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编译：一，编辑：小白、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 几乎所有植物体内都存在内生菌，但关于它们在植物体内定植和增殖，以及在植物促生、生物降解和缓解胁迫方面发挥多重益生作用的研究还未全面开展。大多数研究假设宿主-内生菌之间的关系类似于植物促生菌与植物的关系，然而，关于内生菌感染、定植以及授予宿主关键特性的研究仍十分有限。在非生物和生物胁迫下，探索这些内生菌在宿主基因表达，代谢和表型性状调控中的作用十分有趣。该综述主要关注了以下几点：(i)内生菌的生活方式以及进入植物组织的机制，(ii)在生物和非生物胁迫下，内生菌如何调控植物免疫系统并影响宿主植物的基因和表型表达，(iii)组学和其他各种基因组手段在揭示复杂的宿主-内生菌信号串扰中发挥的作用。此外，还讨论了内生菌在重金属污染植物修复中的作用，以及基于内生菌对抗胁迫的各种代谢途径的理解进行的全基因组分析。 论文ID 内容 到2050年，全球人口预计将达到97亿，为了养活迅速增长的全球人口，农业生产需要在全球范围内提高产量以承受持续不断的人口压力。但由于各种非生物和生物胁迫，农作物生产正面临着严重威胁。内生菌是可以促进植物生长（PGP）以及作为新型生物活性化合物的可持续库存的生态友好型替代品。内生菌被定义为任何可以在植物组织内生长和繁殖的微生物，它们通常由植物招募，来源于种子或根际微生物群落，并与宿主植物建立联系，构成植物微生物组的重要组成部分。据报道，植物与内生菌已共同进化了6000多万年，并在维护陆地生态系统中发挥重要作用，这种互作关系为双方都带来了益处。长久以来，与内生菌群落及其在植物生命中的作用常被忽视，但当前植物微生物组研究已完全改变了这一现状，且这些研究表明这些微生物群落更为灵活，并包含编码有益于宿主植物新性状的遗传信息。内生菌通过对宿主植物进行预警，或使其免受各种胁迫条件的影响，对宿主植物的健康和适应性起着重要作用。几乎所有的生态系统中都存在内生菌，它们通过引发免疫反应，产生抗氧化剂和抑制病原体生长来减少植物中的非生物和生物胁迫。由于内生菌对宿主的宝贵贡献，人们一直在探索这种共进化机制，以期能够找到涉及共生的关键因素，并追踪这种进化关系的偿还机制。最近许多代谢组学研究证实，与特定代谢物相关的内生菌基因通过产生吲哚乙酸、生长素和赤霉素之类的植物激素与PGP产生关联，这些植物激素可作为害虫和微生物病原的保护剂。内生菌多样性、胁迫缓解作用及其代谢产物的产生，使其成为新型代谢产物的无限来源，其应用可以减少农药和药物在食品生产中的使用。因此，需要更多研究来解决群落组装进程及其在植物内部和植物上发挥的作用，其中，破解定居在根，茎，叶柄和叶的各种微生物群之间和内部的相互作用，是探索内生菌微生物组调控的先决条件。宿主免疫系统，宿主基因型，环境参数，微生物与微生物的相互作用，土壤和养分类型等驱动因素控制和决定着内生菌群落的组成，其中，pH、营养驱动因素、温度和氧气的可用性是微生物群落组成的主要驱动因素。但是，关于胁迫环境下内生菌的多样性，组成以及与植物的相互作用的信息很少，而随着二代测序（NGS）的发展，基因组测序，宏基因组学，宏转录组学，代谢组学，微阵列和比较基因组学方法可能会为内生菌的生活史提供更全面的理解。最近，宏基因组学和NGS方法的发展使我们能够对内生菌微生物组的多样性和群落结构进行广泛筛查，对根相关内生细菌群落的研究中最好的植物种类有：芦荟、柑橘、小麦和拟南芥。