岳輝　劉英

摘要：叢枝菌根是土壤中的菌根真菌與植物形成的一種真菌-植物聯(lián)合共生體，目前研究較為成熟的是在種群和群落水平上，主要應(yīng)用在園藝、土地復(fù)墾、森林及環(huán)境修復(fù)等方面。近年來(lái)，在細(xì)胞水平和分子水平上對(duì)菌根真菌-植物共生體的研究取得了較大進(jìn)展。綜述了國(guó)內(nèi)外在菌根真菌侵染根系過(guò)程和相關(guān)機(jī)理的研究進(jìn)展，并指出今后仍需在分子水平上繼續(xù)對(duì)叢枝菌根真菌侵染根系的機(jī)理進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞： 叢枝菌根真菌；侵染根系；機(jī)理

中圖分類(lèi)號(hào)：Q949.32；S154.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）19-4657-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.001

Abstract： Arbuscular mycorrhizal fungi is a kind of mycorrhizal plants which formed combined symbionts by mycorrhizal fungi in the soil fungi and plant. Present study was limited in the population and community level， mainly in horticulture， land reclamation， forest and environmental restoration. Research progress was also made at the cellular level and molecular level. Process and related mechanism of mycorrhizal fungi infecting root were reviewed. Future study on the mechanism of arbuscular mycorrhizal fungi infecting root should be continued.

Key words： arbuscular mycorrhiza fungi；colonizing root；mechanism

叢枝菌根是自然界中一種普遍存在的共生現(xiàn)象，它是土壤中的叢枝菌根真菌與植物形成的一種真菌-植物聯(lián)合共生體。這種共生現(xiàn)象在世界各地土壤中廣泛分布，能與菌根形成共生關(guān)系的植物包括70%～90%的高等植物和少量蕨類(lèi)植物以及極少的苔蘚植物。叢枝菌根真菌通過(guò)地下菌絲網(wǎng)絡(luò)和植物緊密地聯(lián)系在一起，菌根真菌通過(guò)菌絲網(wǎng)絡(luò)從植物體內(nèi)獲取必要的碳水化合物等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)供給自身的生長(zhǎng)和發(fā)育，而植物則可以從中獲取由菌根真菌吸收的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和水分等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)提高自身的營(yíng)養(yǎng)水平，這種共生關(guān)系有時(shí)會(huì)發(fā)展到雙方難分難舍的程度，植物缺乏菌根真菌無(wú)法生存下去，而菌根真菌缺乏必需的植物根系共生則無(wú)法完成生活史，不能繼續(xù)繁殖。一般認(rèn)為，真菌-植物這種互惠互利的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系使得雙方能夠達(dá)到互利互助、互通有無(wú)的高度統(tǒng)一。

叢枝菌根真菌在生態(tài)學(xué)和生理學(xué)上均具有其獨(dú)特的特點(diǎn)（圖1）。叢枝菌根真菌生態(tài)學(xué)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在其孢子在土壤中形成并且大小比菌根真菌大很多（50～500 μm），且菌根真菌菌絲是無(wú)隔膜和多核體結(jié)構(gòu)，即數(shù)百個(gè)細(xì)胞核生長(zhǎng)在同一細(xì)胞質(zhì)中。叢枝菌根真菌生理學(xué)特點(diǎn)主要為菌根真菌是無(wú)性繁殖的，孢子會(huì)在合適的條件下萌發(fā)并且侵染根系，菌絲穿透根系的皮層進(jìn)入根細(xì)胞內(nèi)，形成菌根真菌獨(dú)有的菌絲器官：叢枝和泡囊。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)部分菌根真菌并不在根內(nèi)產(chǎn)生泡囊，但一般都形成叢枝結(jié)構(gòu)，故簡(jiǎn)稱(chēng)叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）。植物根系被叢枝菌根真菌感染形成菌根后， 根系主要是根毛部分的外部形態(tài)很少或幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，用肉眼一般很難區(qū)別出有無(wú)叢枝菌根形成。叢枝菌根真菌的根外菌絲進(jìn)入植物根系皮層細(xì)胞后，在適當(dāng)條件下菌絲可發(fā)育成泡囊、叢枝、根內(nèi)菌絲或者根內(nèi)孢子等結(jié)構(gòu)，只有經(jīng)染色等技術(shù)處理后， 在顯微鏡下才能觀察到。

