全球人口的不断增长对农业生产提出了前所未有的压力，以确保安全且可持续的粮食产出。合成农业化学品对提高作物产量做出了贡献，但其过度使用已导致残留毒性、环境污染和长期健康危害，这促使研究人员寻找环保的替代方案。在这种背景下，栖息于植物组织内的非致病性微生物内生菌，作为一种有前景的生物资源，已受到广泛关注。它们能够通过提高植物对生物和非生物胁迫的抗性来可持续地增强作物生产力。通过调节多种植物激素（Phytohormones）信号通路，内生菌直接影响植物的生长发育和生理过程，并间接抑制害虫和病原体的入侵。除了促进胁迫耐受性外，这些微生物还能通过激活系统性响应来增强植物的抗病性。将这些能力以生物接种剂（Bioinoculants）的形式加以利用，代表了一种可持续的策略，旨在减少对化学肥料和农药的依赖，同时促进植物健康和环境质量。本综述探讨了内生菌通过植物激素调节在塑造植物免疫力和缓解胁迫中的作用，重点阐述了其作为宿主-内生菌-病原体信号网络中生物防治剂的功能。此外，本文还深入探讨了开发适用于复杂环境的广谱微生物接种剂的前景，并强调了组学（OMICS）研究在揭示植物-内生菌相互作用、鉴定新型功能基因以及加速下一代接种剂开发方面的潜力，以期在胁迫条件下改善作物表现。
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**1. 引言**
21世纪的农业格局面临诸多生态挑战。气候变化、土壤退化以及微生物对农业化学品日益增强的抗性，威胁着全球粮食安全。随着食品需求的增长，农民越来越依赖合成农药和化肥，但这些化学品的过度使用引发了严重的环境问题。在此背景下，与植物相关的微生物，特别是内生菌，作为一种环保的农业替代方法获得了重要地位。内生菌是在植物组织内栖息且不造成危害的有益细菌和真菌，它们能带来多种益处，包括增强植物对生物和非生物胁迫的抗性、促进植物生长以及影响复杂的植物信号系统。与附生菌不同，内生菌定殖于根、茎、叶和生殖器官等植物内部结构，使其能够与宿主建立紧密关系，从而直接影响其生理过程。众所周知，内生菌能够产生并调节植物激素，如生长素、细胞分裂素（CKs）、赤霉素、乙烯（ET）、脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）和茉莉酸（JA），这些激素在平衡植物生长和防御中起着关键作用。例如，著名的细菌内生菌假单胞菌属和芽孢杆菌属产生吲哚-3-乙酸（IAA），有助于根系发育和养分吸收。真菌内生菌，特别是哈茨木霉和甘肃野大麦内生真菌，能够刺激依赖于SA和JA的免疫反应，从而增强植物对病毒、真菌和昆虫威胁的抗性。某些内生菌甚至可以降低已知会抑制防御反应的ABA水平，从而改善宿主免疫力。这些防御激素在一个复杂的激素网络中协同工作，SA增强对活体营养型威胁的免疫，而ET和JA则调控对死体营养型病原体的防御。通过降解过量的ET以及通过系统性获得抗性（SAR）和诱导系统性抗性（ISR）等信号通路调控免疫反应，内生菌有助于缓解胁迫。为了防止环境胁迫导致的过早衰老，某些细菌内生菌株特别产生1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶，这种酶通过降解乙烯前体ACC来降低胁迫诱导的乙烯水平。
除了调节激素水平外，近期的转录组学和代谢组学研究还表明，内生菌也影响次生代谢物、活性氧（ROS）和抗氧化酶活性的产生，这进一步增强了植物对各种胁迫的抗性。此外，内生菌能够产生挥发性有机化合物（VOCs）和铁载体（Siderophores），不仅能促进养分吸收，还有助于抑制病原体。单细胞基因组学和高通量宏基因组学有助于确认不可培养内生菌的存在，并提供对植物群落动态的理解。基于光谱的代谢组学和蛋白质组学也为植物-内生菌相互作用中特定代谢物和蛋白质的参与提供了信息。
近年来，组学技术在内生菌研究中的作用显著扩展。早期研究主要集中于单一方法，而当前研究越来越多地采用整合性多组学策略，结合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，以提供对植物-内生菌相互作用更全面、系统层面的理解。此外，宏组学方法，如宏基因组学和宏转录组学，现已被广泛用于研究其自然生态环境中的内生菌群落，为微生物多样性和群落结构提供了更深入的见解。这些发展已将重点从简单的微生物分类鉴定转向功能表征，从而能够更好地理解胁迫响应基因、代谢途径以及参与宿主定殖和植物生长促进的机制。此外，近期由组学驱动的研究正变得越来越以应用为导向，有助于开发高效的生物接种剂并支持可持续农业实践。
