的菌株進(jìn)行進(jìn)一步研究，這些菌株對(duì)重金屬如Pb，Zn和Cd具有高耐受性，它們的PGP特性包括IAA的產(chǎn)生，磷酸鹽和磷的增溶，鐵載體的產(chǎn)生以及ACC脫氨酶活性。此后在盆栽試驗(yàn)中測(cè)試了接種這些細(xì)菌后伴礦景天的生長(zhǎng)情況及其在重金屬污染土壤中對(duì)Pb，Zn和Cd的吸收效果，發(fā)現(xiàn)與未接種菌株的植物相比，接種短小芽孢桿菌E2S2菌株大大增加了植物對(duì)Cd的吸收，并進(jìn)一步增加了植物的芽和根長(zhǎng)度，以及干重和鮮重生物量，因此，從伴礦景天中分離的內(nèi)生細(xì)菌菌株增強(qiáng)了其植物提取能力，并且同時(shí)促進(jìn)了植物生長(zhǎng)。在銅脅迫下，苜蓿中華根瘤菌菌株CCNWSX0020增強(qiáng)了紫花苜蓿氮含量和生長(zhǎng)指標(biāo)，促進(jìn)了植物根和芽中銅的積累，內(nèi)生菌具有合成不同的“保護(hù)性”化合物（如抗氧化劑，碳水化合物和脯氨酸）以應(yīng)對(duì)非生物脅迫的潛力，因此，苜蓿中華根瘤菌不僅促進(jìn)了植物的金屬吸收和生長(zhǎng)，而且在銅脅迫期間誘導(dǎo)了植物的抗氧化防御反應(yīng)。此外表2中列出了其他內(nèi)生菌在植物非生物脅迫中的一些例子。最后，在此領(lǐng)域中有一些研究空白需要重點(diǎn)關(guān)注：(i)關(guān)于內(nèi)生真菌進(jìn)行植物修復(fù)的信息較少，之前所有研究都集中在內(nèi)生細(xì)菌協(xié)助植物修復(fù)上。(ii)盡管這些內(nèi)生菌及其相關(guān)的宿主植物可以降解各種污染物，但大多數(shù)化合物通常降解緩慢或根本不降解。為了更好的利用內(nèi)生菌，應(yīng)改造并使用更多具有生物降解潛力的工程化內(nèi)生菌。

圖2 內(nèi)生菌調(diào)節(jié)植物修復(fù)

表2 內(nèi)生菌在緩解非生物脅迫中的作用

4. 內(nèi)生菌對(duì)植物免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

目前，找到并追蹤宿主植物內(nèi)生菌的繁殖機(jī)制至關(guān)重要。植物與微生物互作通常會(huì)對(duì)植物健康和適應(yīng)性產(chǎn)生有害或有益的影響，與內(nèi)生菌共生賦予了宿主植物額外的防御機(jī)制；內(nèi)生菌可以調(diào)節(jié)與防御有關(guān)的植物激素通路，進(jìn)而定植在宿主植物中，并建立共生關(guān)系。植物與微生物之間的聯(lián)系會(huì)對(duì)宿主的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響：多種菌根真菌和根瘤菌會(huì)引起植物的全身防御，分別稱為MIR（菌根誘導(dǎo)的抗病性）和ISR（系統(tǒng)誘導(dǎo)抗病性）?！罢T導(dǎo)的系統(tǒng)抗性”是由生物或化學(xué)誘導(dǎo)物觸發(fā)的植物抗性狀態(tài)，可保護(hù)未受感染的部分組織免受病原微生物的侵害。內(nèi)生菌進(jìn)入宿主后，必須越過(guò)植物免疫系統(tǒng)高度復(fù)雜的第一道防線，該過(guò)程涉及保守分子的識(shí)別，叫作病原體或微生物相關(guān)分子模式（PAMP或MAMP）。肽聚糖，延伸因子TU（EFTu; elf18/26），脂多糖，鞭毛蛋白（Flg; flg22），細(xì)菌SOD，β聚糖細(xì)菌冷休克蛋白（RNP1motif），卵菌中的β-葡聚糖和幾丁質(zhì)對(duì)MAMP的作用最大，這些MAMP被植物細(xì)胞表面的特異性受體分子PRR識(shí)別。與細(xì)菌內(nèi)生菌相似，真菌內(nèi)生菌也有特定受體，幾丁質(zhì)受體（PR-3）可以識(shí)別真菌細(xì)胞壁上形成的幾丁質(zhì)寡聚體。

