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根際微生物對藥用植物品質形成的影響

根際微生物對藥用植物品質形成的影響

根際微生物可以透過直接或間接的方式影響植物的生長和抗逆性。對植物生長有益的土壤微生物通常被稱為植物根際促生菌,主要包括根瘤菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、菌根真菌、木黴菌屬等。

2.1

根際微生物增強藥用植物的抗病蟲害能力

我國中藥材種類繁多、藥用部位多樣、產區跨度大、生物學特徵差異明顯,從而導致病蟲害種類多樣性高且危害嚴重[8] 。多年生中藥材(如人參、西洋參、三七等)地下病蟲害尤其普遍,常見的主要有根腐病、黑斑病、根結線蟲病、白粉病、圓斑病等[9] 。Zohair 等[10] 從3 種藥用植物根際分離出的2 株真菌Aspergillus pseudocaelatus MG772677 和蓋姆斯木黴Trichoderma gamsii KX685665 ,對4 種病原菌(包括腐皮鐮孢菌Fusarium solani 、立枯絲核菌Rhizocotina solani 、齊整小核菌Sclerotium rolfsii 和大麗輪枝菌Verticillium dahliae )的平均抑制率分別為77。90% 、77。98% 。Nakaew 等[11] 研究發現從薑黃根際土壤中分離到的鏈黴菌Streptomyces sp。 TM32 對植物病原菌具有較強的抗菌活性。Kim 等[12] 研究發現從人參根際分離出的解澱粉芽孢桿菌Bacillus amyloliquefaciens AK-0 能夠抑制由人參鏽腐病菌Cylindrocarpon destructans 引起的根腐病。Li 等[13] 研究發現灰黃青黴菌Penicillium griseofulvum CF3 能夠顯著抑制附子中土傳根病原菌尖孢鐮刀菌和齊整小核菌的生長。

2.2

根際微生物增強藥用植物的抗逆能力

低溫、高溫、乾旱、鹽鹼、水澇、重金屬等不利因子會擾亂植物的生理生化狀態,影響植物的生長髮育,嚴重的會導致植株死亡。研究表明,根際微生物透過調控植物體內與脅迫相關基因的表達,增強植物在脅迫條件下的養分吸收,提高植物的應急耐受性[14] 。Egamberdieva 等[15] 研究發現共接種中慢生根瘤菌Mesorhizobium sp。 NWXJ19 或NWXJ31 和極端東方化假單胞菌Pseudomonas extremorientalis TSAU20 顯著緩解了甘草植株的鹽脅迫,使甘草的產量和根瘤數增加。Yousefi 等[16] 研究發現接種產脂固氮螺菌Azospirillum lipoferum 或圓褐固氮菌Azotobacter chroococcum 能顯著提高車桑子種子的耐鹽度,使種子的發芽率以及根、莖的長度和生物量增加。菌根真菌提高了乾旱條件下小 茴香的滲透調節能力,使小茴香揮發油產量、葉片和果實的養分含量增加[17]。菌根真菌還能顯著提高鉛脅迫下龍葵的根際微生物多樣性和對氨基酸、糖類、脂肪酸等的代謝活性[18]。此外,研究表明重金屬如Co、Cd和Zn的存在會促進根際微生物分泌鐵載體。如Zn 2+ 脅迫下,人參根際真菌哈茨木黴Trichodermaharzianum、圓紅冬孢酵母Rhodosporidiumtoruloides 、尖孢鐮刀菌會增加鐵載體的分泌,以應對環境的威脅[19] 。

2.3

根際微生物促進藥用植物的生長和藥用部位發育

根際有益微生物可以促進植物對氮、磷、鉀以及鐵等礦質元素的吸收直接促進植物的生長。具有固氮作用的根際微生物主要包括根瘤菌屬、緩生根瘤菌屬、固氮螺菌屬、菌根真菌等,芽孢桿菌、假單胞桿菌、沙雷氏菌、青黴菌、鏈黴菌、菌根真菌等被具有解磷作用[20] 。張海珠等[21] 研究發現,菌根真菌提高了滇重樓根際土壤中氮、磷、鉀等營養元素的含量,使滇重樓藥材對Mg 、Na 、Zn 、Ni 的富 集能力增加,有利於其生長和品質形成。韓麗珍等[22]從茶樹根際分離了2 株溶磷細菌貝萊斯芽孢桿菌Bacillus velezensis 和堅強芽孢桿菌Bacillus firmus ,透過產生有機酸來溶解磷元素,顯著促進花生的生長。部分根際微生物還能產生具有促生作用的植物激素。王琦琦等[23] 、Chandra 等[24] 和費詩萱等[25] 分別從木鹼蓬、甜葉菊、紅棗根際中分離得到具有產吲哚-3- 乙酸活性的根際細菌,具有增強植株的根系 生長,提高株高以及根和莖生物量等作用。此外,根際有益微生物還可以透過誘導宿主的系統抗性達到拮抗病原菌和促進植株生長的目的。Berendsen等[26]研究發現擬南芥根際的微桿菌Microbacterium sp。 、寡養單胞菌Stenotrophomonas sp。 和黃單胞菌Xanthomonas sp。 共同參與了誘導擬南芥對霜黴病的系統抗性。