尽管内生菌在自然条件下因环境差异、当地微生物群竞争和特定的宿主-菌株相互作用而表现出与在受控环境中不同的效力，但它们依然显示出巨大潜力。土壤pH值、湿度、紫外线照射和温度等因素会影响接种剂的存活和状态变化。由于表面污染以及存在休眠或活的但非可培养（VBNC）菌株，内生菌的分离和确认具有挑战性。本综述阐述了当前对内生菌及其减轻作物生产力上多样化生物胁迫能力的理解，重点关注内生菌介导的植物-病原体相互作用如何通过激素调控调节植物免疫反应，以及如何作为生物防治剂揭示复杂的宿主-内生菌-病原体关系。
**2. 内生菌在宿主体内的定殖**
内生菌在植物中的定殖是一个协调过程，很大程度上依赖于趋化性反应；然而，它也可能通过伤口、垂直种子传播或自然开口发生。内生菌的分组依赖于宿主偏好、传播途径、系统发育关系和定殖动力学。据推测，几乎所有植物都携带内生菌，其多样性受养分有效性、宿主和微生物的遗传特性、植物组织类型、宿主-微生物相互作用以及环境因素的影响。控制定殖的机制至关重要，因为接种菌株的成功建立对于促进植物生长和维持健康起着关键作用。各种感知系统，包括胞质受体、甲基受体趋化蛋白、lux单体、lux相关系统和需氧趋化受体，介导了定殖过程。当植物感知到内生菌的到来并启动一系列分子交换时，便以无症状定殖的形式表现出来。在此过程中，内生菌主要通过改变植物激素信号传导或解毒防御相关代谢物来应对宿主防御反应，这支持了当宿主抗性和内生菌策略之间存在平衡时会发生无症状相互作用的观点，并且这种关系可以沿着互惠到寄生的连续体状态转变。根际（Rhizosphere）是一个非常活跃和动态的土壤区域，因为根系向土壤释放各种化合物，如酚类、黄酮类、氨基酸、脂质等。这些分泌的分子对吸引来自根际的微生物内生菌并在植物上定殖非常有益。宿主中的感染主要通过两种途径发生：土壤介导的水平传播和通过种子的垂直传播。尽管细菌和真菌具有不同的结构类型（分别为原核和真核），但它们共享与植物相互作用的共同机制，最终导致根的胞间和胞内定殖，从而可能实现其系统性扩散。细菌和真菌的胞内定殖方式相似；然而，总体策略非常不同。细菌内生菌主要通过维管束胞间感染其宿主植物，但它们也可以形成胞内位点以促进传播。真菌内生菌则不同，它们在最初通过受体-蛋白相互作用感知宿主信号后，能够胞间和胞内定殖整个根系。在根际，细菌定殖开始于微生物被植物根系吸引，并根据根系分泌物介导的趋化信号接近它们。当细菌遇到根表面时，会与植物细胞壁和细菌细胞壁快速建立微弱且可逆的静电相互作用。在早期阶段，结构成分如鞭毛、菌毛、纤毛和分泌产物，如胞外多糖（EPS）、脂多糖（LPS）和细胞壁多糖，可能有助于直接附着。定殖根际后，细菌附着在根面（Rhizoplane）并进入植物组织，主要通过侧根出现位点或损伤部位等自然开口，主要定殖于根毛、根尖和次生根出现区域。内生真菌的传播主要有两种模式：通过种子从亲本植物到后代的垂直传播，以及通过生物载体或非生物力量介导的孢子或菌丝片段在植物间的水平传播。与LPS和EPS等细菌大分子相比，真菌的粘附通常由复杂的碳水化合物分子几丁质或纤维素促进，这有助于它们找到合适的宿主并通过主动或被动策略突破植物表面。一旦真菌芽管接近根表面，它会打破顶端优势并产生附着胞（Appressorium），使感染菌丝能够穿透根皮层并启动定殖过程。与根际不同，叶际（Phyllosphere）主要被附生菌而非内生菌定殖，因为植物内部环境，包括质外体，对微生物的定殖和持续存在施加了严格限制。叶际中的叶片真菌群落受叶片功能性状的影响，包括单位面积质量、厚度、碳和氮含量以及次生代谢物，这些决定了内生菌的渗透、定殖和多样性。季节性变化主要影响橄榄树叶际内生菌群落的结构和多样性，其丰富度在春季达到峰值，而温度和降水影响较小。群落的关键成员包括小球腔菌科、格孢腔菌科、火丝菌科、发菌科和盘菌科。此外，另一项研究进一步揭示链霉菌作为根内生菌，通过维管束向茎和花组织迁移。