內(nèi)生菌也可以保護(hù)自己免受植物防御機(jī)制的損害。例如，真菌內(nèi)生菌要么通過(guò)幾丁質(zhì)脫乙?；笇⑵涿撘阴；癁闅ぞ厶?，要么將其覆蓋到其他分子中，從而掩蓋了幾丁質(zhì)阻止自身被識(shí)別；內(nèi)生細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生其MAMP模式，使得宿主植物細(xì)胞表面上的PRR不能識(shí)別內(nèi)生細(xì)菌，或者與病原體相互作用相比，植物的防御反應(yīng)較弱；當(dāng)葡萄與兩種不同類型的內(nèi)生菌伯克霍爾德氏菌（Burkholderia phytofirmans）和細(xì)菌性病原體銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和油菜黃單胞菌（Xanthomonas campestris））接觸時(shí)，對(duì)鞭毛蛋白（FLS 2）表現(xiàn)出不同的感知能力。在植物防御系統(tǒng)產(chǎn)生ROS的情況下，內(nèi)生菌可以產(chǎn)生不同的抗氧化酶來(lái)實(shí)現(xiàn)自我防御（圖3）。

圖3 內(nèi)生菌在調(diào)節(jié)植物免疫反應(yīng)和防止氧化爆發(fā)中的作用機(jī)理

5. 使用多組學(xué)方法更好理解植物內(nèi)生菌互作

全面了解植物與內(nèi)生菌互作對(duì)于實(shí)現(xiàn)微生物群落的價(jià)值很重要，這些微生物群落是工業(yè)用酶，新型代謝產(chǎn)物和宿主植物緩解脅迫的來(lái)源?，F(xiàn)代高通量基因組學(xué)研究揭示了內(nèi)生菌的灰色領(lǐng)域，能夠?qū)Υ罅课⑸镞M(jìn)行測(cè)序，并通過(guò)分類學(xué)分類，系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化研究對(duì)微生物群落進(jìn)行深入分析，從而徹底改變微生物組研究。全基因組分析可以揭示生物在有利和不利條件下（取決于植物的棲息地）生存狀態(tài)的所有相關(guān)信息，將微生物基因組與管家基因結(jié)合在一起可以分析對(duì)植物有益和內(nèi)生生活方式必不可少的關(guān)鍵基因。全面了解內(nèi)生菌的作用和對(duì)宿主的侵染機(jī)制可用于生物防治，PGP和植物修復(fù)方面，進(jìn)而改善農(nóng)業(yè)管理。完整基因組分析直接或間接揭示了內(nèi)生菌的定植偏好性和不同生物活性的遺傳特征，這有助于鑒定與PGP機(jī)制，抗生素產(chǎn)生，抗生素抗性，內(nèi)生分泌系統(tǒng)，插入元件，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，表面附著以及其他相關(guān)代謝機(jī)制有關(guān)的特定基因。全基因組還為深入了解內(nèi)生菌的進(jìn)化和生態(tài)學(xué)提供了方法：真菌內(nèi)生菌蠟殼耳目由于其脅迫容忍和PGP潛能而備受關(guān)注，Pirifomosporaindica（蠟殼耳目）作為共生相互作用研究的模型，全基因組測(cè)序分析顯示了其作為植物益生菌制劑的潛力；編碼水解酶，N-?；呓z氨酸內(nèi)酯合酶，超黏附因子和富鐵酸抗性蛋白等基因的存在，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)生細(xì)菌泛菌的生物技術(shù)潛力。表3展示了已進(jìn)行全基因組分析的內(nèi)生細(xì)菌和真菌，這些內(nèi)生菌可作為研究微生物-微生物和植物-微生物互作的系統(tǒng)模型。此外，單基因組測(cè)序改善了植物相關(guān)微生物的組學(xué)研究中的數(shù)據(jù)分析（微陣列，核心微生物組，NGS，比較基因組學(xué)，宏基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝組學(xué)，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和通量組學(xué)），比較基因組測(cè)序分析可深入了解內(nèi)生菌行為。