此外，一些研究人员设计并使用了新的基于双重基因组共生芯片的工具，研究了内生菌与其宿主植物之间的共生作用。植物和内生菌互作产生许多生物活性化合物，包括紫杉醇、苦艾素、烟曲霉酸、喜树碱、石杉碱、印楝素和许多可用于医药、农业、生物降解、和生物修复等领域的化合物。 在这篇综述中，重点阐述了内生菌的生活方式及其进入植物的机制，它们如何调节植物的免疫系统，以及在非生物和生物胁迫下影响宿主植物的基因型和表型表达。此外还讨论了基因组学和其他各种组学方法在揭示复杂的宿主-内生菌信号串扰中的作用。 2. 内生菌：一种生活在宿主植物体内的生活方式 内生菌可以通过从土壤到植物的水平方法或通过种传微生物的垂直方法进入宿主植物组织并定植，且内生菌的定植是一个被动过程。有研究证实优势根际细菌蕈状芽孢杆菌在缺乏竞争性细菌的无菌条件下无法在小麦根内定植，预示着定植是有一定条件的。内生菌的成功定植与友好型植物微生物互作关系息息相关：当内生菌进入宿主植物时，宿主植物便会识别它，并引发信号分子的串扰。植物分泌的根系分泌物（类黄酮等），可作为许多PGP微生物（包括内生菌）的化学吸引剂；脂低聚寡糖（LCO），称为Nod因子，能活化丛枝菌根（AM）或丛枝菌根真菌（AMF）以及根瘤菌-豆科植物共生体系的共生途径（CSP）；黄酮作为生物原料可以使根瘤菌成功定植在豆科植物根内；独脚金内酯（SL）处理可刺激短链甲壳质低聚物的合成和释放，从而刺激植物共生信号通路，并且有报道称拟南芥的根分泌独脚金内酯作为毛霉菌内生定植的信号分子；阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs）是植物细胞壁蛋白中富含羟脯氨酸的糖蛋白（HRGP）超家族的高度糖基化成员，可在多个级别建立植物与微生物的相互作用，这些蛋白质在根部定植中起特定作用，通常充当微生物的引诱剂或驱避剂以及引导感染的发生。此外，由植物根系分泌的酚类化合物，有机酸，氨基酸，糖和一些次生代谢产物，可以选择性地吸引内生菌。最新关于植物miRNA和基因表达研究表明，通路和基因的响应一定程度上取决于内生菌，大量研究证明，在根瘤菌或AMF之类的有益内生菌在定植植物过程中，植物的防御通路会下调，但茉莉酸（JA）/乙烯（ET）/水杨酸（SA）的信号传导途径与微生物无关。细菌内生菌固氮螺菌Azospirillum sp.B510可以诱导水稻的系统抗病性，此外，基因表达分析表明，ET对内生菌介导的水稻的系统性抗性（ISR）至关重要。GA信号通路会抑制共生作用，而在AMF定植过程中，miRNA（-E4D3Z3Y01BW0TQ-）上调并破坏了GA信号通路。此外，内生菌还利用其自身的防御机制来保护自己免受植物防御机制的侵害：植物的模式识别受体（PRR）无法识别内生菌的微生物相关的分子模式（MAMP）。与其他病原互作相比，植物针对内生菌仅激活相对微弱的暂时性防御；真菌内生菌会产生一种几丁质脱乙酰酶，然后将植物受体无法感知的壳聚糖低聚物脱乙酰；内生菌还会通过产生某种类型的代谢物（具有抗氧化活性）来躲避植物产生的活性氧（ROS）或氧化爆发作用，如过氧化氢酶（CatA），超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽 -S-转移酶（GSTs）过氧化物酶（POD）和烷基氢过氧化物还原酶（AhpCs）。 3. 内生菌调节植物宿主对抗不同胁迫的基因型和表型表达 3.1 增强生物胁迫抗性 内生菌生活在宿主组织内且不致病，并有引起不同植物响应而抵御多种病原的潜力。当植物受到不同的环境胁迫时，内生菌会启动信号防御机制，从而表达胁迫响应基因，增强胼胝质沉积和入侵前防御。