**3. 内生菌对植物病原体的抑制**
近期的科学进展引入了多种环保策略来减少农业化学品在害虫防治中的使用。生物防治为管理植物病虫害提供了一种有效且可持续的方法。由于内生菌的数量通常少于病原体，它们可能逃避病原体相关分子模式（PAMP）-模式识别受体（PRR）的相互作用。内生菌通常引发微弱或被调节的免疫反应，使其能够在不触发强烈防御反应的情况下定殖宿主组织。这些生物防治剂控制或中和胁迫因素的能力依赖于多种直接和间接策略。
**3.1. 直接模式**
**3.1.1. 竞争**
生物防治是病原体和有益微生物在植物区域为争夺空间和资源而竞争的结果。多项报告表明，当有益微生物在空间和资源上与病原体竞争时，会导致病原体的出现和毒力显著降低。真菌内生菌，特别是木霉属，在特定感染位点与植物病原体争夺空间，同时也争夺碳、氮和其他生长因子。同样，棘孢木霉通过与尖孢镰刀菌番茄专化型争夺铁并减轻铁毒性来保护番茄植株。某些细菌种类，如枯草芽孢杆菌，也表现出类似的竞争活性。例如，从猕猴桃中分离出的内生菌荧光假单胞菌DLS65菌株，对褐腐病菌表现出生物防治潜力，在体外完全抑制菌丝生长，并在体内观察到部分抑制。即使在低温储存下，其拮抗作用也不会减弱，其机制源于营养和空间竞争以及产生扩散性和挥发性物质。这强调了了解生态位内竞争以及内生菌与病原体相互作用对于改进生物防治和植物健康护理的必要性。
**3.1.2. 水解酶**
内生菌通过释放各种水解酶来靶向病原体，包括木聚糖酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶。这些酶通过破坏糖苷键来攻击病原体，并通过削弱病原体的通透性、刚性和膨压驱动的扩张来影响其感染和生长。关键的溶菌酶几丁质酶，使具有几丁质分解能力的链霉菌能够降解病原体细胞壁，降低其毒力并有益于植物生长和健康。例如，内生细菌球孢链霉菌和红霉素链霉菌作为黄瓜的抗性诱导剂，刺激的几丁质酶活性比对照处理高6倍，缓解了腐皮镰刀菌和立枯丝核菌的侵袭。类似地，产生几丁质酶的枯草芽孢杆菌有助于对引起马铃薯黑疤病的立枯丝核菌进行生物防治。电子显微照片显示，从高粱中获得的草芽孢杆菌B2菌株表现出细胞外蛋白水解、果胶水解、纤维素分解和几丁质分解活性，在入侵和破坏寄生霜霉和尖孢镰刀菌的细胞壁和胞质内容物时。与细菌几丁质酶类似，真菌内生几丁质酶是一种关键的生物防治剂，哈茨木霉和深绿木霉是研究较多的例子。最新研究发现，棘孢木霉PQ34的几丁质酶显著降低了花生白绢病的感染，并防止了炭疽病菌引起的芒果和辣椒果实炭疽病。
**3.1.3. 挥发性化学物质**
内生微生物组对植物的保护涉及VOCs排放和分泌扩散性抗生素分子等过程，两者都作为潜在的生物熏蒸剂发挥作用。气态VOCs通过空气扩散，包围附近的物体和微生物，施加接触无关的抗菌作用，可能抑制目标病原体的生长、活力、毒力或环境负荷。在番茄内生菌群中，细菌群落，特别是芽孢杆菌、假单胞菌和寡养单胞菌，通过抑制链格孢、棒孢菌和番茄匍柄霉的生长发挥保护作用，实现病原体增殖减少75-85%。这些细菌产生的关键挥发性有机化合物，包括2,3-丁二醇、3-甲基丁醇和x-十一烯，属于不同的化学类别。通过产生VOCs，芽孢杆菌内生菌直接或通过增强植物抗性机制表现出生物防治潜力。挥发性有机化合物的作用不仅限于此；即使是间接防御机制ISR，也由VOCs的产生驱动。这种系统性抗性与JA和SA信号通路密切相关，这些通路促进植物防御基因的激活，例如病程相关蛋白（PR）和核苷酸结合位点-富亮氨酸重复序列（NBS-LRR2）基因。
**3.1.4. 铁载体**
通过释放铁载体（Siderophores），内生菌不仅在植物组织中建立，还抑制试图占据植物生态位的竞争性微生物。这些代谢物的产生与微生物的铁获取有关，因为铁对生长和增殖至关重要，特别是在铁有限的环境条件下。铁载体介导的铁竞争是生物防治剂对抗植物病原体的一种众所周知的拮抗机制。在比较分析中，哈茨木霉产生了大量的铁载体，包括异羟肟酸和羧酸盐类型，能够螯合铁并中和病原体酶。此外，从洋甘菊中分离的内生放线菌产生的铁载体与抗真菌活性密切相关，并代表了对抗植物病原体的关键机制。
**3.1.5. 抗生作用**
作为一种微生物相互作用形式，抗生作用（Antibiosis）是指通过产生抗菌物质（抗生素、酶、挥发性化合物和化感化学物质）来抑制其他微生物的生长，这些物质会破坏其代谢或细胞结构。这些次生代谢物具有抗微生物特性，能够在体外和体内抑制植物病原体，其产生通常取决于生长阶段、培养基和营养源。例如，粉红螺旋聚孢霉通过分泌多种胞外酶来抑制引起菜豆白霉病的核盘菌的生长。同样，在葡萄与淡紫拟青霉和炭疽病菌对抗时，诱导了对尖孢镰刀菌的抗性。
