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这篇综述聚焦内生真菌与植物的共生关系，详细阐述了内生真菌的研究历史、分布分类、共生建立过程，以及其促进植物生长、增强抗逆性的机制。对揭示共生奥秘、推动农业生物技术创新意义重大，值得深入研读。
1. 内生真菌与植物共生关系概述
1.1 定义与历史发展
内生真菌是植物微生物群落的关键成员，能与植物形成独特共生关系，这种关系已历经 4 亿多年的演化。1866 年，Bary 首次提出 “内生菌” 概念，此后相关研究不断拓展。从 1898 年 Vogl 首次从黑麦草种子中分离出内生真菌，到如今对其生理生化机制的深入探究，人类对内生真菌的认知逐步加深。
1.2 分布与多样性
内生真菌广泛分布于各类生态系统的植物中，从沙漠到北极的植物均有它们的踪迹。其宿主范围涵盖藻类、苔藓、蕨类、裸子植物以及单子叶和双子叶植物。在不同植物类群中，内生真菌发挥着多样的作用，例如在单子叶植物中，部分内生真菌产生的生物碱具有抗病虫害特性；在双子叶植物里，它们能促进植物生长、增强抗逆性。而且，通过微生物组分析发现，内生真菌在植物地上和地下组织中都具有惊人的多样性。
1.3 分类与传播方式
植物内生真菌主要集中在子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、毛霉门（Mucoromycota）和卵菌门（Oomycota）。基于遗传关系、宿主植物和生态功能，可将其分为两类：麦角菌内生真菌（clavicipitaceous-endophytes，C-endophytes）和非麦角菌内生真菌（nonclavicipitaceous-endophytes，NC-endophytes）。C-endophytes 与麦角菌关系密切，多通过垂直传播，能帮助宿主抵御生物和非生物胁迫；NC-endophytes 主要通过水平传播，生物多样性高，分布广泛，但与宿主的共生关系易受环境影响 。
2. 植物与内生真菌共生关系的建立
2.1 内生真菌的招募
植物与内生真菌建立共生关系需经过复杂的识别和感染过程，化学信号在其中起关键作用。植物分泌的独脚金内酯（Strigolactones，SLs）能吸引有益真菌，促进真菌菌丝生长、分支，增强其呼吸和孢子活性，上调效应子基因表达。此外，酚类、香豆素、植物激素如吲哚 - 3 - 乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）和乙烯（ethylene，ETH）等化合物也参与共生关系的调节。植物还会释放多种根际分泌物，吸引有益微生物。
2.2 植物防御系统的激活
真菌识别植物招募信号后，通过特殊菌丝结构或分泌细胞壁降解酶（cell wall degrading enzymes，CWDEs）等方式入侵植物。植物的免疫受体无法区分有益和有害微生物，内生真菌的入侵会触发植物防御网络。植物通过模式识别受体（pattern recognition receptors，PRR）识别病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）、损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP）或微生物相关分子模式（microbe-associated molecular patterns，MAMP），激活模式触发免疫（pattern-triggered immunity，PTI），引发一系列生理反应。微生物分泌的效应蛋白会被植物核苷酸结合域和富含亮氨酸重复序列（nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat，NLR）识别，触发效应子触发免疫（effector-triggered immunity，ETI）。PTI 和 ETI 相互调节、强化，形成强大的植物防御系统，还能诱导系统获得性免疫（systemic acquired immunity，SAR）。而植物对内生真菌 MAMP 的反应称为诱导系统抗性（induced systemic resistance，ISR），与 SAR 不同，ISR 依赖茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯信号通路，且不积累病程相关（pathogenesis-related，PR）蛋白。
2.3 内生真菌应对植物防御机制的策略