内生菌可以通过下调脱落酸（ABA）显著缓解胁迫，但ABA也会通过发出引起系统获得性抗性（SAR）的信号而产生负面影响；在植物激素GA的合成中，内生菌阻碍了DELLA蛋白对植物生长促进信号的抑制作用（图1）。另外，许多叶内生菌可调节宿主基因表达，从而影响宿主防御途径和宿主植物的生理反应：水杨酸和JA是两种不同的植物激素，它们通过激活植物防御系统对病原攻击起着重要作用（图1）。最近许多代谢组学研究证实，与特定代谢物相关的内生菌基因通过产生生长素、赤霉素之类的植物激素，或产生其他调控氮磷钾有效性的化合物，与PGP产生关联。例如，产生赤霉素的内生菌可通过JA和SA途径增加宿主对入侵者的抵抗力；丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）级联是各种细胞过程（如分化，生长，增殖，胁迫响应和死亡）的高度保守的调节剂，这些蛋白质级联在各种非生物和生物胁迫响应中起重要作用；细菌内生菌可合成多种新兴的有机化合物和抗真菌代谢物，对线虫和植物病原微生物具有广泛杀灭活性。内生菌保护宿主植物免受病原微生物损害的能力，鼓舞了揭示其主要机制的进程。有研究人员回顾并提出了植物内生菌与病原体之间三种特殊类型的保护性通讯：(i)直接抑制，主要是局限性的防御微生物作用（产生次级代谢产物，如抗真菌，抗菌和杀线虫化合物），(ii)间接抑制，引发固有的植物防御（ISR和SAR）途径，(iii) 占领生态位，内生菌比病原体能更迅速地在宿主植物中定植，导致营养资源耗尽，抑制病原体定植。最近一项研究表明，通过利用有益的内生细菌解淀粉芽孢杆菌YN201732参与烟草的系统性耐药机制，可以有效控制烟草中的烟草白粉病；一种真菌内生菌，Hypoxylonrubiginosum通过产生抗真菌代谢物phomopsidin，有望对灰分病（Hymenoscyphusfraxineus）进行生物防治；从小麦内生的枯草芽孢杆菌EDR4菌株中分离出一种抗真菌蛋白，该蛋白可抑制尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum.sp.），F. vasinfectum, F. graminearum,G. graminis var. tritici, B. cinerea, R. cerealis, 和Macrophomakuwatsukai.菌的生长。 内生细菌莫海威芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌定植水稻（Oryza sativa）后对真菌病原Fusarium proliferum, 轮枝镰孢, F. fujikuroi, Magnaporthe salvinii, 和M. grisea表现出抗菌活性；有研究报道了黑胡椒根的内生细菌恶臭假单胞菌BP25通过产生一系列VOCs，抑制多种植物病原的生长，如：Pythium myriotylum, Phytophthora capsici, Athelia rolfsii, Rhizoctoniasolani, Gibberella moniliformis, Colletotrichum gloeosporioides和寄生线虫（如Radopholus similis）；使用两个内生细菌菌株枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌在玉米种子中定植，可以产生抗真菌脂肽抑制单核镰刀菌的生长；从野生开心果中分离出的内生细菌芽孢杆菌，泛菌，假单胞菌，嗜单胞菌和粘质沙雷氏菌显示出对致病性细菌菌株假单胞菌假单胞菌和丁香假单胞菌具有积极的生物防治作用；枯草芽孢杆菌（Bera 