**3.1.6. 重寄生作用**
重寄生作用（Hyperparasitism）作为一种专门的微生物捕食模式，使内生菌能够通过直接攻击和消除病原体或其繁殖体来保护宿主植物。虽然由于真菌案例占主导地位，它通常被称为菌寄生（Mycoparasitism），但重寄生作用也可以发生在细菌内生菌中。多种放线菌物种显示出对多种真菌病原体的寄生性。菌寄生行为通常在体外进行研究，因为在培养皿中比在植物组织中更容易观察到寄生迹象。
**3.1.7. 抑制群体感应**
一个有趣的微生物通讯模式是化学信号介导的群体感应（Quorum Sensing, QS）。革兰氏阴性细菌通过N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）进行群体感应通讯，而革兰氏阳性细菌使用寡肽作为其信号分子。群体感应干扰是一种双重类型，即抗微生物和抗毒力方法，其中发病过程可以被逆向改变。许多细菌产生的AiiA（自诱导物失活酶A）作为群体感应淬灭（Quorum Quenching, QQ）分子，通过切割AHLs中的内酯环来发挥作用，从而有效中断QS信号。在平行层面上，从多种植物宿主中分离的棒杆菌、铜绿假单胞菌和嗜麦芽窄食单胞菌能够降解青枯菌的群体感应分子3-羟基棕榈酸甲酯，从而控制茄子的枯萎病。与细菌QSI相比，内生真菌群体感应抑制剂尚待探索；然而，一项研究表明，从蔓性植物中分离的禾谷镰刀菌和盾壳霉属的乙酸乙酯提取物抑制了紫色色杆菌中的C6-AHL介导的群体感应，表现为紫色杆菌素产量减少。
**3.2. 间接模式**
**3.2.1. 通过激素信号激活植物系统性抗性**
内生菌通过产生生物活性化合物（包括调节内部水平和促进养分吸收的激素）来促进植物生长。即使在微量时，它们对发育和防御生物胁迫也至关重要。内生真菌桔青霉和土曲霉通过调节激素水平，特别是SA和JA，以及抗氧化活性和氨基酸含量，增强了向日葵对链格孢的生长和抗性。在睡茄中，内生真菌棘孢木霉通过拮抗活性和提高IAA产量增强了对核盘菌的抗性。在玉米中，深绿木霉IMI206040通过调节SA、JA和ABA的生物合成，展示了对轮枝镰刀菌的生物防治潜力。ET、SA和JA的互联激素网络在协调工作以触发系统性抗性时，受到内生菌如青霉属、印度梨形孢和棘孢木霉的刺激。内生细菌固氮螺菌在水稻中激活ISR以抵抗稻瘟病，其中乙烯信号传导是该抗性的关键机制。同样，苏云金芽孢杆菌AR156通过以NPR1依赖的方式激活PAMP触发的免疫力和JA/ET通路，改善了拟南芥对灰霉病的系统性抗性。此外，假单胞菌和泛菌属已知通过促进植保素积累来增强系统性抗性。在细菌种类中，内生芽孢杆菌在各种作物中显示出有希望的效果。例如，从圣罗勒中分离的高地芽孢杆菌、龙舌兰芽孢杆菌和安全芽孢杆菌，在病原体胁迫下通过调节防御相关抗氧化酶如PAL、过氧化物酶和多酚氧化酶，增强了水稻中的ISR。类似地，枯草芽孢杆菌菌株TRO4和CLO5被证明能抑制引起鹰嘴豆枯萎病的土传真菌病原体，同时促进植物生长并激活系统性抗性。在水稻中，枯草芽孢杆菌菌株S4和S6诱导了对稻瘟病菌引起的稻瘟病的抗性。此外，从辣木中分离的根衍生菌株巨大芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌通过增强系统性抗性，减少细菌性叶斑病严重程度并促进番茄生长。转向真菌内生菌，它们在植物免疫中也展示了重要作用。例如，炭疽木霉HT-1增强了掌叶大黄的防御酶活性，使其对尖孢镰刀菌引起的根腐病具有抗性。暗隔内生真菌多孢变黑盘菌在油菜中诱导了β-1,3-葡聚糖酶（PR-2）的表达以对抗根肿病菌，而稻镰状瓶霉在水稻中激活了ROS积累、抗氧化防御和SA依赖性的OsWRKY45通路。此外，青霉属和蒙氏假单胞菌通过提高多酚和水杨酸水平以及抗氧化活性，增强了秋葵的系统性抗性。这些发现共同强调了细菌和真菌内生菌作为环保工具的潜力，可以增强植物免疫力，减少病原体负荷，并作为化学疾病管理的可持续替代品。
**4. 内生菌介导的激素调节机制及其在植物防御中的相关性**
通过产生或调节植物激素，内生菌改变了从受体到转录因子的植物信号级联反应，以增强防御相关活性。