2.4

根際微生物促進藥用植物有效成分的合成

植物的次生代謝在資訊交換、環境適應和協同進化中起著重要的作用,並且能吸引傳粉者和傳種者,防禦天敵和病原體,還能參與植物之間的協同和競爭作用,有助於植物對物理化學環境改變的適應等[27] 。植物的次生代謝產物不僅是植物長期適應進化的結果,還常常作為一種藥物植的有效成分而存在。

根際微生物透過調控藥用植物中與次生代謝產物合成相關基因的表達,合成轉化植物活性成分前體的關鍵酶等機制促進藥用植物有效成分的積累[28-29]。Zeng 等[30] 研究發現板藍根際顯著富集的伯克霍爾德菌Burkholderia sp。 參與板藍功效物質靛藍的合成。Zhai 等[31] 研究發現棘孢木黴Trichoderma asperellum ACCC30536 透過上調青蒿素生物合成關鍵酶基因HMGR1 、FPS 、ADS 、CYP71AV1 、CPR 等的表達,提高了黃花蒿葉片中青蒿素濃度。接種混合的根際促生菌增加了栝樓中藥用成分多糖和天花粉蛋白的積累[32] 。短小芽孢桿菌Bacillus pumilus 透過增加關鍵酶的表達來提高甘草酸的含量[33] 。圓褐固氮菌和巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense 共接種能使唇萼薄荷中脫落酸、可溶性糖、蛋白質、酚類、黃酮類以及含氧單萜的含量提高[34] 。假單胞菌和泛菌Pantoea sp。 可能透過產生植物激素和多糖參與丹參次生代謝產物的合成,對丹參中酚類物質迷迭香酸、丹酚酸B 的積累有顯著促進[35] 。

2.5

根際微生物緩解藥用植物連作障礙

我國中藥材栽培歷史悠久,本草中記載有關藥用植物栽培的方法可追溯至2600 多年以前[36] 。目前已經實現了300 多種藥用植物的人工種植,大約有70% 的根及根莖類藥材受到連作障礙的困擾[37] 。連作障礙的形成是土壤養分缺乏和理化性質改變、根系分泌物和根殘留物引起的化感自毒作用、土壤傳染性病蟲害加劇等多種因子相互作用的結果[38] 。研究表明尖孢鐮刀菌能刺激植株內酚酸物質的積累,導致植株程式性死亡[39] 。酚酸類物質能差異性地調節根際土壤微生物群落,促進致病菌的增殖同時使有益菌衰減[40] 。酚酸與土壤致病菌的正相互作用,可能是連作障礙形成的主要機制。

目前解決連作障礙的措施主要包括選育抗連作障礙的藥用植物品種、建立合理的耕作制度、施用有機肥和微生物菌肥[41] 。在農業生產中,間套作和輪作制度是一種傳統有效的減輕或避免連作障礙的種植模式[42] 。施用新增木黴的有機肥使黃瓜連作土壤更接近初始土壤,影響了其根際微生物的組成,提高了真菌的多樣性,使植株生長狀態提升[43] 。根際微生物能夠改善土壤微環境,增加根際微生物的生物量和土壤酶活性,降低土壤中真菌/ 細菌的比例,緩解連作障礙。如施用有益微生物複合菌劑能夠緩解太子參[44] 、三七[45] 、廣藿香[46] 、滇重樓[47] 等中藥材的連作障礙。Zhao 等[48] 研究發現三七- 玉米體系中土壤微生物酶活性顯著高於三七單作體系,細菌和真菌數量增多,但真菌- 細菌的比例減小,在屬水平上鐮刀菌和不動桿菌Acinetobacter sp 。 的相對丰度顯著減少,而芽孢桿菌相對丰度顯著增加。Tian 等[49] 從人參根際分離到1 株解澱粉芽孢桿菌BacillusamyloliquefaciensTB6,接種後透過降低根際真菌的豐富度和多樣性,提高多酚氧化酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶的活性,促進人參根系的生長。