71）通过产生抗真菌脂肽iturin抑制菜豆中引起goid病的Macrophominaphaseolina的生长；与zipziphoracapitata和贯叶连翘有关的内生细菌属于无色杆菌，节杆菌，芽孢杆菌，肠杆菌，欧文氏菌，泛菌，假单胞菌，沙雷氏菌和嗜单胞菌，其中，穿孔杆菌（H.perforatum）与头孢菌（Z. capitata）相比更具抗菌活性，并可以支持更多抗菌活性细菌群落的定植；在终极腐霉菌胁迫下，甜罗勒毛状根培养物产生的分泌物吸引了一些列微生物群落定植在土壤根际，其中迷迭香酸在这一过程中针对多种微生物群落具有动态抗菌活性（表1）。由于种子制剂的问题，大多数用于促生和生物防治活性的内生制剂产品都是基于芽孢杆菌和木霉属菌株，尽管基于假单胞菌的产品近年来也已商业化。 图1 内生菌对非生物和生物胁迫的响应 表1 内生菌在缓解生物胁迫中的作用 3.2 增强非生物胁迫抗性 内生菌群落模式是指内生菌群落的基本原理概念，以及驱动群落结构形成的力量，最初的内生菌微生物组结构及其组成类似于各自的种子库，包括空气和土壤，但随着植物的生长和发育变得更具植物特异性。许多非生物胁迫，例如干旱、盐度、极端温度、碱度、氧化胁迫和重金属毒性，都对农业生态系统构成威胁，内生菌会采用各种分子机制来减轻上述胁迫的影响。其中，各种膜受体（例如G蛋白偶联受体（GPCR），受体样激酶（RLK），离子通道和组氨酸激酶）可以感知到环境胁迫信号，这会改变细胞质中Ca2 +水平，并产生次级信使，例如ROS，ABA，肌醇磷酸酯（IPs）等，这些次级信号分子通过各种激酶（例如蛋白磷酸酶，蛋白激酶CIPK和CDPK）启动蛋白级联的磷酸化，通过磷酸化和去磷酸化的事件进一步激活不同的转录因子，如bZIP，DREB / CBF，MYC / MYB，AREB / ABF，WRKY等。这些转录因子导致各种胁迫响应基因的激活，包括编码热休克蛋白（HSP），脂质转移蛋白（LTP），晚期胚胎发生丰富（LEA）蛋白，抗氧化剂，离子转运蛋白和渗透压蛋白的基因表达等，最终产生抵抗胁迫的能力并修复受到的损伤。因此，植物的抗逆性主要依靠由自由基（如ROS）的产生，以及通过胁迫响应基因表达产生抗胁迫的代谢产物。细菌内生菌对植物的生长潜在作用可通过几种机制来解释：其一，多种内生菌可以增加养分的可给性，例如氮磷或金属元素，或产生可调节植物生长发育和防御反应的代谢物，例如生长素，GA，ABA，细胞分裂素，ET，SA，SL，油菜素甾体和茉莉酸酯等著名的植物激素。其二，许多内生菌会产生防御分子，例如脯氨酸，类胡萝卜素和褪黑激素，它们对非生物胁迫具有防御作用，该作用不仅仅是局部的，内生菌也可以产生挥发性有机碳（VOC），这与宿主植物的初始识别/相互作用有关，也可以是主要信号分子的前体。其中，葡萄树中褪黑素的积累是一个非常有趣的例子，接种解淀粉芽孢杆菌可以中和干旱，寒冷和盐分胁迫的不利影响，该细菌菌株还减少了5-羟色胺N-乙酰基转移酶和色氨酸脱羧酶转录上调；另一个例子包括宿主植物中类胡萝卜素的产生，可作为植物激素，ABA或解毒酶（如ACC脱氨酶）的前体，这些酶控制ET的产生并随后调节胁迫引起的损伤。当然，褪黑激素是一种强抗氧化剂，可增加CuZn SOD，抗坏血酸过氧化物酶，Fe-SOD和类囊体结合的过氧化氢酶活性，因此褪黑素因其较好的效果已经可以进行外源性应用，但产生褪黑素的内生菌进入植物组织，可能会对植物中的内源性褪黑素水平产生长期影响。其三，有报道称ABA介导的气孔运动之间存在串扰。