**4.1. 水杨酸（SA）**
SA是一种关键的植物激素，调节生长、发育和生理过程，如种子萌发、开花、光合作用和胁迫反应。除了这些发育作用外，SA是免疫调节的核心，作为对抗活体营养型和半活体营养型病原体的主要植物激素。这种防御通过NPR1-TGA转录模块在SA积累后诱导PR基因发挥作用。内生微生物通过多种机制调节宿主SA信号。许多内生菌可以产生SA或SA类似物，直接提高局部SA水平并启动防御基因表达。其他内生菌可能通过激活植物模式识别受体（PRRs）来操纵宿主MAMP触发的免疫力（MTI），导致早期SA积累，触发植物免疫信号网络。在大多数物种（如拟南芥）中，90%的病原体诱导的SA生物合成主要通过异分支酸（IC）途径由异分支酸合酶1（ICS1）催化发生，少量贡献（如烟草）来自苯丙氨酸（Phe）氨裂解酶（PAL）途径。例如，在番茄中，内生菌解淀粉芽孢杆菌MBI600通过提高启动基因如丝裂原活化蛋白激酶3（SlMPK3）和SA依赖性防御基因如非表达病程相关基因1（SlNPR1）、病程相关蛋白1b（SlPR1b.1），触发了SA依赖性抗病毒抗性。SA结合非表达病程相关基因1（NPR1），触发其从寡聚细胞质复合物解离为单体，单体转运至细胞核，在其中组装成增强体，与TGA因子结合以激活PR1/PR5和其他防御基因。
**4.2. 茉莉酸（JA）**
JA是一种源自亚麻酸的氧脂素信号分子，调节植物中的多种生理过程。JA在植物发育中起着至关重要的作用，包括根伸长、花粉产生、萌发、果实成熟和衰老。此外，JA是植物应对生物和非生物胁迫的关键介质，激活针对害虫、病原体和环境挑战的防御机制。它通过SCFCOI1–JAZ–MYC2途径控制对坏死性病原体和草食动物的防御。通常，在内生菌定殖后，宿主茉莉酰异亮氨酸（JA-Ile）水平上升。JA-Ile结合SCFCOI1（Skp1/Cullin1/F-box蛋白CORONATINE INSENSITIVE1）受体复合物，导致茉莉酸-ZIM结构域（JAZ）抑制蛋白的泛素化和26S蛋白酶体依赖性降解，从而解除对骨髓细胞瘤病2（MYC2）及相关转录因子如MYC3、MYC4的抑制。游离的MYC转录因子随后直接或间接地调节防御相关基因的转录，如植物防御素1.2（PDF1.2）。由根瘤菌/内生菌诱导的ISR已知依赖于JA/ET而非SA。
**4.3. 乙烯（ET）**
ET（C2H4）是一种气态激素，调节各种发育过程，如种子萌发、果实成熟、花朵衰老、叶片展开和脱落。除了生长，ET通常在ISR中与JA协同作用，内生菌同样靶向ET生物合成和信号传导以加强JA介导的防御级联。ET生物合成通过三个关键酶催化步骤进行。首先，蛋氨酸（Met）在甲硫氨酸腺苷转移酶的作用下转化为S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM）。然后，SAM在ACC合酶（ACS）的作用下转化为1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）。最后，ACC在ACC氧化酶（ACO）的作用下氧化产生乙烯。内生菌主要通过靶向ACC（乙烯的直接前体）来调节乙烯生物合成。许多与植物相关的细菌（包括肠杆菌、芽孢杆菌、伯克霍尔德菌、假单胞菌等属）以及真菌（如木霉、镰刀菌等）产生ACC脱氨酶（ACC deaminase），该酶将ACC裂解为氨和2-氧代丁酸，防止乙烯信号传导，从而减少ET合成和信号传导。在胁迫下，植物表现出双相乙烯反应。内生菌的ACC脱氨酶活性可以抑制这种激增，防止过早衰老和生长抑制。以拟南芥为例，ET信号级联涉及内质网（ER）膜上的一组ET受体，如ETHYLENE RESPONSE1/2（ETR1/2）；一个名为CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE1（CTR1）的蛋白激酶；一个ER定位的跨膜蛋白ETHYLENE INSENSITIVE2（EIN2）；以及转录因子如EIN3、ETHYLENE INSENSITIVE-LIKE1（EIL1）和乙烯响应因子（ERFs）。
**4.4. 生长素**
生长素是一类色氨酸衍生的植物激素，其中吲哚-3-乙酸（IAA）是最常见的形式。它们调节关键的发育过程，如细胞伸长、顶端优势、维管分化、根起始和向性反应。虽然许多根相关内生菌（如假单胞菌、芽孢杆菌）产生IAA，但大多数研究集中在它们对植物生长促进的贡献上，而非防御。