3

藥用植物調控根際微生物組成的分子機制

植物在塑造根際微生物群落方面起著至關重要的作用。植物根系分泌物、根系代謝、根系角質層成分和植物免疫系統是植物調控根際微生物的組成的主要途徑[50] ,見圖1 。

根際微生物對藥用植物品質形成的影響

3.1

藥用植物的根系分泌物調控根際微生物

植物在其生長過程中不斷的向根際分泌包括糖類、氨基酸、有機酸、脂肪酸、酚酸、甾醇、蛋白質以及生長因子在內的各種物質[53] 。根系分泌物能夠調控根際微生物與根際趨化、訊號響應、次生代謝、生物膜形成等基因的表達,促進微生物在根際的定殖和生長。研究表明,根際細菌優先利用植物分泌的芳香有機酸如菸鹼、莽草酸、水楊酸、肉桂酸和吲哚-3-乙酸[54] 。如水楊酸可以調節特定的細菌類群在根際的定殖[55] ,擬南芥中三萜生物合成基因簇的代謝產物能調節擬南芥根際中特定細菌類群的生長[56] 。根系分泌物中的訊號分子是調節根際微生物在根際定殖的關鍵因子。根瘤菌和叢枝菌根真菌是植物與根際微生物共生的2種主要形式。類黃酮是根瘤菌與豆科植物形成共生固氮的訊號分子,透過啟用根瘤菌nodD 基因的表達,誘導根瘤形成[57] 。菌根真菌可與80%以上的高等植物根系形成共生菌根,植物根系釋放的獨腳金內酯作為訊號分子,誘導菌根真菌菌絲分枝並侵染植物形成菌根[58] 。除了這2種共生形式,蘭科植物天麻在人工栽培過程中需要小菇屬萌發菌石斛小菇Mycena dendrobii Fan et Guo、紫萁小菇M。 osmundicola Lange、開唇蘭小菇M。 asmundicola Fan et Guo、蘭小菇M。 orchidicola Fan et Guo等才能完成種子的萌發[59] 。Carvalhais等[60] 研究發現植物合成獨腳金內酯的能力對根際真菌群落有明顯的影響,野生型擬南芥與獨腳金內酯合成受損的突變體相比根際真菌群落的β-多樣性存在顯 著差異,黑附球菌Epicoccum nigrum、青黴菌Penicilliumsp。、Fibulochlamys chilensis和Herpotrichiellaceae等對獨腳金內酯有趨化作用。

3.2

藥用植物分泌抗生素

植物根系釋放的化感物質是植物實現抑制作用以及防禦功能的主要基質,如小麥、玉米、番茄、豌豆和辣椒等作物的根系能產生具有抑菌活性的物質如酚類、黃酮類和其他化合物[61] 。Hu 等[62] 研究發現小麥、玉米等穀類植物能夠釋放苯並唑嗪酮類化合物以調節根際相關微生物群落,增強植物對食草動物的防禦。玉米根系分泌的苯並嗪類物質和苯並噻唑類物質,減輕了大豆疫黴根腐病害[63] 。桔梗與大蔥間作增加了桔梗根系分泌物中苯並噻唑和2- 甲硫基苯並噻唑的含量,使桔梗的連作障礙得到緩解[64] 。此外植物根莖還能夠透過產生揮發性有機化合物抑制病原菌的生長。小麥間作西瓜使小麥根部增加香豆酸的釋放,抑制了西瓜病原真菌尖孢鐮刀菌的生長[65] 。Li 等[66] 研究發現蒼朮根莖能夠釋放萜烯類、芳香烴類揮發物,改變花生- 蒼朮間作體系中花生根際真菌的群落組成,抑制土壤中致病菌鐮刀菌種群的生長。