ABA和ABA介导的信号传导通路的生物合成通常是由植物根内相关微生物的存在才激活的，这些微生物介导的通路在盐胁迫条件下有助于植物健康；当水稻接种内生真菌哈茨木霉菌后，水通道蛋白和脱水蛋白等基因的上调缓解了植物的非生物胁迫；枯草芽孢杆菌（BERA 71）可通过调节植物防御机制来提高鹰嘴豆的耐盐性，而AM的定植可提高其抗旱性。 一些植物可以在重金属和农药污染土壤中生长，这些植物表现出几种生理/遗传策略来应对各种土壤污染物，它们可以招募有益细菌内生菌协助植物修复。一些细菌内生菌已进化出具有抵抗或耐受高浓度污染物的能力，同时表现出PGP特性：内生菌通过细胞外沉淀，生物转化，细胞内积累以及将有毒金属离子隔离成无毒或毒性较小的形式来减轻植物毒性（图2）。重金属抗性内生真菌属于不同的分类，包括链格孢属，毛霉菌，曲霉菌，生瘤菌，微孢子菌，剑孢菌和白孢菌；细菌包括芽孢杆菌，假单胞菌，关节杆菌，杆状芽孢杆菌，弯曲杆菌，肠杆菌，梭状芽孢杆菌，Leifsonia，葡萄球菌，Xanthomonadaceae，嗜麦芽单胞菌，Sanguibacte和微细菌。最近有研究从Zn / Cd超富集植物伴矿景天（Sedum plumbizincicola）中分离出许多内生细菌，选择了五株表现PGP特性的菌株进行进一步研究，这些菌株对重金属如Pb，Zn和Cd具有高耐受性，它们的PGP特性包括IAA的产生，磷酸盐和磷的增溶，铁载体的产生以及ACC脱氨酶活性。此后在盆栽试验中测试了接种这些细菌后伴矿景天的生长情况及其在重金属污染土壤中对Pb，Zn和Cd的吸收效果，发现与未接种菌株的植物相比，接种短小芽孢杆菌E2S2菌株大大增加了植物对Cd的吸收，并进一步增加了植物的芽和根长度，以及干重和鲜重生物量，因此，从伴矿景天中分离的内生细菌菌株增强了其植物提取能力，并且同时促进了植物生长。在铜胁迫下，苜蓿中华根瘤菌菌株CCNWSX0020增强了紫花苜蓿氮含量和生长指标，促进了植物根和芽中铜的积累，内生菌具有合成不同的“保护性”化合物（如抗氧化剂，碳水化合物和脯氨酸）以应对非生物胁迫的潜力，因此，苜蓿中华根瘤菌不仅促进了植物的金属吸收和生长，而且在铜胁迫期间诱导了植物的抗氧化防御反应。此外表2中列出了其他内生菌在植物非生物胁迫中的一些例子。最后，在此领域中有一些研究空白需要重点关注：(i)关于内生真菌进行植物修复的信息较少，之前所有研究都集中在内生细菌协助植物修复上。(ii)尽管这些内生菌及其相关的宿主植物可以降解各种污染物，但大多数化合物通常降解缓慢或根本不降解。为了更好的利用内生菌，应改造并使用更多具有生物降解潜力的工程化内生菌。 图2 内生菌调节植物修复 表2 内生菌在缓解非生物胁迫中的作用 4. 内生菌对植物免疫系统的调节 目前，找到并追踪宿主植物内生菌的繁殖机制至关重要。植物与微生物互作通常会对植物健康和适应性产生有害或有益的影响，与内生菌共生赋予了宿主植物额外的防御机制；内生菌可以调节与防御有关的植物激素通路，进而定植在宿主植物中，并建立共生关系。植物与微生物之间的联系会对宿主的免疫系统产生重大影响：多种菌根真菌和根瘤菌会引起植物的全身防御，分别称为MIR（菌根诱导的抗病性）和ISR（系统诱导抗病性）。“诱导的系统抗性”是由生物或化学诱导物触发的植物抗性状态，可保护未受感染的部分组织免受病原微生物的侵害。内生菌进入宿主后，必须越过植物免疫系统高度复杂的第一道防线，该过程涉及保守分子的识别，叫作病原体或微生物相关分子模式（PAMP或MAMP）。