**4.5. 脱落酸（ABA）**
ABA是一种倍半萜类植物激素，调节关键发育过程，包括种子休眠、萌发、根生长和气孔关闭。它也是非生物胁迫反应的中心调节器。除了这些常规作用，ABA在免疫中表现出双重功能，通过调节气孔防御和胁迫反应来发挥作用。其对SA和JA介导途径的影响因病原体类型和感染阶段而异。内生菌定殖可以调节ABA水平。例如，内生真菌金龟子绿僵菌定殖可降低豆类植物中的ABA水平，导致气孔开度增大和关键防御相关基因的下调。ABA可以通过调节气孔关闭来介导病原体入侵，其抑制可能增加对叶面病原体的易感性。相反，真菌病原体腐皮镰刀菌的感染会增加ABA和防御基因表达。在水稻中，内生细菌荧光假单胞菌的定殖触发了一种替代防御机制，可能是在病原体攻击时通过ABA积累实现的。升高的ABA水平导致ABA依赖性组蛋白去乙酰化酶OsHDA705的强烈上调，这反过来选择性地诱导了一系列与增强胁迫耐受性相关的PR基因。
**4.6. 赤霉素（GA）**
GA是四环二萜类植物激素，调节植物生长和发育的各个方面，包括种子萌发、茎伸长、叶片扩展、开花和果实发育。GA通常通过结合赤霉素不敏感矮化1（GID1）受体并触发DELLA抑制蛋白的降解来促进生长。虽然GA过表达常通过拮抗JA信号并减弱JA响应基因表达来抑制防御，但在其他情况下，产生GA的微生物已被观察到触发更强的JA/SA反应来对抗害虫和病原体。例如，产生GA的内生真菌（如桔青霉LWL4和土曲霉LWL5）触发了系统性抗性。接种了这些真菌的向日葵植株通过激活SA和JA依赖性防御途径抵抗白绢病菌。尽管产生GA，这些内生菌增强了SA/JA信号，表明微生物GA最终导致了防御启动。
**4.7. 细胞分裂素（CKs）和油菜素内酯（BRs）**
CKs在植物对病原体的免疫中发挥重要作用。虽然明确的内生菌介导的CK信号传导在植物免疫中的研究较少，但已知CK-SA串扰在某些情况下可增强系统性抗性。BRs在植物防御和生长中具有双重作用。它们可以通过改变JA和SA途径来提高抗感染能力。例如，BRs已被证明通过增加活性氧（ROS）积累和胼胝质沉积来支持PAMP触发的免疫力（PTI）。然而，BRs也可以通过作用于SA生物合成下游并抑制关键调节基因如NPR1和WRKY45来抑制SA介导的防御反应，如在水稻根部感染腐霉时观察到的。此外，在拟南芥中，BRs可以通过抑制BIN2激酶来促进SA信号，从而允许TGA转录因子更有效地与NPR1合作，增强SA响应基因表达。
**5. 不同激素之间的串扰**
SA和JA之间的关系是植物免疫中研究最充分的激素相互作用之一，SA通常对抗活体营养型病原体，而JA对抗坏死性病原体和草食动物。此外，ABA已被发现有时会抑制SA介导的反应，这会影响植物对感染的易感性。此外，生长素和GA可以改变JA和SA途径，根据植物-病原体关系来增强或抑制特定的免疫反应。GA-SA和ABA-SA相互作用影响植物生长-防御权衡，确保在胁迫条件下进行适当的资源分配。在干旱胁迫下，ABA和ET都控制气孔关闭，而生长素-细胞分裂素相互作用调节根-芽平衡。此外，ET和JA合作调节植物胁迫反应，而生长素和GA共同控制植物发育过程，包括果实生产。
**6. 内生菌在可持续农业中的应用**
具有植物激素调节能力的内生菌正越来越多地被开发为生物肥料和生物防治剂，为化学密集型农业提供了可持续的替代方案。其实际效用不仅取决于其生物学功能，还取决于有效的制剂策略，以确保微生物存活、传递和一致的田间表现。当前的方法包括基于固体载体的系统（如泥炭、滑石粉、生物炭、海藻酸盐）、液体接种剂和合成聚合物基包埋，所有这些都旨在维持微生物活力并促进植物组织的高效定殖。许多制剂使用内生菌属，如芽孢杆菌、假单胞菌、固氮螺杆菌和肠杆菌，以及类似的内生菌株，这些菌株天然产生IAA、赤霉素、CKs或其他调节剂。在这些中，芽孢杆菌属在商业应用中占主导地位；例如，估计美国60-75%的行作物接受基于芽孢杆菌的处理，在中国，超过80%的注册生物肥料菌株是芽孢杆菌。这些制剂的效果体现在其在主要作物系统中的表现。在小麦中，用枯草芽孢杆菌进行种子处理可将禾谷镰刀菌根腐病减少50-80%，同时在胁迫下促进植物生长。在番茄中，内生苏云金芽孢杆菌可将由青枯菌引起的细菌性枯萎病减少约70%。在水稻中，暹罗芽孢杆菌激活宿主防御反应并有效抑制稻瘟病菌，导致稻瘟病症状减轻。在棉花中，内生肠杆菌和固杆菌显著将棉花曲叶病发病率从约40%降至10%以下。