二代測(cè)序分析可用于揭示蘆薈中不可培養(yǎng)的和可培養(yǎng)的細(xì)菌內(nèi)生菌，以評(píng)估其微生物多樣性并闡明這些微生物在其宿主內(nèi)的定植模式。宏基因組學(xué)方法與Insilco分析能揭示相關(guān)內(nèi)生菌的新興的系統(tǒng)發(fā)育和功能：例如對(duì)健康和根結(jié)線蟲感染的番茄根進(jìn)行比較分析得到相關(guān)微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能屬性差異；使用群落蛋白質(zhì)組學(xué)可以鑒定定植在擬南芥葉中的內(nèi)生細(xì)菌的排他性狀。但在將NGS技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)研究之前，應(yīng)該了解它的局限性，主要是公共數(shù)據(jù)庫(kù)中存在高比例的沒有同源性的序列，從同一地點(diǎn)收集的樣品的基因組學(xué)研究將在很大程度上克服這一局限性。

微陣列技術(shù)為基于基因組的研究提供了分析內(nèi)生菌基因譜的工具，與特定基因表達(dá)，共生宿主植物交流的研究以及其他轉(zhuǎn)錄組分析有關(guān)。對(duì)內(nèi)生假單胞菌感染的擬南芥進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析顯示，ET響應(yīng)基因下調(diào)表達(dá)，而與根瘤形成和植物激素產(chǎn)生有關(guān)的基因上調(diào)。為了研究共生相互作用開發(fā)了基于雙基因組的基因芯片工具，可以同時(shí)了解內(nèi)生菌與宿主之間的相互作用以及雙方的基因表達(dá)模式。例如，使用Affymetrix基因芯片工具可以研究根瘤菌在根瘤形成期間的同步分化；用宿主植物信號(hào)分子木犀草素在富足和缺乏條件下培養(yǎng)苜蓿鏈球菌，檢測(cè)了關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白（RpoN，NodD1和NodD3）的表達(dá)情況；同樣地也有研究分析了禾谷鐮刀菌分別在體外培養(yǎng)和感染植物時(shí)的基因表達(dá)情況；使用Aiptasia模型可以研究刺胞動(dòng)物-共生藻之間的代謝相互作用。近來(lái)研究進(jìn)化相關(guān)內(nèi)生菌核心微生物組可以定義其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能，有報(bào)道使用培養(yǎng)組學(xué)和16S rRNA基因測(cè)序方法，揭示了在中國(guó)9個(gè)不同地區(qū)生長(zhǎng)的24種不同柑橘品種的內(nèi)生核心微生物組。宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)可鑒定內(nèi)生菌與宿主共代謝產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和代謝物，可得到宿主植物與微生物共代謝的最終產(chǎn)物，并作為可靠的生物標(biāo)志物。2D-凝膠電泳可以獲得不同脅迫條件下目標(biāo)蛋白的表達(dá)圖譜，可揭示內(nèi)生菌在不同脅迫條件下的作用，有研究通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)的定量質(zhì)譜分析方法從分子層面揭示了醋桿菌-甘蔗相互作用，分析的400多種蛋白質(zhì)中有78種蛋白質(zhì)差異表達(dá)。

多組學(xué)方法提高了診斷性和治療性生物標(biāo)志物的識(shí)別和確定，并提供了可供驗(yàn)證的假設(shè)。因此，為了將應(yīng)用這些方法提出的各種假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證并揭開微生物影響宿主的機(jī)制，應(yīng)設(shè)計(jì)高度簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以減少研究微生物與其宿主之間的交流的復(fù)雜性。應(yīng)用多組學(xué)方法還可以探索內(nèi)生菌在生產(chǎn)新型生物活性化合物中的作用，需要更多現(xiàn)代組學(xué)技術(shù)方法來(lái)研究?jī)?nèi)生菌生物學(xué)及其在宿主生態(tài)學(xué)中的假定作用。

表3 已進(jìn)行全基因組測(cè)序的內(nèi)生菌列表

6. 內(nèi)生菌是生物活性化合物的珍貴寶庫(kù)