肽聚糖，延伸因子TU（EFTu; elf18/26），脂多糖，鞭毛蛋白（Flg; flg22），细菌SOD，β聚糖细菌冷休克蛋白（RNP1motif），卵菌中的β-葡聚糖和几丁质对MAMP的作用最大，这些MAMP被植物细胞表面的特异性受体分子PRR识别。与细菌内生菌相似，真菌内生菌也有特定受体，几丁质受体（PR-3）可以识别真菌细胞壁上形成的几丁质寡聚体。 内生菌也可以保护自己免受植物防御机制的损害。例如，真菌内生菌要么通过几丁质脱乙酰基酶将其脱乙酰化为壳聚糖，要么将其覆盖到其他分子中，从而掩盖了几丁质阻止自身被识别；内生细菌会产生其MAMP模式，使得宿主植物细胞表面上的PRR不能识别内生细菌，或者与病原体相互作用相比，植物的防御反应较弱；当葡萄与两种不同类型的内生菌伯克霍尔德氏菌（Burkholderia phytofirmans）和细菌性病原体铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris））接触时，对鞭毛蛋白（FLS 2）表现出不同的感知能力。在植物防御系统产生ROS的情况下，内生菌可以产生不同的抗氧化酶来实现自我防御（图3）。 图3 内生菌在调节植物免疫反应和防止氧化爆发中的作用机理 5. 使用多组学方法更好理解植物内生菌互作 全面了解植物与内生菌互作对于实现微生物群落的价值很重要，这些微生物群落是工业用酶，新型代谢产物和宿主植物缓解胁迫的来源。现代高通量基因组学研究揭示了内生菌的灰色领域，能够对大量微生物进行测序，并通过分类学分类，系统发育和进化研究对微生物群落进行深入分析，从而彻底改变微生物组研究。全基因组分析可以揭示生物在有利和不利条件下（取决于植物的栖息地）生存状态的所有相关信息，将微生物基因组与管家基因结合在一起可以分析对植物有益和内生生活方式必不可少的关键基因。全面了解内生菌的作用和对宿主的侵染机制可用于生物防治，PGP和植物修复方面，进而改善农业管理。完整基因组分析直接或间接揭示了内生菌的定植偏好性和不同生物活性的遗传特征，这有助于鉴定与PGP机制，抗生素产生，抗生素抗性，内生分泌系统，插入元件，转运系统，表面附着以及其他相关代谢机制有关的特定基因。全基因组还为深入了解内生菌的进化和生态学提供了方法：真菌内生菌蜡壳耳目由于其胁迫容忍和PGP潜能而备受关注，Pirifomosporaindica（蜡壳耳目）作为共生相互作用研究的模型，全基因组测序分析显示了其作为植物益生菌制剂的潜力；编码水解酶，N-酰基高丝氨酸内酯合酶，超黏附因子和富铁酸抗性蛋白等基因的存在，强调了内生细菌泛菌的生物技术潜力。表3展示了已进行全基因组分析的内生细菌和真菌，这些内生菌可作为研究微生物-微生物和植物-微生物互作的系统模型。此外，单基因组测序改善了植物相关微生物的组学研究中的数据分析（微阵列，核心微生物组，NGS，比较基因组学，宏基因组学，蛋白质组学，代谢组学，宏转录组学和通量组学），比较基因组测序分析可深入了解内生菌行为。 二代测序分析可用于揭示芦荟中不可培养的和可培养的细菌内生菌，以评估其微生物多样性并阐明这些微生物在其宿主内的定植模式。宏基因组学方法与Insilco分析能揭示相关内生菌的新兴的系统发育和功能：例如对健康和根结线虫感染的番茄根进行比较分析得到相关微生物的群落结构和功能属性差异；使用群落蛋白质组学可以鉴定定植在拟南芥叶中的内生细菌的排他性状。但在将NGS技术用于实验研究之前，应该了解它的局限性，主要是公共数据库中存在高比例的没有同源性的序列，从同一地点收集的样品的基因组学研究将在很大程度上克服这一局限性。 微阵列技术为基于基因组的研究提供了分析内生菌基因谱的工具，与特定基因表达，共生宿主植物交流的研究以及其他转录组分析有关。