植物重金屬抗性內生細菌作用機制探究進展

1、植物重金屬抗性內生細菌作用機制探究進展摘要：植物重金屬抗性內生菌的研究始于20世紀 末，盡管研究的歷史不長，但有關重金屬抗性內生細菌的研 究取得了很大的進展。綜述了國內外植物重金屬抗性內生細 菌的種屬、來源、直接或間接抗性機制以及分子作用機制等 研究成果與現(xiàn)狀，并展望了本領域的發(fā)展前景和研究方向。關鍵詞：內生細菌；重金屬抗性；作用機制；研究進展中圖分類號q939文獻標識碼a文章編號1007-7731(2013) 19-31-03由于環(huán)境干擾小、成本低、公眾容易接受，植物修復技 術被認為是最綠色環(huán)保的重金屬污染土壤原位修復技術。然 而在實際應用過程中該技術仍然面臨一些問題，如植物(尤 其是超積累

2、植物)生長慢、生物質產(chǎn)量低、根系不發(fā)達、污 染物產(chǎn)生植物性毒素以及易揮發(fā)污染物的蒸發(fā)蒸騰等導致 修復時間緩慢，效率低下。某些根際微生物和植物內生菌具 有促進植物生長、提高植物抗病和吸收重金屬等的能力，因 此研究人員把目光轉向了植物-微生物聯(lián)合修復技術1。根 際微生物能提高植物修復效率，也取得了一些很好的治理效 果，但根際環(huán)境復雜多變、難以控制，微生物間相互競爭抑 制限制了目標菌群修復功能的發(fā)揮。與根際微生物相比，內 生細菌與宿主植物關系更緊密，能更加有效地提高植物的修 復效率2。內生細菌的研究與應用在農業(yè)和醫(yī)藥等領域研 究得比較深入，但在環(huán)境治理方面還處于起步階段3。筆 者對近幾年來國內外植物

3、內生細菌協(xié)同植物修復重金屬污 染土壤的作用機理進行了總結。1內生細菌內生細菌定殖于宿主植物體內，一般不會侵害植物，能 與植物長期互利共存。內生細菌從植物中吸收碳水化合物， 通過促進植物生長，提高植物的環(huán)境抗壓能力作為回報。內 生細菌宿主范圍很廣泛，幾乎在所有研究過的植物中均存在 內生細菌。內生細菌分布于根、莖、葉等組織器官中，并具 有一定的組織專一性。內生細菌的種類、分布受宿主植物及 其生長環(huán)境的影響4。土壤細菌從根部入侵是內生細菌的 主要來源，內生細菌可通過種子“遺傳”攜帶，也可能是在 植物生長過程中外界細菌的入侵。內生細菌不僅能促進植物 生長、增強植物抵抗病蟲害的能力和提高宿主植物的競爭

4、力，甚至能影響植物多樣性和群落結構的形成5。更有意 義的是越來越多的研究證明許多內生細菌具有降解有機污 染物、吸附或者轉化重金屬的能力。一些內生細菌已經(jīng)被成 功地應用到植物修復重金屬污染環(huán)境過程中6。2重金屬抗性內生細菌關于重金屬抗性內生細菌的研究始于20世紀末，前期 研究主要集中在重金屬超積累植物的內生細菌上。如從貝托 庭芥 (alyssum alyssum bertolonii)、芥菜 (brassica juncea)、天藍遏藍菜(thlaspi goesingense)、龍葵(solanum nigrum)等超積累植物中都分離出了抗重金屬的內生細菌， 并進行了應用研究，取得了明顯的修復

5、效果。由于長期生活 在高濃度重金屬的植物體內，內生細菌已經(jīng)適應了這種環(huán)境 而產(chǎn)生了抗性7-10 o近年來，很多重金屬抗性內生細菌也 從非超積累植物中分離得到，如楊樹(populus cv. hazendans )、黃花柳(salix caprea )、薙白(allium macrostemon bunge)> 水稻 (oryza sativa) 等11t4。 已報道的重金屬抗性內生細菌的種屬非常廣泛，大部分為土 壤中共有的細菌種屬，如節(jié)桿菌(arthrobacter)、芽胞桿 菌(bacillus)、梭狀芽胞桿菌(clostridium) 腸桿菌(enterobacter)、細桿菌(mi

