彭 雪，郭二丹，仇瑩瑩，徐 皓，2*

(1.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西漢中 723000；2.陜西理工大學秦巴生物資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室(培育)，陜西漢中 723000)

藥用植物在我國分布較為廣泛，對其的認識、利用和培育具有幾千年的歷史，主要用于中醫(yī)治療過程，在保健品和食品等方面也廣泛應用。除了關注藥用植物的產量外，還要關注其品質，由于人們的過度采挖，野生藥用植物資源逐年減少，而人工栽培的藥用植物存在藥效下降、產量不高、病蟲害、過量施用化肥、農藥殘留超標、安全堪憂等問題[1]。因此，藥用植物的提質增效迫在眉睫，種植栽培技術提升是重中之重。2019年，《中共中央 國務院關于促進中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新發(fā)展的意見》明確要求“推行中藥材生態(tài)種植”，菌根栽培技術就是貫徹中藥材種植的綠色發(fā)展理念應運而生的。它既是一種綠色生態(tài)菌劑，也是一種應用前景很好的微生物肥料。菌根栽培技術中使用最為廣泛的真菌是叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)。

叢枝菌根真菌是一種植物根系微生物，廣泛存在于自然界中，可以與80%以上的維管植物形成共生結構[2]，作用方式即菌絲侵入植物根部后，形成叢枝結構，從而與宿主交換營養(yǎng)物質[3]。宿主植物為叢枝菌根真菌提供碳源多數(shù)以脂肪酸的形式，而叢枝菌根真菌則可以通過相通的根外和根內菌絲形成菌絲網(wǎng)來擴大植物根系與土壤的接觸面積，進而提高植物對水分及必要營養(yǎng)成分的吸收，形成一種互利互助、互通有無的共生結構[4-6]。AMF顯著作用于藥用植物，能增加對營養(yǎng)元素的吸收效率，增強光合作用，利于藥用植物的生長，提高產量[7]；能改善營養(yǎng)元素配比，調控次級產物代謝過程，促進藥用植物活性物質的合成、轉運與積累，使藥用植物品質提升[8]；能提高抗氧化酶活性，稀釋高鹽濃度，絡合重金屬，調控相關抗性基因表達，提高藥用植物在不良環(huán)境中的耐受性[9]。因此，AMF在藥用植物生產中有著良好的應用前景，但在藥用植物中的作用機制尚不明確，有待進一步闡述。

該研究歸納和分析了叢枝菌根真菌對藥用植物生長、有效成分的合成與積累以及在提高藥用植物抗非生物脅迫的能力和對病蟲害的抗性等方面的作用和機制，為叢枝菌根真菌在藥用植物生產上廣泛應用提供理論依據(jù)。