对内生假单胞菌感染的拟南芥进行转录组分析显示，ET响应基因下调表达，而与根瘤形成和植物激素产生有关的基因上调。为了研究共生相互作用开发了基于双基因组的基因芯片工具，可以同时了解内生菌与宿主之间的相互作用以及双方的基因表达模式。例如，使用Affymetrix基因芯片工具可以研究根瘤菌在根瘤形成期间的同步分化；用宿主植物信号分子木犀草素在富足和缺乏条件下培养苜蓿链球菌，检测了关键调节蛋白（RpoN，NodD1和NodD3）的表达情况；同样地也有研究分析了禾谷镰刀菌分别在体外培养和感染植物时的基因表达情况；使用Aiptasia模型可以研究刺胞动物-共生藻之间的代谢相互作用。近来研究进化相关内生菌核心微生物组可以定义其在生态系统中的功能，有报道使用培养组学和16S rRNA基因测序方法，揭示了在中国9个不同地区生长的24种不同柑橘品种的内生核心微生物组。宏蛋白质组学和代谢组学可鉴定内生菌与宿主共代谢产生的蛋白质和代谢物，可得到宿主植物与微生物共代谢的最终产物，并作为可靠的生物标志物。2D-凝胶电泳可以获得不同胁迫条件下目标蛋白的表达图谱，可揭示内生菌在不同胁迫条件下的作用，有研究通过蛋白质组学的定量质谱分析方法从分子层面揭示了醋杆菌-甘蔗相互作用，分析的400多种蛋白质中有78种蛋白质差异表达。 多组学方法提高了诊断性和治疗性生物标志物的识别和确定，并提供了可供验证的假设。因此，为了将应用这些方法提出的各种假设进行验证并揭开微生物影响宿主的机制，应设计高度简便的实验系统，以减少研究微生物与其宿主之间的交流的复杂性。应用多组学方法还可以探索内生菌在生产新型生物活性化合物中的作用，需要更多现代组学技术方法来研究内生菌生物学及其在宿主生态学中的假定作用。 表3 已进行全基因组测序的内生菌列表 6. 内生菌是生物活性化合物的珍贵宝库 代谢组学分析表明，内生菌是生物活性化合物的宝库。内生菌因其具有生物活性代谢物的生产潜力，对植物健康和适应性的贡献，对各种胁迫的保护，植物促生以及其异源生物降解能力而闻名。从内生菌中提取这些代谢物受到许多因素的影响，例如它们的地理位置，气候条件以及不同的样品采集季节。内生菌分泌的次级代谢物通常分为不同的功能组，例如：类黄酮，生物碱，酮，类固醇，苯并吡喃酮，酚酸，皂角苷，醌，丹宁，黄原酮，四氢萘酮和萜类化合物，这些次级代谢产物包括一系列化合物，例如：杀虫剂印楝素，抗生素，抗癌双吲哚生物碱，抗微生物和抗分枝杆菌化合物以及杀虫化合物。之前研究多集中于从内生真菌中分离和表征生物活性化合物（表4），但各地的草药植物相关内生细菌，可以作为天然产物和治疗化合物的贮藏库，用作新型生物活性剂并减少氧化应激。内生菌还合成了几种胞外水解酶，例如：酯酶，蛋白酶，纤维素酶和脂肪酶，以增强对不同植物入侵的抗性。内生菌可以产生抗生素化合物，例如：氨苄西林，奥沙西林，没食子酸，头孢氨苄和儿茶素，并具有杀菌活性。内生菌与植物之间的共进化产生的联系已极大影响了次生代谢产物（即植物中的生物活性化合物）的生成，此外内生菌与其宿主植物的相互作用极大地影响了宿主植物的生理作用，这些变化包括沉默基因簇的激活，导致新的次级代谢产物的产生：内生细菌假诺卡氏菌属通过激活细胞色素P450氧化还原酶基因和细胞色素P450单加氧酶的表达来诱导青蒿植物产生青蒿素；内生真菌紫杉菌和宿主紫衫互作产生紫杉醇，具有抗癌活性，对紫杉菌和红豆杉基因组进行分析发现，它们紫杉醇生物合成所涉及的基因不具序列同源性，表明紫杉菌可能独自进化出了特异的紫杉醇生物合成通路；此外，在某些条件下，微生物和植物中存在的同源基因簇可能被内生菌或宿主植物的胁迫诱导分子交叉激活。