除了独立应用，内生菌越来越多地被整合到病虫害综合管理（IPDM）系统中，作为经典的生物防治剂或抗性诱导剂，但它们定殖植物组织并从内部改变宿主激素信号传导。它们可以减少对化学农药的需求。在实践中，内生菌接种剂与其他IPM策略结合使用以增强植物免疫力。例如，用芽孢杆菌或假单胞菌菌株进行种子或根部接种会启动植物的免疫系统；定殖的植物在病原体攻击时表现出更快的防御反应。这种现象类似于ISR或SAR。实验室和田间研究表明，用这些微生物处理会上调JA/ET通路基因和防御酶，因此随后的病原体或昆虫攻击会遇到启动的反应。一些内生菌也可以参与SA/SAR通路或新的防御途径。细菌内生菌如枯草芽孢杆菌或假单胞菌属在许多作物系统中引发ISR，减少土传病害的发生率。通过改变激素平衡，这些微生物帮助宿主启动更强的免疫反应。此外，内生细菌枯草芽孢杆菌26D可以通过调节植物激素水平帮助马铃薯植株从昆虫（科罗拉多马铃薯甲虫）损害中恢复。它增强了生长促进激素如生长素、CKs和GA，同时也提高了JA，这是昆虫抗性的关键信号。这种双重作用不仅促进了组织再生，还增强了植物抵御进一步草食性攻击的能力，说明内生菌如何微调激素途径以平衡生长和防御。
内生菌介导的抗性的相关性在各种作物系统中得到了进一步证明。在番茄中，真菌内生菌腐皮镰刀菌诱导对叶面病原体的抗性，而枯草芽孢杆菌增强系统性防御并改善对多种感染的抗性。在小麦中，微结痂平脐蠕孢增强了对禾谷镰刀菌的抗性，而枯草芽孢杆菌E1R-j通过超过90%的严重程度降低了白粉病（小麦白粉病菌），展示了强大的田间效力。同样，在水稻中，内生微生物通过宿主介导的抗性反应抑制主要病原体如稻瘟病菌和立枯丝核菌，突出了它们在单子叶作物系统中的有效性。在IPDM框架中，内生菌接种剂可以与其他生物防治措施结合以实现协同效应。例如，种子处理可能包括一个产生激素的内生菌和一个丛枝菌根真菌，这样生理植物抗性（通过ISR/SAR）与生物防治剂的直接拮抗作用相辅相成。从概念上讲，这种有益微生物的堆叠类似于在IPM中使用多种作用模式：内生菌介导的ISR降低了基线病原体负荷，而生物防治剂直接攻击害虫。内生真菌如球孢白僵菌可以在番茄等作物中提供对害虫和病原体的双重保护。将内生芽孢杆菌和白僵菌菌株结合使用时，观察到了协同效应，改善了真菌病害和昆虫害虫的管理，同时促进了植物生长。内生真菌和细菌还通过产生挥发性有机化合物（VOCs）进一步促进植物防御，这些化合物激活SAR和JA/ET通路，启动植物增强对病原体的防御。通过将产生VOCs的内生菌株纳入作物喷雾或种子处理中，种植者可以获得类似ISR的保护。在实践中，几项温室和田间试验报告了将内生菌处理与轮作、有机改良剂或有益真菌整合时的协同效应。总的来说，通过ISR和改变激素信号传导，内生菌成为IPM的重要组成部分，降低了对化学农药的需求并增强了天敌的效力。
**7. 挑战与未来展望**
分离内生菌的最大挑战在于将它们与污染物区分开来，因为许多内生菌具有选择性且在体外难以培养，表面灭菌可能会留下外部微生物或如果过于严苛则会损害植物组织并杀死其中的内生菌。规模化生产需要弄清楚它们的生理需求以维持效益，并将其转化为高效的田间制剂。此外，内生菌种群是动态变化的，受生物和非生物因素影响，这阻碍了它们的分离和应用，而水平基因转移使性状稳定性复杂化。将微生物接种剂应用于农业需要成功的传递系统。然而，为了获得广泛接受，必须评估对本地微生物物种、非目标生物和生态系统的影响，因为在研究或温室环境中观察到的益处通常在田间环境中会减弱。土壤特性、水分有效性、宿主遗传学、植物发育阶段以及与本地微生物的相互作用都会影响内生菌的持续存在、定殖和活性。此外，遗传交换和环境因素会影响内生菌在田间的性能。尽管它们的栖息地适应性和对土壤微生物多样性的长期影响需要仔细考虑，但合成生物学的进步提供了工程改造具有更好特性的内生菌的手段。
**表2. 内生菌研究中的科学挑战、根本原因及可能的缓解策略**
| 挑战 | 具体问题 | 根本原因 | 可能的途径 | 参考文献 |
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| 分离挑战 | 内生菌与附生菌的区分 | 灭菌无效；污染物的存在 | 优化灭菌方案；结合培养依赖和培养无关方法 | Carper等，2018；Hardoim等，2015 |