6、crobacterium)、假單胞菌 (pseudomonas)黃單胞菌(xanthomonadaceae)> 葡萄球 菌 (staphylococcus )、 嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(stenotrophomonas)等15。研究證明相同種屬或者相同 植物不同組織器官分離出的內生細菌對重金屬的敏感性不 同，說明由于不同組織器官重金屬濃度不同，適應期不同而 導致內生細菌產(chǎn)生了不同的重金屬耐受性16 o也有研究發(fā) 現(xiàn)從不同環(huán)境(污染和非污染土壤)的不同植物中分離出的 相同種屬的內生細菌具有相同的重金屬抗性17 o3重金屬抗性內生細菌作用機制3. 1間接機制植物激素是植物生長發(fā)育過程必需的小 信號

7、分子，很多內生細菌能產(chǎn)生植物生長素(iaa)、細胞分 裂素和赤霉素，這些物質不僅能刺激植物生長還能修飾環(huán)境 脅迫下植物的生長形態(tài)。乙烯能調節(jié)植物生長和細胞代謝， 是一種重要物質，但是由于脅迫而過量產(chǎn)生的乙烯能影響植 物的正常代謝過程。一些內生細菌通過產(chǎn)生氨基環(huán)丙烷竣酸 脫氨酶(accd)來調節(jié)植物的乙烯水平，間接促進植物生長18 。除了調節(jié)植物激素水平外，一些內生細菌還能通過固 氮促進植物生長。一個典型的例子就是甘蔗內生細菌的固氮 模式，它能為宿主提供大量的氮促進植物生長。很多其他植 物如水稻、玉米、小麥、白楊樹等都有固氮內生細菌的定殖19 。磷素是植物生長的一類必需大量元素，可溶性的磷往 往

8、是生物質生產(chǎn)的限制營養(yǎng)元素。某些內生細菌能溶解無機 磷酸鹽，通過改善礦質營養(yǎng)促進植物生長，提高修復能力20 o某些內生細菌能提高植物的抗氧化酶活性，間接提高 植物的抗重金屬能力21 o此外，某些內生細菌還能通過競 爭生態(tài)位和營養(yǎng)、產(chǎn)生抗生素或者毒素等代謝產(chǎn)物抑制其他 病原微生物的入侵以提高植物的抗病能力，有的甚至能誘導 植物啟動特殊的防御系統(tǒng)14 o3.2直接機制 金屬載體蛋白是一種小分子螯合劑(分子量約為4001 oooda),能與金屬離子形成高配位的復合 體，它能從無機礦物和有機化合物中溶解金屬離子。如載鐵 蛋白能在鐵離子有限的情況下提高其吸收效率。除了鐵離 子，載鐵蛋白也能與其他重金屬如

9、cd、cu、zn和pb等形成 穩(wěn)定的復合物。關于從各種植物中分離出的能產(chǎn)生載鐵蛋白 的內生細菌有很多報道，它們不僅能促進植物在低營養(yǎng)環(huán)境 下生長，也能吸附重金屬離子，降低毒害。根據(jù)與fe3+配位 基團的化學性質將載鐵蛋白主要分為3類，包括鄰苯二甲酸 類（如腸桿菌素）、異軽厲酸類（如去鐵胺）和a-輕基竣酸 酯類（如產(chǎn)氣菌素）2。很多研究證明通過接種能產(chǎn)生載 鐵體的內生細菌能促進植物對重金屬的吸收。但是內生細菌 在植物體內是如何介導植物吸收重金屬的機制尚未弄清楚。 但是也有研究認為載鐵蛋白內生細菌不是總是促進植物對 重金屬的吸收，有時反而降低這種能力14。這些相互矛盾 的結論也許與植物類型、植物對