这方面研究已很多，但所涉及的机制尚不清楚。从内生真菌中提取的薯蓣皂元，长春碱，紫杉醇，金丝桃素，喜树碱和鬼臼毒素等生物活性化合物，可用于制药和农业领域。 表4 内生真菌产生的生物活性化合物 7. 内生菌在可持续农业生产中的作用 内生菌能进入并定植在植物内部组织，发挥各种益处增强植物生产力，但内生菌如何成功赋予植物这些良好的功能性状？研究表明，内生菌可以帮助植物减轻非生物胁迫的不利影响，包括：通过产生生物活性代谢物、抗性相关基因表达以及酶代谢物的改变来应对水涝胁迫、高盐、高温、重金属胁迫以及频繁的干旱胁迫，此外，内生菌还可以产生抗真菌化合物来抑制植物病原生长。许多研究报道了内生细菌对小麦，水稻，油菜，番茄，马铃薯和其他农作物的促生潜力；在蚕豆，棉花，番茄，香蕉，豆类和咖啡植物中也可以使用内生菌控制害虫危害；内生菌通过帮助植物获取氮、磷、铁和产生植物激素等营养物质来促进植物生长。真菌和细菌内生菌已发挥出巨大潜力，可作为农业生产系统中生态友好可持续的替代品。多项研究表明内生菌可以作为生物肥料，生物增效剂，生物刺激剂，生物农药以及生物控制剂，在农作物生产领域中发挥着非凡的作用（图4）。从药用植物，森林，农业和红树林中分离出的内生菌（厚壁菌门相关）的代谢产物，具有促生和生防特性，通常，内生菌芽孢杆菌和放线菌会产生芳香族化合物，例如植物激素，多糖和脂肽，对于作物管理和PGP策略具有广阔的前景。此外，放线菌可以产生具有抗肿瘤和抗微生物活性的代谢产物，可用于医药，兽医和农业领域。然而，内生菌在农业系统中的最佳应用策略还需探索，最常用的方法是将内生菌作为拌种剂添加或直接添加到土壤中，但在野外田间使用这些接种技术不易成功。考虑到内生菌的生物学潜力及其在植物生长发育中的作用，需要更多探索以实现其环境可持续性，农业生产力的远大目标，并作为与人类健康和工业部门相关的多领域新型生物分子的重要来源。 图4 内生菌在可持续农业生产中的多重应用 讨论 植物可以作为微生物群落的“过滤器”成功招募特定的内生菌，内生菌是PGP的环保替代品，也是新型生物活性化合物的可持续储存库。持续增长的内生菌相关研究使其逐渐成为人们关注的焦点，大家逐渐意识到丰富的内生菌及其基因可提供共生相关和作用机理的知识，尽管如此，关于内生菌的生活方式和作用机制仍存在很多未知。只有大约1-2％的植物物种研究过其内生菌的作用，大多数来自陆地植物，而水生植物（湖泊，海洋等）相关研究尚未开展。由植物-内生菌产生的几种重要的生物活性化合物可用于以下各个领域：医学，农业，生物降解和生物修复。基于内生菌的纳米粒子有望在将来药物研发中发挥重要作用。为将利益最大化，需要开发基于内生菌的生物制剂，当直接应用于地上部分或种子部分时，这些生物制剂将更加有效，当微生物进入植物组织时，它将不会面临根际微生物的竞争，而且，在植物内部的闭路系统中，代谢产物几乎不会外散，宿主植物获得的收益将达到最大化，这些生物制剂对于污染土壤的修复也非常有价值，因此，内生菌可以克服许多常规生物制剂的缺点。但是，为使这种生物制剂能在商业上取得成功，需要对以下方面有全面的了解：(i)建立宿主植物与内生菌之间共生联系的策略，(ii)传播方式，和(iii)植物与内生菌相互作用的分子和遗传基础。现在是时候将内生菌研究从生理学和生物化学提升到代谢组学和基因组水平了。迄今为止，还没有专门针对内生菌及其代谢产物的数据库，建立这样的数据库可能会解决许多科学问题，需要全面探索基因组学和植物-内生菌之间的新陈代谢，以从这种惊奇的互作关系中获益！ |
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