3.3

藥用植物的自身免疫

植物自身的免疫系統也可以調節根際微生物的定殖。植物的免疫系統主要由病原相關分子模式觸發的免疫反應(PAMP-triggered immunity ,PTI )和效應因子觸發的免疫反應(effector-triggeredimmunity ,ETI )組成。PTI 能夠識別病原體的鞭毛蛋白、脂多糖、幾丁質和延伸因子Tu 等,透過活性氧爆發、絲裂原活化蛋白激酶的啟用以及水楊酸和茉莉酸訊號途徑的誘導產生防禦應答[51] 。ETI 則可以識別微生物分泌的效應蛋白,誘導過敏反應,使被侵染部位的植物細胞死亡,阻止病原體的進一步擴散。當植物受到病原體侵害時,會啟動自身免疫防禦反應,間接對根際微生物的組成產生影響[53] 。植物免疫激素會因不同病原菌而產生響應,進而相 應的調控植物防禦訊號的產生。水楊酸途徑主要介導由病原微生物引起的非特異性的系統獲得性抗性[67],而茉莉酸和乙烯則介導由特定的根定殖根際細菌引起的誘導性系統抗性[68] 。水楊酸處理可以增強水稻和二穗短柄草Brachypodium distachyon (L。) P。 Beauv 對土傳真菌紋枯病菌Rhizoctonia solani 的抗性,而水楊酸水平降低的NahG 轉基因水稻植株則更容易被紋枯病菌感染[69] 。乙烯響應因子(ethylene response factors ,ERF )基因缺失的突變體與野生型番茄相比,根系分泌物組成發生了顯著變化,ERF-E2 基因的敲除導致根系分泌物對南方根結線蟲Meloidogyne incognita 和馬鈴薯白線蟲Globodera pallida 的趨化性增強[70] 。

4

根際微生物增強藥用植物生長和適應性的分子機制

根際微生物可以透過直接或間接的方式影響植物的生長和抗逆性[71] 。一方面,根際微生物可以增強植物對養分的吸收利用,產生促進植物生長的化合物如植物激素;另一方面還可以透過直接競爭效應和產生抑菌物質幫助植物抵禦各種生物和非生物脅迫(圖1 )。

4.1

根際微生物增強藥用植物的養分有效性

根際微生物影響藥用植物營養狀況的機制主要包括向植物提供養分、增強養分的生物利用度以及增強植物對養分的獲取能力[72]。根瘤菌可以與豆科植物形成共生固氮體,在非豆科植物桔梗[73]、甘草[74]、纈草[75] 等中也發現了根瘤菌的存在。菌根真菌可與大多數陸生高等植物形成共生菌根,透過根部的菌絲網路增大與土壤的接觸面積,增強藥用植物對氮、磷的吸收[58] 。有些根際微生物如根瘤菌、假單胞菌、木黴菌分泌的鐵載體可以有效地與鐵結合釋放出鐵離子被藥用植物吸收[76] 。在牡丹根際發現的黑麴黴Aspergillus niger 具有溶解含鈣、鐵、鋅、鋁等的難溶磷酸鹽的能力[77] 。Hussein 等[19] 從人參根際分離得到具有高效產鐵載體能力的青黴菌Penicillium sp。 JJHO 。此外,根際微生物還可以透過產生植物激素(如生長素、細胞分裂素、赤黴素、脫落酸、乙烯、油菜素甾醇、獨腳金內酯等)促進根的增殖,使根的總表面積增加,有利於藥用植物對土壤中水和養分的吸收,對藥用植物的生長和活性成分的積累有促進作用。大多數根際促生菌中都發現有生長素的產生,如桔梗[73] 根際的根瘤菌,甜葉菊[24] 、人參[78] 和紅棗[25] 的根際促生菌均能產生生長素。此外赤黴菌具有產生赤黴素的能力。研究表明,伯克氏菌可參與板藍根中功效物質靛藍的合成[30] ,木黴菌透過上調黃花蒿中青蒿素生物合成關鍵酶的表達促 進了青蒿素的合成[31],菌根真菌透過上調類黃酮生物合成基因的表達增加了金線蓮中類黃酮的含量[79]。