代謝組學(xué)分析表明，內(nèi)生菌是生物活性化合物的寶庫(kù)。內(nèi)生菌因其具有生物活性代謝物的生產(chǎn)潛力，對(duì)植物健康和適應(yīng)性的貢獻(xiàn)，對(duì)各種脅迫的保護(hù)，植物促生以及其異源生物降解能力而聞名。從內(nèi)生菌中提取這些代謝物受到許多因素的影響，例如它們的地理位置，氣候條件以及不同的樣品采集季節(jié)。內(nèi)生菌分泌的次級(jí)代謝物通常分為不同的功能組，例如：類黃酮，生物堿，酮，類固醇，苯并吡喃酮，酚酸，皂角苷，醌，丹寧，黃原酮，四氫萘酮和萜類化合物，這些次級(jí)代謝產(chǎn)物包括一系列化合物，例如：殺蟲劑印楝素，抗生素，抗癌雙吲哚生物堿，抗微生物和抗分枝桿菌化合物以及殺蟲化合物。之前研究多集中于從內(nèi)生真菌中分離和表征生物活性化合物（表4），但各地的草藥植物相關(guān)內(nèi)生細(xì)菌，可以作為天然產(chǎn)物和治療化合物的貯藏庫(kù)，用作新型生物活性劑并減少氧化應(yīng)激。內(nèi)生菌還合成了幾種胞外水解酶，例如：酯酶，蛋白酶，纖維素酶和脂肪酶，以增強(qiáng)對(duì)不同植物入侵的抗性。內(nèi)生菌可以產(chǎn)生抗生素化合物，例如：氨芐西林，奧沙西林，沒食子酸，頭孢氨芐和兒茶素，并具有殺菌活性。內(nèi)生菌與植物之間的共進(jìn)化產(chǎn)生的聯(lián)系已極大影響了次生代謝產(chǎn)物（即植物中的生物活性化合物）的生成，此外內(nèi)生菌與其宿主植物的相互作用極大地影響了宿主植物的生理作用，這些變化包括沉默基因簇的激活，導(dǎo)致新的次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生：內(nèi)生細(xì)菌假諾卡氏菌屬通過(guò)激活細(xì)胞色素P450氧化還原酶基因和細(xì)胞色素P450單加氧酶的表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)青蒿植物產(chǎn)生青蒿素；內(nèi)生真菌紫杉菌和宿主紫衫互作產(chǎn)生紫杉醇，具有抗癌活性，對(duì)紫杉菌和紅豆杉基因組進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，它們紫杉醇生物合成所涉及的基因不具序列同源性，表明紫杉菌可能獨(dú)自進(jìn)化出了特異的紫杉醇生物合成通路；此外，在某些條件下，微生物和植物中存在的同源基因簇可能被內(nèi)生菌或宿主植物的脅迫誘導(dǎo)分子交叉激活。這方面研究已很多，但所涉及的機(jī)制尚不清楚。從內(nèi)生真菌中提取的薯蕷皂元，長(zhǎng)春堿，紫杉醇，金絲桃素，喜樹堿和鬼臼毒素等生物活性化合物，可用于制藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