1 菌根真菌侵染根系的過(guò)程

叢枝菌根真菌屬于球囊菌門(mén)（Glomeromycota），它是專(zhuān)性活體共生真菌，即只有在共生植物存活的條件下才能完成其生命史。研究表明，叢枝菌根真菌的生命史開(kāi)始于孢子萌發(fā)，之后根外菌絲在宿主植物根皮層形成侵入點(diǎn)，然后菌根真菌菌絲進(jìn)入根皮層細(xì)胞后形成泡囊和叢枝[1]。正是由于泡囊和叢枝這兩大典型結(jié)構(gòu)，叢枝菌根在最初被命名為泡囊-叢枝菌根（Vesicular - arbuscular mycorrhiza， VAM），由于部分菌根真菌不在根內(nèi)產(chǎn)生泡囊，且都形成叢枝結(jié)構(gòu)，故簡(jiǎn)稱(chēng)叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza， AMF），如圖2所示。

根外菌絲侵入根皮層細(xì)胞后形成附著胞（Appressoria），然而對(duì)于真菌-植物共生體來(lái)說(shuō)，附著胞形成之前涉及到一系列的信號(hào)識(shí)別和物質(zhì)互相吸引的過(guò)程。Siciliano等[2]將其描述為根外菌絲會(huì)產(chǎn)生一種叫做真菌因子（Myc factor）的物質(zhì)，并通過(guò)誘導(dǎo)鈣振動(dòng)（Calcium oscillation）在根表皮細(xì)胞中激活與共生體有關(guān)的基因。Genre等[3]則認(rèn)為菌根真菌成熟的菌絲會(huì)形成特殊的一種附著枝（Hyphopodia），經(jīng)過(guò)隨后化學(xué)和機(jī)械刺激，菌絲在植物根系細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了一種侵入前期器官（Prepennetration apparatus，PPA），之后延伸的菌絲進(jìn)入PPA，將會(huì)引導(dǎo)真菌通過(guò)根細(xì)胞進(jìn)入根皮層細(xì)胞，并在質(zhì)外體中發(fā)生分枝，沿著根軸線(xiàn)生長(zhǎng)，菌絲會(huì)誘導(dǎo)類(lèi)似PPA的結(jié)構(gòu)發(fā)育，并隨后進(jìn)入皮層細(xì)胞形成叢枝結(jié)構(gòu)。以往的研究已證實(shí)，泡囊作為菌根真菌的儲(chǔ)藏器官，并不一直在菌根真菌中形成，而新的孢子將會(huì)在根外菌絲頂端形成，從而進(jìn)行下一個(gè)生命史，周而復(fù)始[4]。