10、重金屬的從根到莖的運輸能 力等因素有關。總的來說，內生細菌產(chǎn)生載鐵蛋白受金屬離 子、ph、營養(yǎng)環(huán)境以及重金屬類型和濃度等多種因素的調節(jié) 22 o因為載鐵蛋白內生細菌受環(huán)境因素的影響比較大，因 此研究復合重金屬污染土壤中這類內生細菌是如何產(chǎn)生載 鐵蛋白并且活化重金屬以及如何介導植物吸收重金屬具有 非常重要的意義。 此外，一些內生細菌通過分泌低 分子有機酸（分子量小于300da）、多糖和蛋白質來活化重金 屬。這些有機酸通過螯合反應結合重金屬離子。重金屬-有 機酸螯合物的穩(wěn)定性與有機酸性質（竣基數(shù)量和位置）、重 金屬的鍵合形式（價態(tài)）以及環(huán)境ph等因素有關。葡萄糖 酸、草酸以及檸檬酸等被認為是最常見

11、的能改變重金屬有效 性的低分子有機酸。某些低分子有機酸能通過氧化還原反應 改變重金屬的活性并促進在植物體內的遷移14。一些內生細菌能在植物體內通過自身的吸附富集重金 屬，從而提高植物對重金屬的積累能力13。但也有研究證 明抗性內生細菌可導致植物吸收重金屬的能力下降。內生細 菌是促進還是降低植物對重金屬的吸收也許主要依賴于土 壤里重金屬的濃度17 o3.3分子作用機制 內生細菌與宿主植物相互作用的分 子機制的研究報道大多數(shù)是與固氮內生菌有關，并且獲得了 10多種固氮菌的基因組全序列。而抗重金屬內生細菌與宿主 植物的分子作用機制則鮮有報道olodewyckx等將ralstonia metallid

12、urans 31a的nccnre抗鐮系統(tǒng)轉接入羽扇豆內生 細菌洋蔥伯克霍爾德菌burkbolderia cepacia l. s. 2. 4和 固氮草螺菌 herbaspirilium seropdicae lmg228423上, 后接種到宿主植物上，在鐮的培養(yǎng)基質上生長，在根組織中 的鎳含量均可以提高30%o bahig發(fā)現(xiàn)植物內生腸桿菌 enterobacter sp. bn4的質粒能調控吸附和積累cd2+和 zn2+,而pb2+的吸附累積則由染色體基因調控24。隨著分 子技術的發(fā)展，運用比較基因組學分析內生細菌變異株是研 究內生細菌與宿主植物相互作用關系的有效途徑。4結論和展望植物-內生

13、細菌聯(lián)合修復重金屬污染具有非常獨特的方 式，由于內生細菌獨特的生存環(huán)境，修復過程對土著微生物 的影響非常小，對環(huán)境無污染，顯示出了很好的發(fā)展應用潛 力。盡管植物-內生細菌聯(lián)合修復技術在實驗室已經(jīng)取得了 很大的研究進展，但結果主要來源于可培養(yǎng)內生細菌的離體 培養(yǎng)，不能完全說明真正環(huán)境因素影響下的修復效果，目前 有關于抗重金屬免培養(yǎng)內生細菌的研究報道很少，但作為占 環(huán)境絕大比例的免培養(yǎng)細菌的抗性基因及其功能應該得到 充分研究和應用。開展復合重金屬污染土壤植物內生細菌多 樣性研究與挖掘內生細菌資源；內生細菌參與植物修復過程 的分子機理；外源抗性或促生內生細菌的定殖技術及其與新 宿主間的相互作用機制；

14、免培養(yǎng)內生細菌基因挖掘以及基因 工程內生細菌的應用研究；菌株、植物、土壤間的生態(tài)互作 效應等問題將是未來的主要研究方向。參考文獻1 glick b r. phytoremediation： synergistic use of plants and bacteria to clean up the environmentj. biotechnol adv, 2003, 21 (5)： 383-393.2 rajkumar m, ae n, prasad mnv. et al. potential of siderophore-producing bacteria for improving h

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