有益微生物进化出向宿主细胞输送效应分子的能力，调节宿主代谢，增强定植能力。例如，菌根真菌的效应子能调节植物激素信号通路，促进共生关系建立。内生真菌应对植物防御主要有两种策略：一是抑制宿主防御，如 Piriformospora indica 分泌的 PIIN_08944 可减少几丁质触发的活性氧（reactive oxygen species，ROS）爆发，Dld1 能干扰氧化应激和 ROS 稳态；二是降低真菌可检测性以逃避植物识别，如改变细胞壁组成，P. indica 的 β - 葡聚糖结合凝集素 FGB1 可抑制 β - 葡聚糖诱导的免疫，WSC3 参与真菌细胞壁 β - 葡聚糖重塑，Pestalotiopsis sp. 产生的几丁质脱乙酰酶（chitin deacetylase，CDA）将几丁质脱乙酰化为壳聚糖，诱导植物胼胝质沉积，逃避植物免疫 。
3. 内生真菌促进生长和抗病的机制
3.1 生长促进机制
内生真菌与植物形成互利共生关系，能促进植物对养分的吸收，还能合成植物激素，刺激植物生长发育。
- 促进宿主植物对养分的吸收：深色有隔内生真菌（DSE）和 P. indica 等典型内生真菌可提高宿主植物对养分的吸收效率。DSE 具有分解土壤有机物和定植植物根系的能力，能改善植物根系结构，促进植物对氮（N）、磷（P）等养分的吸收。P. indica 可通过触发一氧化氮（nitric oxide，NO）信号，上调硝酸盐还原酶基因表达，促进植物对氮的吸收利用；还能增强磷转运蛋白基因表达，提高植物对磷的获取和转运能力。此外，内生真菌产生的铁载体有助于植物吸收铁，并能与病原体竞争铁，保护植物免受侵害。
- 植物生长激素的产生：许多内生真菌能合成植物生长激素，如生长素（auxins）和赤霉素（gibberellins，GAs），调节宿主植物激素水平。一些内生真菌，如 Epichlo?、Piriformospora、Phoma、Arthrinium 等属的真菌，具有自主合成 IAA 的能力，IAA 能调节植物细胞分裂、伸长、维管束分化和不定根形成等过程。Gibberella intermedia、Aspergillus nidulans、P. indica 等内生真菌可合成和分泌 GAs，通过甲羟戊酸（mevalonic acid，MVA）途径生物合成生物活性 GAs（如 GA?、GA?、GA?和 GA?），促进植物细胞伸长、器官分化和生殖发育。部分内生真菌还能通过调节 GA 代谢途径，间接影响宿主植物生理，如 E. festucae 可上调宿主植物 GA 氧化酶基因表达，促进非活性 GAs 转化为活性形式。不过，目前该领域研究存在局限，对自然环境中更多真菌类群及其代谢网络的系统表征不足，激素合成和运输的时空动态调节机制也有待进一步探索。
3.2 增强宿主抗非生物胁迫的生理机制
在干旱、低温、重金属、盐度等非生物胁迫下，植物代谢失衡，内生真菌对维持植物健康和抗逆性至关重要。
- 脱落酸有助于抵抗干旱胁迫：脱落酸（abscisic acid，ABA）在植物干旱胁迫响应中起关键作用，能调节保卫细胞，诱导气孔关闭。研究表明，Epichlo? 内生菌可通过促进醉马草生长和光合作用效率，缓解干旱胁迫，这一过程可能由 ABA 介导。在南极本土维管植物 Colobanthus quitensis 中，内生真菌的存在显著增强了植物的耐旱性，与脱水敏感的 ABA 依赖途径基因 CqNCED1、CqABCG25 和 CqRD22 的上调密切相关。
- 脯氨酸和脱水蛋白有助于抵抗低温胁迫：在寒冷环境中，脱水蛋白凭借其两亲性 α - 螺旋结构与质膜结合，稳定细胞膜，保护植物细胞免受低温诱导的脱水伤害。植物还通过合成大量脯氨酸作为渗透保护剂，清除 ROS。例如，Trichoderma harzianum 可提高番茄在低温下的光合作用和生长速率，这与它增加宿主植物脱水响应蛋白 TAS14 和脯氨酸合成酶基因 P5CS 的表达有关。
- 限制重金属转运有助于抵抗重金属胁迫：重金属是有毒且不可生物降解的污染物，会在土壤和植物中积累，威胁人类和动物健康。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）和 DSE 等内生真菌可从受重金属污染的植物根系中分离出来，它们能限制重金属从植物根系向地上部分转移。DSE 通过限制重金属离子（trace element，TE）的转运，增加叶绿素浓度，提高蒸腾速率，促进宿主植物生长。研究发现，DSE 接种可显著提高抗氧化酶和低分子量抗氧化剂的活性，将镉（Cd）转化为非活性形式，并诱导 Cd 在细胞壁积累，降低其对植物的毒性。从水稻根部分离出的 Falciphora oryzae 是一种 DSE，既能促进植物生长，又能帮助宿主抵抗 Cd 胁迫，它可将 Cd 积累在液泡和厚垣孢子中，减少根中 Cd 积累和向地上部分的转运。