2 菌根真菌侵染根系的機(jī)理

2.1 菌根-植物共生體信號(hào)機(jī)制

Mosse[5]認(rèn)為菌根真菌的孢子在土壤中休眠和自主萌發(fā)活動(dòng)是由植物主導(dǎo)信號(hào)決定的。即菌根真菌-植物共生體由植物占主導(dǎo)地位。研究已證實(shí)，根系的分泌物和揮發(fā)物會(huì)抑制或者促進(jìn)孢子的萌發(fā)，孢子會(huì)對(duì)環(huán)境中化學(xué)成分的變化產(chǎn)生相應(yīng)的感受反應(yīng)[6]。有研究表明，孢子萌發(fā)后菌根真菌的芽管在穿過(guò)土壤過(guò)程中，在遇到潛在的宿主植物根系之前，菌絲的延伸和發(fā)育受到孢子內(nèi)儲(chǔ)存的碳的限制[7]。而目前研究最多的是主導(dǎo)信號(hào)，Gomez等[8]認(rèn)為菌根真菌-植物共生體的形成始于彼此之間的信號(hào)交換，植物主導(dǎo)分枝因子（Branching factor）產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)誘導(dǎo)孢子萌發(fā)，之后引起根外菌絲強(qiáng)烈分枝，根外菌絲的大量增殖增加了其接觸到宿主植物根系的機(jī)會(huì)，同時(shí)菌根真菌也釋放真菌因子以誘導(dǎo)植物根細(xì)胞中的基因表達(dá)發(fā)生變化，從而為菌根真菌的侵入并與根細(xì)胞相結(jié)合做好準(zhǔn)備（圖2）。目前還不清楚菌根真菌主導(dǎo)的真菌因子的具體化學(xué)成分，研究現(xiàn)已證實(shí)，植物主導(dǎo)的分枝因子是由根系分泌物中的獨(dú)角金內(nèi)酯來(lái)表達(dá)的。獨(dú)角金內(nèi)酯（Strigolactones）是一種新的植物激素，其作用與生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素類(lèi)似，它們能夠協(xié)同作用調(diào)節(jié)和控制植物的側(cè)枝生長(zhǎng)，以維持植物的株型。Umehara 等[9]認(rèn)為，獨(dú)腳金內(nèi)酯的雙重生物學(xué)功能表明其在協(xié)調(diào)植物地上部分和地下部分的生長(zhǎng)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。獨(dú)角金內(nèi)酯是一種倍半萜烯化合物，其分子骨架結(jié)構(gòu)由4個(gè)環(huán)組成，主要在植物的根中由類(lèi)胡蘿卜素代謝合成[10]。目前已經(jīng)從很多植物的根中分離出這種物質(zhì)，與獨(dú)角金內(nèi)酯合成相關(guān)的基因發(fā)現(xiàn)于所有的高等植物中，其天然產(chǎn)物中主要有5種：5-脫氧獨(dú)角金醇（5-deoxystrigol）、獨(dú)腳金醇（Strigol）、高粱內(nèi)酯（Sorgolactone）、黑蒴醇（Alectrol）和列當(dāng)醇（Orobanchol）；人工合成的類(lèi)似物有GR24、GR6和GR7等[11]。雖然在植物根細(xì)胞中獨(dú)角金內(nèi)酯合成的具體途徑還不很清楚，但對(duì)幾種植物的遺傳分析表明，獨(dú)角金內(nèi)酯的產(chǎn)生源于胡蘿卜素的裂解產(chǎn)物。目前已知有3個(gè)酶參與這一過(guò)程，胡蘿卜素裂解雙加氧酶7（CCD7，MAX3/RMS5/HTD1/D17）、胡蘿卜素裂解雙加氧酶8（CCD8，MAX4/RMS1/DAD1/D10）和細(xì)胞色素P450單加氧酶（Cyt P450，MAX1）[12]。獨(dú)角金內(nèi)酯的生理作用體現(xiàn)在它能夠誘導(dǎo)菌根真菌根外菌絲的分枝和激活真菌的線(xiàn)粒體，研究發(fā)現(xiàn)真菌細(xì)胞呼吸作用在受到誘導(dǎo)后明顯增加，這可能與根外菌絲不斷分裂所需能量有關(guān)。獨(dú)角金內(nèi)酯可在皮克或納克水平（pg/ng）上發(fā)揮作用，每個(gè)培養(yǎng)皿中含30 pg的5-脫氧獨(dú)角金醇的化學(xué)提取物質(zhì)就能誘導(dǎo)珍珠巨孢囊霉（Gigaspora margarita）的菌絲發(fā)生強(qiáng)烈的分枝[13]。

2.2 菌根真菌-植物共生體的共生關(guān)系

菌根真菌-植物共生關(guān)系是研究菌根真菌的基礎(chǔ)，化石資料表明，起源于大約4億年前的這種共生關(guān)系在植物從水生演變到陸生的進(jìn)化過(guò)程中起著重要作用[14]。這種共生關(guān)系也是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的共生關(guān)系之一，它對(duì)植物的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有重大影響。菌根真菌被認(rèn)為是專(zhuān)性活體共生真菌，植物與菌根真菌的共生關(guān)系建立在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)互相交換的基礎(chǔ)之上[15]。叢枝菌根真菌并不是宿主專(zhuān)一型的菌類(lèi)，一種菌根真菌可以同時(shí)侵染大量的某一類(lèi)植物，也可以侵染大量的不同類(lèi)植物[16]。草本植物等小型植物和木本植物等大型植物能夠被同一菌根真菌個(gè)體侵染，因此不同種植物之間可以通過(guò)菌根真菌網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系[17]。這種菌根真菌網(wǎng)絡(luò)的存在揭示了菌根真菌在不同種類(lèi)植物之間分配營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分等資源與植物在植物種群中植株個(gè)體大小、在植物群落中相對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位及在生態(tài)系統(tǒng)中的身份無(wú)關(guān)。