4.2

根際微生物增強藥用植物的抗性

在乾旱、高鹽度、水澇、重金屬汙染、低溫、高溫等非生物脅迫下,根際微生物產生1- 氨基環丙烷-1- 羧酸(1-amino-cyclopropanecarboxylicacid ,ACC )脫氨酶調節乙烯合成前體ACC 的濃度,降低乙烯的產量,緩解乙烯介導的植物生長抑制對各種脅迫的響應。如芽孢桿菌透過調節ACC 的積累、ACC- 氧化酶和ACC- 合酶的活性,改善了鹽脅迫下玉米植株的生長[80] 。酶或非酶抗氧化劑活性的增強是根際微生物應對各種脅迫的主要機制之一。印度梨形孢和圓褐固氮菌共接種降低了黃花蒿植株丙二醛和H 2 O 2 的濃度,增強了抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶)和非酶抗氧化劑(總黃酮、酚類和類胡蘿蔔素)的活性,並使青蒿素、脯氨酸的含量顯著提高[81] 。共接種混合的根際促生菌提高了薑黃對1,1- 二苯基-2- 三硝基苯肼自由基和2,2′- 聯氮- 雙-(3- 乙基苯並噻唑啉-6- 磺酸) 二銨鹽自由基的清除能力以及酚類和總黃酮的含量[82] 。接種根際促生菌還對曼陀羅葉和根中的氨基酸代謝有顯著影響[83] 。Amanifar 等[84] 發現菌根真菌能增加甘草中磷鉀的濃度,促進脯氨酸的積累,調節植株中Na + /K + 的穩態以增強甘草對鹽的耐受。此外,根際微生物還能夠上調植物相關抗性基因的表達,如枯草芽孢桿菌的應用增強了擬南芥中抗乾旱和耐鹽相關基因的表達[85] 。根際微生物還能透過對重金屬進行吸附、沉澱或者產生金屬螯合物,減少植物對重金屬的吸收利用緩解重金屬脅迫[86] 。芽孢桿菌和根瘤菌共接種能降低紫花苜蓿植株中銅的積累,增加土壤脲酶、蔗糖酶和β- 葡萄糖苷酶活性[87] 。

4.3

根際微生物拮抗藥用植物病原微生物

5

結語與展望

植物與根際微生物之間存在著複雜的相互作用關係。根際具有極其豐富的微生物多樣性,這些微生物可以直接或間接的影響藥用植物的生長髮育和品質形成。根際微生物能夠影響植物的光合作用、呼吸代謝等生理過程,進而對藥用植物的生長髮育及根系功能產生影響,還可以透過改變藥用植物根系分泌物的組成,改善土壤理化性質,緩解藥用植物連作障礙;一些根際微生物被報道能夠參與藥用成分的合成。某些根際微生物自身可以產生抗菌代謝物,如2,4- 二乙醯間苯三酚、吩嗪、脂肽以及揮發性有機化合物等。因此,有效的利用根際微生物的促生機制以及對植物病蟲害的生物防治作用,對提高植物的產量和品質具有重要的意義。公認的道地性形成的理論主要包括環境生態論、品種延續與產地變遷論、品質生態學理論、逆境效應理論、本草基因組學理論。此外,何冬梅等[29] 提出了中藥微生態與中藥道地性的理論,從中藥微生態的角度闡釋了中藥道地性的形成原因。目前藥用植物根際微生物研究的重點領域是藥用植物連作障礙,已經在三七、地黃、人參、西洋參等中藥材中取得了重要突破。其次是對於中藥材道地性的研究,多集中於根際微生物對道地藥材形成的物質基礎即次生代謝產物的影響,但對於作用機制的研究還比較少。

隨著各種新興技術如現代分子生物技術、人工智慧技術、資訊科學技術以及各種觀測技術的發展和完善,未來對根際微生物與藥用植物互作機制的研究會不斷的深入。今後藥用植物根際微生物的研究重點應該包括以下幾個方面:(1 )加強對根際促生菌促生機制的研究,加快生防菌劑的開發。多年生藥用植物地下病蟲害普遍且危害嚴重,導致中藥材品質的下降和對環境的汙染,微生物菌劑具有高 效、安全、無公害等優點,能夠改善土壤環境,對於提升藥用植物的產量和質量具有關鍵作用;(2)加強對藥用植物連作障礙機制的研究。中藥材需要一定的種植年限才能達到藥用標準,長期在同一土地上連代種植導致連作障礙普遍存在。關於連作障礙形成的具體機制還不清楚。闡明藥用植物連作障礙的內在機制,為藥用植物的種植提供理論指導,對於中藥材品質提升和中藥資源可持續發展具有重要的意義;(3 )加強對根際微生態介導的中藥材道地性形成機制的研究。特定的生態地理環境造就了道地藥材優良的品質和臨床療效,研究根際微生態與道地藥材品質間的關聯,將微觀的藥用植物代謝產物變化,根際微生物組成和宏觀上土壤理化性質,植物生長特性統一結合、系統研究,有助於全面地闡釋藥用植物的生長調控機制,從而闡明道地藥材的形成機制。

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