- 相容性溶质和抗氧化剂有助于抵抗盐胁迫：盐度是严重影响全球作物生产力的非生物胁迫因素，高盐会导致植物根毛细胞脱水，引发 “生理干旱”。DSE 可通过促进植物渗透调节和维持离子稳态，缓解盐胁迫。研究显示，DSE 能合成相容性溶质，帮助植物保持水分平衡，抵抗高盐引起的渗透胁迫；还能调节离子吸收和分布，减轻离子失衡的危害。P. indica 则通过增加植物抗氧化剂生成，调节与盐胁迫相关的生理指标（如脂质过氧化和代谢活性），诱导胁迫相关基因表达，帮助宿主抵御盐胁迫。
3.3 提高宿主抗生物胁迫的机制
内生真菌主要通过产生抗菌次生代谢物、挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）以及占据生态位等方式，帮助宿主抵抗生物胁迫。
- 产生抗菌次生代谢物：真菌次生代谢物根据结构和生物合成途径，主要分为聚酮类、非核糖体肽类、生物碱类或萜类。内生真菌独特的生存环境促使其产生多种生物活性代谢物，与病原体竞争食物和空间也会刺激次生代谢物的产生。许多内生真菌属，如 Fusarium、Phoma、Epichloe、Chaetomium 等，具有强大的生物合成潜力。Fusarium 能产生多种具有抗菌活性的次生代谢物，如 fusarielin B、enniatin、beauvericin 和五肽等；Phoma 属真菌可产生 phomalone、polyketide xanthepinone 等多种抗真菌化合物；Epichloe 与宿主共生产生的 indole - diterpenes、ergot alkaloids、peramine 和 lolines 等次生代谢物，具有抗菌、杀虫和驱避昆虫的作用；Chaetomium 属真菌产生的 tannin、chaetoglobosin A、D、E、G 和 R 等化合物，对农业病原体具有显著的抗菌能力。
- 产生抗菌 VOCs：Trichoderma 和 Muscodor 属的许多内生真菌能产生 VOCs，帮助宿主抵御病原体入侵。Muscodor spp. 释放的 VOCs 对多种致病真菌具有致命影响，主要由异丁醇、2 - 甲基 - 1 - 丁醇和异丁酸等组成，可有效抑制 Rhizoctonia solani、Phytophthora capsici 和 Fusarium oxysporum 等病原体。内生真菌的 VOCs 通过直接抑制病原体孢子萌发和菌丝生长，以及间接诱导植物产生几丁质酶、过氧化物酶和 ROS 等方式，抑制病原体增殖。此外，VOCs 还能作为信号分子激活植物防御系统，增强植物对病原体的抗性，促进植物生长。不过，VOCs 的抗菌活性受来源和剂量影响，其毒性也限制了在生产中的实际应用，需要进一步研究控制其毒性的策略。
- 占据生态位：内生真菌通过占据生态位，利用空间竞争直接抑制病原体生长。例如，Beauveria bassiana 能定植在番茄和棉花种子上，有效抑制 Rhizoctonia solani 和 Pythium mycotylum 等病原体的生长；Trichoderma spp. 在农业中广泛用作生物防治剂，能快速生长并附着在其他微生物上，竞争生态位和资源，定植在土壤、根际和胚乳中，发挥生物防治作用。
4. 展望
内生真菌在促进植物生长和增强植物抗逆性方面具有巨大的经济潜力，但目前对其复杂的共生机制了解有限。共生调节基因在植物内生真菌共生调节网络中起核心作用，如 E. festucae 的 NADPH 氧化酶基因家族 noxA、noxB 和 noxR 等，其缺失会导致真菌菌丝生长异常，影响植物生长。水平基因转移（Horizontal gene transfer，HGT）获得的基因和孤儿基因可能是潜在的关键共生调节基因，HGT 能赋予真菌有益性状，帮助其适应新环境，但目前对植物与内生真菌间基因转移的研究较少；孤儿基因在真菌适应特定环境中可能发挥重要作用，尽管其功能大多未知，但探索这些基因有助于揭示内生真菌与植物的共生机制。由于内生真菌与植物关系复杂，且在体外难以模拟其生存条件，目前研究数据有限。此外，环境条件和宿主差异会影响内生真菌的致病性，因此需要进一步研究长期环境条件对内生真菌多样性的动态调节，以及这些变化对内生真菌应激反应基因转录和植物多样性的影响。
5. 结论
目前，关于内生真菌与植物相互作用机制的研究取得了显著进展，在共生建立过程、生长促进和抗病机制以及内生真菌对宿主植物发育的调节作用等方面有了深入认识，为农业生物技术创新提供了新视角。然而，研究仍面临诸多挑战，如共生关系的复杂性涉及多层次调控网络；如何维持从宿主分离的内生真菌的生物学功能，并确保其在不同生态环境中的稳定生物活性尚未解决；环境因素对共生关系的动态影响，以及内生真菌从共生向致病或腐生转变的机制也有待深入探索。未来研究应整合先进的组学技术，加强分类学家、分子生物学家和田间实践者的合作，重点分析共生调节基因的功能，开发更准确模拟自然条件的实验系统，探索环境变化对真菌 - 植物相互作用的长期影响。这不仅有助于深化对共生机制的理论理解，还能为可持续农业生态系统和提高植物抗逆性提供切实可行的解决方案。