1 AMF對藥用植物養(yǎng)分吸收和生長的影響

植物從土壤中獲取養(yǎng)分的途徑有2種，第一種是由根毛直接吸收的根系途徑，另一種是菌絲發(fā)揮根毛作用吸收土壤營養(yǎng)的菌根途徑，這2個途徑既相互獨立又相互作用，共同從土壤中吸收植物所需的營養(yǎng)物質[10]。叢枝菌根真菌可以促進P、N、S、Zn、Cu、Ca等礦質元素的吸收[11]。磷在植物生長發(fā)育中具有重要作用，土壤中缺磷會限制植物生長，有關統(tǒng)計表明，中國約50%的農田土質中都缺少磷元素，而AMF在促進植物磷元素吸收方面具有一定的作用。首先，AMF對磷的吸收效率相對于植物根系更高，原因在于AMF菌絲體中沒有隔膜的阻擋，磷在真菌菌絲中的流動速度更快，且菌根菌絲對磷有一種較大的儲存量，也利于將磷持續(xù)提供給植物[12]；其次，AMF可以通過與解磷細菌合作，實現(xiàn)對有機磷的活化利用。研究發(fā)現(xiàn)，AMF菌絲分泌物可誘導解磷細菌向菌絲移動并定殖，解磷細菌分泌磷酸酶，活化土壤中的有機磷[13-14]；AMF除通過根外菌絲直接攝取土壤有效磷外，還通過調控宿主體內一些關鍵的功能基因如磷轉運蛋白基因的表達，從而有效地改善植物的缺磷狀態(tài)[15]。徐麗嬌等[16]以玉米接種AMF，結果顯示低磷脅迫下，AMF顯著上調了玉米碳磷代謝相關基因的表達來響應低磷脅迫，推測碳磷代謝相關基因的表達可能是由AMF的分泌物來調控的。由此可見，菌根植株可以獲得土壤中有效磷濃度低到非菌根植株所不能吸收到的磷，保證植株正常生長。劉春艷等[17-18]通過盆栽試驗對枳進行AMF接種，結果表明，AMF的接種顯著提高了有效磷的含量，又對菌根和非菌根的根系分泌物進行收集和分析發(fā)現(xiàn)，菌根分泌H+和有機酸促進了難溶磷酸鹽的降解，增加了土壤的可用含磷量；齊俊香等[19]研究表明，丹參植株接種雙網(wǎng)無梗囊霉可以促進丹參對磷元素的吸收。植物在生長發(fā)育中對氮素的需求量很大，因此氮素也成了植物生長的限制因子，接種AMF可加強對氮素的吸收和傳遞。首先AMF 根外菌絲通過在土壤中蔓延交錯，形成錯綜復雜的菌絲網(wǎng)絡，菌絲網(wǎng)隨著植物的生長不斷向外延伸，使得植物能更加深入土壤吸收氮素營養(yǎng)；其次，AMF的孢子中存在內生固氮菌，在孢子萌發(fā)時可以遷移到菌絲表面，成為菌絲際固氮菌來提高植物的固氮能力[20]；此外，土壤中的大部分氮源是以有機氮形式存在的，植物難以將其直接利用，眾多研究表明，AMF根外菌絲可以吸收土壤中的有機氮，并通過谷氨酰胺途徑同化土壤中的有機氮將其轉變?yōu)楦坏木彼醄21]，并在菌絲中通過氨基酸的方式運輸，到達植物根表面后，根內菌絲會再通過無機氮的方式運輸?shù)街参矬w內參與氮素循環(huán)。Leigh等[22]利用15N標記的氮培養(yǎng)植物，發(fā)現(xiàn)植物體內20%的氮是通過根外菌絲吸收的15N，證明了根外菌絲對氮的吸收是叢枝菌根真菌提高植物對氮素利用率的一個重要方式。硫可以降低土壤的pH、調節(jié)植物的代謝活動，在堿性農業(yè)土壤中廣泛運用，對提高作物的產量和品質都有一定的作用。AMF可幫助植物吸收更多的土壤硫素，Gray等[23]的開創(chuàng)性研究表明，硫和有機含硫化合物都可以通過菌根途徑運輸至植物體。Giovannetti等[24]研究表明，接種AMF提高了百脈根根系和地上部分的硫酸鹽濃度，顯著改善了植物的硫營養(yǎng)狀況。其機制為百脈根共生過程中由硫饑餓和菌根形成誘導了硫轉運蛋白基因LjSultr1；2，且該轉運體在含叢枝細胞中特異表達。

綜上所述，AMF通過促進藥用植物對營養(yǎng)元素的吸收來促進藥用植物的生長，此外，AMF也可顯著提高水分利用效率、葉片中葉綠素的含量、光合效率，酶活性等來促進藥用植物的生長。李文彬等[25]研究表明，接種摩西斗管囊霉和幼套近明球囊霉葉綠素含量提高，增強了郁金香對光能的利用效率，從而促進了郁金香的生長，增加了郁金香植株的生物量。

2 AMF對藥用植物次生代謝產物的積累影響

植物次生代謝產物主要包括萜類化合物(單萜、倍半萜、雙萜等)、酚類物質(黃酮類、簡單酚類、醌類等)和含氮化合物(生物堿、胺類、非蛋白氨基酸等)。許多藥用植物活性成分如萜類、黃酮類、生物堿等都屬于次生代謝產物，藥用植物活性成分的含量多少是衡量藥用植物品質的一個標準。大量研究表明，接種AMF能夠改變植物次生代謝產物的含量，同時，接種AMF對藥用植物產品質量也有積極的影響。