研究表明，在植物根中獨(dú)角金內(nèi)酯的合成受到植物營(yíng)養(yǎng)狀況的支配。即寄主植物主導(dǎo)獨(dú)角金內(nèi)酯的合成和分泌，當(dāng)土壤中磷元素缺乏時(shí)，獨(dú)角金內(nèi)酯的合成會(huì)增加，當(dāng)土壤中磷元素飽和時(shí)，獨(dú)角金內(nèi)酯的分泌會(huì)減少。與此類(lèi)似的是，植物的分枝也受其自身營(yíng)養(yǎng)條件的制約，植物在缺乏營(yíng)養(yǎng)的條件下其自身的分枝會(huì)受到抑制。同時(shí)，植物與叢枝菌根真菌的共生關(guān)系也受到植物營(yíng)養(yǎng)狀況的調(diào)控，植物處于營(yíng)養(yǎng)元素匱乏狀態(tài)下時(shí)會(huì)促進(jìn)與叢枝菌根真菌形成共生關(guān)系，反之，菌根真菌與植物之間的關(guān)系有可能演變?yōu)榧纳P(guān)系。陳彩艷等[18]認(rèn)為獨(dú)角金內(nèi)酯調(diào)控植物分枝和真菌共生屬于開(kāi)源節(jié)流的調(diào)控模式，當(dāng)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素缺乏時(shí)，植物根系會(huì)加速合成獨(dú)角金內(nèi)酯并釋放到土壤中，加速菌根真菌與自身的根系建立共生關(guān)系，從而利用菌根真菌來(lái)改善自身的營(yíng)養(yǎng)狀況；同時(shí)，獨(dú)角金內(nèi)酯向葉冠部分輸送以限制植物的分枝來(lái)節(jié)約使用有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用以供給地下菌絲的增殖和擴(kuò)繁。當(dāng)植物與真菌的共生關(guān)系形成后，植物的營(yíng)養(yǎng)狀況會(huì)因?yàn)橹参锞采P(guān)系的建立而得到改善，植物也會(huì)隨之減少獨(dú)角金內(nèi)酯的合成，促進(jìn)植物的分枝形成并減少與真菌的共生，這時(shí)菌根真菌與植物共生也會(huì)因獨(dú)角金內(nèi)酯分泌減少而得以控制。試驗(yàn)證明，西紅柿的獨(dú)角金內(nèi)酯在缺磷狀態(tài)下受到磷元素缺乏的誘導(dǎo)，西紅柿根的提取物比磷飽和狀態(tài)下的根提取物更能誘導(dǎo)叢枝菌根外菌絲分枝[19]。

3 小結(jié)與展望

叢枝菌根真菌是一種普遍存在于陸生植物根際的有益共生微生物，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的“關(guān)鍵共生物”，菌根真菌在土壤貧瘠的條件下，可通過(guò)其復(fù)雜的地下菌絲網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高植物對(duì)礦質(zhì)元素和水分的吸收[20]；促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成；在極端環(huán)境下，通過(guò)改善寄主自身的營(yíng)養(yǎng)來(lái)增強(qiáng)植物抗逆性的能力；在此基礎(chǔ)上使土壤微生態(tài)環(huán)境得到明顯改善[21]。菌根植物根際分泌大量的化學(xué)物質(zhì)，在數(shù)量上和質(zhì)量上都直接或間接影響根際中的微生物群體。叢枝菌根真菌優(yōu)良的生理生態(tài)特點(diǎn)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者極大關(guān)注，對(duì)菌根真菌-植物共生體開(kāi)始了廣泛的研究。目前在種群和群落水平上，叢枝菌根真菌主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、園藝、森林以及環(huán)境修復(fù)，用來(lái)增加農(nóng)作物產(chǎn)量和限制農(nóng)藥的使用[22]。在細(xì)胞水平上，Paszkowski等[23]描述了菌根真菌侵染植物根系的過(guò)程，Genre等[3]描述了菌根發(fā)育的過(guò)程，Zocco等[24]分析了菌根真菌新陳代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程。而未來(lái)菌根真菌的發(fā)展方向則在分子水平上，目前已有相關(guān)研究，比如Kistner[25]找到了豆科植物中決定叢枝菌根和根瘤菌共生關(guān)系的7種基因，Sally等[26]分析了叢枝菌根和根瘤菌共生關(guān)系基因控制信號(hào)傳導(dǎo)的過(guò)程等，但在分子水平上的研究則是解決叢枝菌根真菌發(fā)育并侵染根系機(jī)理的本質(zhì)所在。

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