表4 內(nèi)生真菌產(chǎn)生的生物活性化合物

7. 內(nèi)生菌在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用

內(nèi)生菌能進(jìn)入并定植在植物內(nèi)部組織，發(fā)揮各種益處增強(qiáng)植物生產(chǎn)力，但內(nèi)生菌如何成功賦予植物這些良好的功能性狀？研究表明，內(nèi)生菌可以幫助植物減輕非生物脅迫的不利影響，包括：通過(guò)產(chǎn)生生物活性代謝物、抗性相關(guān)基因表達(dá)以及酶代謝物的改變來(lái)應(yīng)對(duì)水澇脅迫、高鹽、高溫、重金屬脅迫以及頻繁的干旱脅迫，此外，內(nèi)生菌還可以產(chǎn)生抗真菌化合物來(lái)抑制植物病原生長(zhǎng)。許多研究報(bào)道了內(nèi)生細(xì)菌對(duì)小麥，水稻，油菜，番茄，馬鈴薯和其他農(nóng)作物的促生潛力；在蠶豆，棉花，番茄，香蕉，豆類和咖啡植物中也可以使用內(nèi)生菌控制害蟲危害；內(nèi)生菌通過(guò)幫助植物獲取氮、磷、鐵和產(chǎn)生植物激素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。真菌和細(xì)菌內(nèi)生菌已發(fā)揮出巨大潛力，可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中生態(tài)友好可持續(xù)的替代品。多項(xiàng)研究表明內(nèi)生菌可以作為生物肥料，生物增效劑，生物刺激劑，生物農(nóng)藥以及生物控制劑，在農(nóng)作物生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著非凡的作用（圖4）。從藥用植物，森林，農(nóng)業(yè)和紅樹林中分離出的內(nèi)生菌（厚壁菌門相關(guān)）的代謝產(chǎn)物，具有促生和生防特性，通常，內(nèi)生菌芽孢桿菌和放線菌會(huì)產(chǎn)生芳香族化合物，例如植物激素，多糖和脂肽，對(duì)于作物管理和PGP策略具有廣闊的前景。此外，放線菌可以產(chǎn)生具有抗腫瘤和抗微生物活性的代謝產(chǎn)物，可用于醫(yī)藥，獸醫(yī)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。然而，內(nèi)生菌在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的最佳應(yīng)用策略還需探索，最常用的方法是將內(nèi)生菌作為拌種劑添加或直接添加到土壤中，但在野外田間使用這些接種技術(shù)不易成功?？紤]到內(nèi)生菌的生物學(xué)潛力及其在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的作用，需要更多探索以實(shí)現(xiàn)其環(huán)境可持續(xù)性，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的遠(yuǎn)大目標(biāo)，并作為與人類健康和工業(yè)部門相關(guān)的多領(lǐng)域新型生物分子的重要來(lái)源。

圖4 內(nèi)生菌在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的多重應(yīng)用

植物可以作為微生物群落的“過(guò)濾器”成功招募特定的內(nèi)生菌，內(nèi)生菌是PGP的環(huán)保替代品，也是新型生物活性化合物的可持續(xù)儲(chǔ)存庫(kù)。持續(xù)增長(zhǎng)的內(nèi)生菌相關(guān)研究使其逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，大家逐漸意識(shí)到豐富的內(nèi)生菌及其基因可提供共生相關(guān)和作用機(jī)理的知識(shí)，盡管如此，關(guān)于內(nèi)生菌的生活方式和作用機(jī)制仍存在很多未知。只有大約1-2％的植物物種研究過(guò)其內(nèi)生菌的作用，大多數(shù)來(lái)自陸地植物，而水生植物（湖泊，海洋等）相關(guān)研究尚未開展。由植物-內(nèi)生菌產(chǎn)生的幾種重要的生物活性化合物可用于以下各個(gè)領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，生物降解和生物修復(fù)。基于內(nèi)生菌的納米粒子有望在將來(lái)藥物研發(fā)中發(fā)揮重要作用。為將利益最大化，需要開發(fā)基于內(nèi)生菌的生物制劑，當(dāng)直接應(yīng)用于地上部分或種子部分時(shí)，這些生物制劑將更加有效，當(dāng)微生物進(jìn)入植物組織時(shí)，它將不會(huì)面臨根際微生物的競(jìng)爭(zhēng)，而且，在植物內(nèi)部的閉路系統(tǒng)中，代謝產(chǎn)物幾乎不會(huì)外散，宿主植物獲得的收益將達(dá)到最大化，這些生物制劑對(duì)于污染土壤的修復(fù)也非常有價(jià)值，因此，內(nèi)生菌可以克服許多常規(guī)生物制劑的缺點(diǎn)。但是，為使這種生物制劑能在商業(yè)上取得成功，需要對(duì)以下方面有全面的了解：(i)建立宿主植物與內(nèi)生菌之間共生聯(lián)系的策略，(ii)傳播方式，和(iii)植物與內(nèi)生菌相互作用的分子和遺傳基礎(chǔ)?，F(xiàn)在是時(shí)候?qū)?nèi)生菌研究從生理學(xué)和生物化學(xué)提升到代謝組學(xué)和基因組水平了。迄今為止，還沒有專門針對(duì)內(nèi)生菌及其代謝產(chǎn)物的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)可能會(huì)解決許多科學(xué)問題，需要全面探索基因組學(xué)和植物-內(nèi)生菌之間的新陳代謝，以從這種驚奇的互作關(guān)系中獲益！