2.1 AMF對藥用植物萜類物質代謝的影響萜類化合物是中草藥中的一類比較重要的化合物，許多化合物是中草藥中的有效成分。陽文武等[26]研究表明，接種27種AMF，其中大部分都提高了云木香根中的木香烴內酯、去氫木香內酯及總內酯含量。韓冰洋等[27]也發(fā)現(xiàn)，接種AMF可以提高腺花香茶的萜類成分含量。Mandal等[28]發(fā)現(xiàn)，AMF接種通過上調黃花蒿葉片中DXS和DXR基因表達和提高黃花蒿葉片腺毛密度，改變腺毛結構，增加腺毛“庫”容量來促進青蒿素(倍半萜)的積累。以往的研究表明，AMF通過營養(yǎng)機制和非營養(yǎng)機制2個方面來促進藥用植物萜類化合物的合成。首先，萜類化合物合成途徑中，磷元素是其初始底物，也是MEP途徑和MVA途徑中共同底物IPP/DMAPP的重要構成元素，接種AMF通過提高磷元素來間接促進藥用植物萜類化合物的合成[29-30]；其次，植物根系被AMF侵染后，其合成途徑的關鍵酶活性和基因表達水平發(fā)生了改變，這也對萜類化合物的合成有影響；最后，AMF通過調節(jié)轉運蛋白活性進而影響萜類化合物的轉運，并且改變萜類化合物的積累部位——“庫”的容量和活力影響萜類化合物的運輸模式和含量積累。

2.2 AMF對藥用植物黃酮類物質代謝的影響黃酮類化合物廣泛存在于自然界的植物中，屬植物次生代謝產物，其中有很多是具有藥用價值的化合物。賀學禮等[31]研究表明，在同一施氮水平下，接種AMF可顯著提高黃芪植株黃酮含量。De Assis等[32]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，AMF促進了香蜂草的生長和檸檬醛、總酚和黃酮類化合物的積累。Selvaraj[33]報道了AMF對廣藿香屬植物化學成分的影響，觀察到接種過的植物比對照組的總酚和類黃酮含量更高。以往的研究發(fā)現(xiàn)，AMF通過上調植物體內的3種信號分子H2O2、NO及水楊酸，從而調控植物體內與合成黃酮類物質有關的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4羥化酶(C4H)、4-香豆酸CoA的連接酶(4-CL)、查爾酮異構化酶(CHI)、查爾酮合成酶(CHS)等限速酶以及抑制咖啡酸的形成，從而促進酮類物質合成[34]。

2.3 AMF對藥用植物含氮化合物(主要為生物堿)代謝的影響生物堿是一類具有顯著生物活性的含氮的堿性有機化合物，是中草藥的重要活性成分之一。研究表明，接種AMF可以增加藥用植物的生物堿含量。黃檗為藥用植物，其有效成分為生物堿，范繼紅等[35]對黃檗實生苗接種Glomus屬的AMF菌劑后發(fā)現(xiàn)，其主要生物堿(小檗堿、藥根堿及掌葉防己堿)含量得到顯著增加。周加海等[36]在川黃柏幼苗上接種2屬7種AMF后發(fā)現(xiàn)菌根幼苗的小檗堿含量均明顯高于非菌根植物。魏改堂等[37]通過在不同磷水平的土壤中對曼陀羅接種漏斗孢球囊霉和地表球囊霉，發(fā)現(xiàn)其莨菪堿和東莨菪堿的含量顯著提高，從而得出AMF可能通過提高植物激素的水平，使宿主植物的次生代謝發(fā)生改變來提高其生物堿含量的結論。有研究也發(fā)現(xiàn)，在藥用植物的不同生長時期進行AMF接種對生物堿的含量變化也有影響，郭巧生等[38]通過試驗發(fā)現(xiàn)，半夏在生長中期接種AMF，其生物堿含量更高。于洋[39]也發(fā)現(xiàn)，在喜樹幼苗出土20 d接種AMF均能顯著提高幼苗全株的喜樹堿含量，但是在幼苗出土40和60 d時，接種AMF則影響不顯著。深入研究發(fā)現(xiàn)，AMF的早期接種是影響喜樹的生物堿含量，后期接種則是促進喜樹植物的生物量積累。