| 培养与多样性限制 | 许多菌株不可培养；在普通培养基上生长有限 | 苛刻的营养需求；VBNC状态 | 开发定制培养基 | Hardoim等，2015；Santoyo等，2016 |
| 规模化制剂 | 生产过程中有益性状的丢失 | 物种间生理差异 | 优化发酵参数；选择合适的载体和递送方法 | Bashan等，2014；Malfanova等，2011 |
| 田间性能可变性 | 定殖不一致；对有益性状了解有限 | 环境波动（土壤、pH等） | 选择适应当地的菌株；需要保护性制剂 | Compant等，2010；Vandenkoornhuyse等，2015 |
| 组学整合 | 对有益性状理解有限 | 基因组学和代谢组学数据不足 | 全基因组测序、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以鉴定关键通路 | Liu等，2022；Santoyo等，2016 |
| 合成生物学 | 需要性状定制 | 营养、定殖、胁迫耐受性的限制 | CRISPR-Cas、生物传感器等 | Compant等，2021；Eid等，2021 |
| 长期研究 | 缺乏生态学数据 | 短期试验，季节期间无监测 | 多年田间试验；监测土壤微生物组 | Mitter等，2019；Santoyo等，2016 |
| 监管与伦理考虑 | 不明确的全球安全性和专利框架 | 法规差异；生物安全关切 | 伦理使用本地菌株；指南的协调 | Backer等，2018；Vandenkoornhuyse等，2015 |
随着内生菌作为生物接种剂的应用日益增加，谨慎的监管评估和生物安全评估至关重要，特别是就其对环境可持续性、食品安全和公共健康的潜在影响而言。管理微生物接种剂的监管框架强调需要评估毒性、生态风险以及在农业生态系统中的长期持久性。此外，与制剂稳定性、田间性能和大规模实施相关的挑战继续限制其实际应用，突出了实验室研究与田间部署之间的差距。此外，对内生菌衍生生物活性化合物的日益探索引发了关于其安全使用及其对人类和环境健康潜在影响的重要考量。因此，未来的研究应优先开发稳定的生物接种剂制剂、基于多组学的全面功能验证、跨不同农业气候条件的大规模田间试验以及长期的生态和生物安全评估。解决这些关键领域对于确保内生菌在农业中安全、有效和可持续的利用至关重要。
内生菌与植物病原体在宿主体内的相互作用是高度动态的，并受到生态和进化过程的塑造。内生菌经历着强烈的宿主驱动的选择压力，这影响了它们在植物组织中定殖、持续存在和执行特定功能的能力。与此同时，植物微生物组并非随机，而是通过选择性招募和生态位分化形成结构，导致微生物在空间和资源上发生竞争。在这种背景下，内生菌可以通过直接与病原体竞争、产生抗菌化合物和激活植物防御机制来发挥保护作用。此外，植物相关微生物群落不断受到环境条件和宿主因素的影响，导致微生物种群之间的持续适应和相互作用。这些发现表明，内生菌和病原体在植物系统内参与了复杂且可能共同进化的关系，尽管这些相互作用的长期进化动态尚未完全了解。
**8. 结论**
在植物-微生物相互作用中，内生菌精心安排复杂的串扰机制，选择性地增强或减弱特定通路以最大化宿主优势。此外，内生菌采用多种策略来增强植物的抗性。内生菌介导的直接机制包括抗生作用、铁载体介导的营养竞争、水解酶分泌、挥发性有机化合物产生以及对群体感应的干扰。间接地，它们激活系统性获得抗性（SAR）和诱导系统性抗性（ISR），从而建立一个复杂的防御系统，能够主动和被动地应对多种生物胁迫。
虽然对照研究已经阐明了植物-内生菌相互作用的分子和生化方面，但将这些发现转化为一致的田间结果仍然是一个相当大的挑战。多组学技术与生态学和农学研究的整合正在通过鉴定内生菌性能的关键遗传和代谢决定因素来稳步推进理解。
它们在为植物病原体提供广谱保护方面的多功能性，使其成为向可持续农业过渡过程中的宝贵生物资产，在这一过程中，优化植物-微生物伙伴关系对于同时实现生产力和环境目标至关重要。然而，内生菌技术的广泛应用必须谨慎处理。潜在风险，包括水平基因转移、对非目标生物的非预期影响以及对本地微生物群落的干扰，需要在大规模部署之前进行彻底的生物安全评估、严格的环境评估和建立明确的监管框架。如果通过负责任的研究、明智的政策和谨慎的应用来解决这些挑战，内生菌就有潜力将现代农业转变为一个更具韧性、可持续且环境和谐的系统。