3 非生物脅迫下AMF對藥用植物的影響

非生物脅迫如干旱、極端溫度、鹽分、重金屬污染等對土壤危害極大，可導致土壤退化，對藥用植物的種植造成了嚴重威脅。而AMF 作為一種可以與植物共生的有益微生物，可以促進作物根系生長，增加作物有效吸收面積，促進植物生長和繁殖，降低非生物脅迫對藥用植物生長的不良影響。目前，AMF 在宿主作物抵御非生物脅迫中所發(fā)揮的作用逐漸引起國內外研究學者的廣泛關注。

3.1 干旱脅迫下AMF對藥用植物的影響水是萬物之源，植物生長和發(fā)育都離不開水。植物體內缺少水分會導致葉片萎蔫，葉面積減小，氣孔關閉，光合速率和光合能力大大降低；干旱脅迫也會對植物根系造成損害，使根系呼吸作用加強，活性氧的積累增多，進而使植物礦質營養(yǎng)元素的吸收能力下降，阻礙植物的生長，嚴重時可導致植物的死亡[40]。接種AMF能增強藥用植物的抗旱性，直接作用是根外的菌絲相對于根毛具有直徑更小、菌絲網(wǎng)面積更大的優(yōu)勢，故其可行使根毛的功能吸收更多的水分，緩解植物缺水的狀況[41]；間接作用是AMF 的菌絲與土壤微粒形成土壤團粒結構[42]來提高植物對水分的利用，以及改善植物根系構型、提高植物光合能力、增強對礦質營養(yǎng)元素的吸收、降低植物氧化損傷、增強植物滲透調節(jié)能力及誘導相關基因表達等提高藥用植物對干旱的耐性[43]。張菲等[44]研究表明，干旱處理下，AMF的接種通過增大枳的根系體積、降低脯氨酸含量以及上調抗氧化酶基因等來響應植物的干旱脅迫；何斐[45]研究表明，AMF的侵染能提高刺槐的光合作用來增強其對干旱的耐受性，保證其在土壤缺水的條件下存活。張海涵[46]研究表明，枸杞接種AMF通過根系和葉片形態(tài)的改善，氣孔導度和光合速率的提高來減輕干旱脅迫對植物產生的有害影響。賀學禮等[47]研究表明，接種AMF能直接促進宿主植物根系對土壤水分和礦質元素吸收，并間接改善植株體內生理代謝活動來提高民勤絹蒿的抗旱性。陳婕等[48-49]研究表明，干旱條件下，紫穗槐和白芷接種AMF可通過提高根系活力、植株體內滲透調節(jié)物質含量和抗氧化酶的活性來促進紫穗槐和白芷生長，提高抗旱性。

3.2 溫度脅迫下AMF對藥用植物的影響高溫和低溫都能對藥用植物造成不可估量的損失。溫度脅迫對植物的正常生長和發(fā)育節(jié)律造成了負面影響[50]。一些研究報道指出，菌根植物比非菌根植物更能適應高溫、低溫對植物的脅迫。AMF提高植物對溫度脅迫的抗性機制，主要包括調節(jié)碳氮代謝，進而促進植物體內碳水化合物的積累與氮素吸收，增加植物體內蛋白質氨基酸合成量[51]；增加植物體內其他一些ATP酶的活性，降低植物體內H2O2和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶活性[52]；在低溫或高溫脅迫下，AMF還可以刺激多種對溫度脅迫應答有關的基因的表達。曾斌等[53-54]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，不同溫度下接種AMF可通過提高枳的根系活力、滲透調節(jié)物質、抗氧化酶活性等來提高枳對高溫和低溫的耐受性。

3.3 高鹽脅迫下AMF對藥用植物的影響土壤中大量可溶性鹽離子的積累會對藥用植物的生長產生有害影響，一是造成干旱脅迫和滲透反應，二是產生氧化脅迫和脫水反應。AMF 廣泛存在于鹽漬土根際周圍，其較細的菌絲擴大了植物根系的吸收面積，能夠幫助宿主植物改善養(yǎng)分吸收狀況、維持離子穩(wěn)態(tài)、提高水分利用率和增強抗氧化代謝等。AMF-植物共生體具有高效的 ROS清除系統(tǒng)，并可調節(jié)和誘導宿主植物表達多種耐鹽相關基因，有效提高植物在鹽脅迫下的早期抗性和生長能力，接種AMF還可調節(jié)植物激素的平衡，進而參與生長過程，增加植物對鹽脅迫的抗性[55]。徐瑤等[56]研究表明，接種摩西球囊霉能減少鹽對葉綠素合成的干擾作用，從而提高葉綠素含量；同時，提高滲透調節(jié)物質含量、增強礦質元素的吸收、減小膜脂過氧化程度以及降低高鹽濃度時Na+的吸收來緩解紅花的鹽脅迫。Li等[ 57]研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF通過提高光合能力、加速養(yǎng)分吸收和激活抗氧化系統(tǒng)減輕了衛(wèi)矛鹽脅迫下的中毒癥狀。Jia等[58]研究表明，在鹽脅迫條件下，AMF通過增加狹葉松果菊的次級代謝能力，提高宿主葉片中可溶性糖類和可溶性蛋白含量，從而緩解鹽脅迫對松果菊植物的傷害。劉洪光[59]研究表明，與枸杞共生的地表球囊霉菌顯著緩解了由鹽脅迫導致的葉和根系的生長激素吲哚-3-乙酸(IAA)和脫落酸(ABA)含量下降，調節(jié)了枸杞的激素水平，增強了抗性。

3.4 重金屬脅迫下AMF對藥用植物的影響工業(yè)的發(fā)展使土壤重金屬濃度過高，會使植物體內產生某種對酶和代謝具有毒害作用的物質，使植物根系和葉面積等生理特征發(fā)生變化，影響植物的生長，嚴重時可引起植物的死亡，破壞生態(tài)環(huán)境；植物富集太多重金屬進而使人體內也積累大量的重金屬，影響人體的健康[60]。如今，重金屬污染已引起廣泛關注，研究表明，AMF可通過提高植物對重金屬的抗耐性和修復重金屬的能力來減輕重金屬對植物的損害。首先，AMF菌絲可以充當防御作用，AMF菌絲體可以吸附重金屬，并將其固定，阻滯了重金屬進入植物體內，減輕了重金屬對植物的危害[61]；AMF還可分泌小分子有機酸、球囊霉素等，改變植物根際微環(huán)境，降低重金屬的生物活性[62]；其次，提高營養(yǎng)元素吸收、光合作用效率、水分利用效率等來促進植物的生長，增強植物的環(huán)境脅迫抗性[63]；最后，AMF 通過提高植物抗氧化酶活性來清除重金屬毒害產生的自由基，減少膜脂過氧化，進而提高宿主植物對重金屬脅迫的耐受性[64]。何錚[65]研究表明，接種AMF可以豐富Cd污染土壤中微生物種類并提高其活性，進而使得土壤環(huán)境更適宜大葉女貞生長；其次，接種AMF強化了菌根真菌對大葉女貞根系的感染能力，形成互利共生體系，在增加植物對水分、養(yǎng)分吸收的同時，緩解了Cd脅迫對大葉女貞造成的毒害。廖妤婕等[66]指出，在Pb脅迫下，AMF會促進桉樹根部固持作用、細胞壁滯留作用、液泡區(qū)隔化作用及弱活性結合態(tài)增加作用，提高桉樹對Pb的耐受性。王志[67]研究表明，接種AMF可以提高蒲公英對礦質養(yǎng)分(主要是P)的吸收促進植株生長，稀釋植株體內的鉻濃度，緩解鉻對蒲公英的毒害作用；AMF接種還降低了蒲公英葉片脯氨酸含量，提高了蒲公英的耐鉻性。趙英鵬[68]研究表明，接種AMF能夠明顯提高景天三七體內葉綠素含量及SOD、POD、CAT的活性，提高抗鉛脅迫能力，誘導產生更多的Pro和Pr，顯著降低植株地下及地上部分鉛積累量，明顯緩解鉛脅迫對景天三七的傷害，增強其抗逆性。AMF與葫蘆巴屬(Trigonella)植物共生，在重金屬鎘脅迫下，能夠提高光合色素含量和蛋白質含量，促進宿主植物的生長發(fā)育，該研究表明 AMF能夠增強宿主植物對重金屬鎘脅迫的耐受性[69]。

4 AMF在藥用植物生長過程抵抗病蟲害中發(fā)揮的作用

藥用植物在生長發(fā)育過程中常常會受到致病生物真菌、細菌、線蟲等的侵染而使藥用植物正常新陳代謝受到干擾，外部形態(tài)上呈現(xiàn)反常的病變現(xiàn)象，如枯萎、腐爛、斑點、霉粉、花葉等。藥用植物的病蟲害對其產量和品質造成了嚴重的影響。生物防治法中的利用植物-微生物互作是病蟲害綠色防控的重要技術，也是當前病蟲害防治研究的熱點領域。許多研究表明，AMF在藥用植物病蟲害防治上有重大作用。AMF接種主要是通過提高藥用植物營養(yǎng)成分狀況、次生代謝產物積累[70]，改變根系形態(tài)，與病原微生物競爭侵染位點[71]和宿主植物提供的光合作用產物以及激活宿主植物的防御系統(tǒng)等[72]機制來提高藥用植物的抗病蟲害能力。Liu等[73]研究表明，AMF的應用通過促進氮和磷的吸收，招募有益細菌和真菌，抑制土傳病原體等途徑來提高西洋參抗病蟲害的能力，改善西洋參的連作障礙。劉芳潔[74]以紫蘇為材料，探究了AMF的接種對提高紫蘇根腐病的抗性的機制，結果表明AMF的接種對紫蘇幼苗根腐病的防治效果達到了76.82%，主要是通過激活紫蘇的防御系統(tǒng)，如提高紫蘇根系酶活性、脯氨酸含量，降低丙二醛含量等來提高紫蘇對根腐病的抗性。唐燕等[75]的研究也表明，AMF在增強星油藤根腐病抗性和降低發(fā)病率方面具有重要作用。接種AMF通過改善養(yǎng)分狀況，促進與其他微生物共存，在根系位點形成菌根共生結構，改善植物與土壤的相互作用，抑制了瓜果腐霉菌的侵染，降低了沉香的發(fā)病率[76]。Chen等[77]研究表明，在低氮條件下，接種AMF能夠顯著提高三裂葉蟛蜞菊對立枯絲核菌的抗性。AMF不僅在藥用植物抗病蟲害方面具有重要作用，在其他經(jīng)濟農作物、林業(yè)方面也意義重大。AMF可以減輕番茄根結線蟲病的危害[78]；降低線蟲在香蕉中的定殖，從而減輕咖啡根腐線蟲對香蕉根系的傷害[79]；增強辣椒疫病、西樺潰瘍(干腐)病的抗性[80-81]。

5 展望

綜上所述，叢枝菌根在提高藥用植物的生長發(fā)育、活性物質合成和積累以及提高藥用植物的抗非生物脅迫能力，提高病蟲害的抗性等方面發(fā)揮著重要作用。接種AMF真菌可以為藥用植物提供營養(yǎng)元素，刺激藥用植物的生長；通過影響藥用植物的次生代謝過程，促進萜類和黃酮類等活性物質的合成來提高藥用植物的品質；通過增加抗氧化酶活性，可溶性糖和可溶性蛋白的含量，增強植株的抗氧化能力。因此，AMF在農業(yè)生產中具有非常廣闊的應用前景。

目前，叢枝菌根真菌的作用和調控機制已大致清楚，接下來可進一步明確研究接種不同種類AMF對藥用植物生長、活性物質合成、積累的響應及調控機制，也可利用相關分離技術篩選出優(yōu)勢AMF菌種孢子，將AMF制成生物菌肥從而促進植物的生長、功效成分的合成，也為推進藥用植物的生態(tài)種植，改善藥用植物的品質和質量提供新的研究思路。