叢枝菌根真菌侵染根系的過程與機理研究進展

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，主要應用在園藝、土地復墾、森林及環境修復等方面。近年來，在細胞水平和分子水平上對菌根真菌-植物共生體的研究取得了較大進展。綜述了國內外在菌根真菌侵染根系過程和相關機理的研究進展，并指出今后仍需在分子水平上繼續對叢枝菌根真菌侵染根系的機理進行深入研究。

關鍵詞： 叢枝菌根真菌；侵染根系；機理

中圖分類號：Q949.32；S154.34 文獻標識碼：A 文章編號：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-植物聯合共生體。這種共生現象在世界各地土壤中廣泛分布，能與菌根形成共生關系的植物包括70%～90%的高等植物和少量蕨類植物以及極少的苔蘚植物。叢枝菌根真菌通過地下菌絲網絡和植物緊密地聯系在一起，菌根真菌通過菌絲網絡從植物體內獲取必要的碳水化合物等有機營養物質來供給自身的生長和發育，而植物則可以從中獲取由菌根真菌吸收的礦質營養元素和水分等無機營養物質來提高自身的營養水平，這種共生關系有時會發展到雙方難分難舍的程度，植物缺乏菌根真菌無法生存下去，而菌根真菌缺乏必需的植物根系共生則無法完成生活史，不能繼續繁殖。一般認為，真菌-植物這種互惠互利的營養關系使得雙方能夠達到互利互助、互通有無的高度統一。

叢枝菌根真菌在生態學和生理學上均具有其獨特的特點（圖1）。叢枝菌根真菌生態學特點主要體現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隔膜和多核體結構，即數百個細胞核生長在同一細胞質中。叢枝菌根真菌生理學特點主要為菌根真菌是無性繁殖的，孢子會在合適的條件下萌發并且侵染根系，菌絲穿透根系的皮層進入根細胞內，形成菌根真菌獨有的菌絲器官：叢枝和泡囊。后來研究發現部分菌根真菌并不在根內產生泡囊，但一般都形成叢枝結構，故簡稱叢枝菌根（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很少或幾乎沒有發生變化，用肉眼一般很難區別出有無叢枝菌根形成。叢枝菌根真菌的根外菌絲進入植物根系皮層細胞后，在適當條件下菌絲可發育成泡囊、叢枝、根內菌絲或者根內孢子等結構，只有經染色等技術處理后， 在顯微鏡下才能觀察到。

1 菌根真菌侵染根系的過程

叢枝菌根真菌屬于球囊菌門（Glomeromycota），它是專性活體共生真菌，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始于孢子萌發，之后根外菌絲在宿主植物根皮層形成侵入點，然后菌根真菌菌絲進入根皮層細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構，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產生泡囊，且都形成叢枝結構，故簡稱叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza， AMF），如圖2所示。

根外菌絲侵入根皮層細胞后形成附著胞（Appressoria），然而對于真菌-植物共生體來說，附著胞形成之前涉及到一系列的信號識別和物質互相吸引的過程。Siciliano等[2]將其描述為根外菌絲會產生一種叫做真菌因子（Myc factor）的物質，并通過誘導鈣振動（Calcium oscillation）在根表皮細胞中激活與共生體有關的基因。Genre等[3]則認為菌根真菌成熟的菌絲會形成特殊的一種附著枝（Hyphopodia），經過隨后化學和機械刺激，菌絲在植物根系細胞內產生了一種侵入前期器官（Prepennetration apparatus，PPA），之后延伸的菌絲進入PPA，將會引導真菌通過根細胞進入根皮層細胞，并在質外體中發生分枝，沿著根軸線生長，菌絲會誘導類似PPA的結構發育，并隨后進入皮層細胞形成叢枝結構。以往的研究已證實，泡囊作為菌根真菌的儲藏器官，并不一直在菌根真菌中形成，而新的孢子將會在根外菌絲頂端形成，從而進行下一個生命史，周而復始[4]。

2 菌根真菌侵染根系的機理

2.1 菌根-植物共生體信號機制

Mosse[5]認為菌根真菌的孢子在土壤中休眠和自主萌發活動是由植物主導信號決定的。即菌根真菌-植物共生體由植物占主導地位。研究已證實，根系的分泌物和揮發物會抑制或者促進孢子的萌發，孢子會對環境中化學成分的變化產生相應的感受反應[6]。有研究表明，孢子萌發后菌根真菌的芽管在穿過土壤過程中，在遇到潛在的宿主植物根系之前，菌絲的延伸和發育受到孢子內儲存的碳的限制[7]。而目前研究最多的是主導信號，Gomez等[8]認為菌根真菌-植物共生體的形成始于彼此之間的信號交換，植物主導分枝因子（Branching factor）產生的信號會誘導孢子萌發，之后引起根外菌絲強烈分枝，根外菌絲的大量增殖增加了其接觸到宿主植物根系的機會，同時菌根真菌也釋放真菌因子以誘導植物根細胞中的基因表達發生變化，從而為菌根真菌的侵入并與根細胞相結合做好準備（圖2）。目前還不清楚菌根真菌主導的真菌因子的具體化學成分，研究現已證實，植物主導的分枝因子是由根系分泌物中的獨角金內酯來表達的。獨角金內酯（Strigolactones）是一種新的植物激素，其作用與生長素和細胞分裂素類似，它們能夠協同作用調節和控制植物的側枝生長，以維持植物的株型。Umehara 等[9]認為，獨腳金內酯的雙重生物學功能表明其在協調植物地上部分和地下部分的生長過程中起著關鍵作用。獨角金內酯是一種倍半萜烯化合物，其分子骨架結構由4個環組成，主要在植物的根中由類胡蘿卜素代謝合成[10]。目前已經從很多植物的根中分離出這種物質，與獨角金內酯合成相關的基因發現于所有的高等植物中，其天然產物中主要有5種：5-脫氧獨角金醇（5-deoxystrigol）、獨腳金醇（Strigol）、高粱內酯（Sorgolactone）、黑蒴醇（Alectrol）和列當醇（Orobanchol）；人工合成的類似物有GR24、GR6和GR7等[11]。雖然在植物根細胞中獨角金內酯合成的具體途徑還不很清楚，但對幾種植物的遺傳分析表明，獨角金內酯的產生源于胡蘿卜素的裂解產物。目前已知有3個酶參與這一過程，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）和細胞色素P450單加氧酶（Cyt P450，MAX1）[12]。獨角金內酯的生理作用體現在它能夠誘導菌根真菌根外菌絲的分枝和激活真菌的線粒體，研究發現真菌細胞呼吸作用在受到誘導后明顯增加，這可能與根外菌絲不斷分裂所需能量有關。獨角金內酯可在皮克或納克水平（pg/ng）上發揮作用，每個培養皿中含30 pg的5-脫氧獨角金醇的化學提取物質就能誘導珍珠巨孢囊霉（Gigaspora margarita）的菌絲發生強烈的分枝[13]。

2.2 菌根真菌-植物共生體的共生關系

菌根真菌-植物共生關系是研究菌根真菌的基礎，化石資料表明，起源于大約4億年前的這種共生關系在植物從水生演變到陸生的進化過程中起著重要作用[14]。這種共生關系也是地球陸地生態系統中最重要的共生關系之一，它對植物的生物多樣性和生態系統的穩定性都具有重大影響。菌根真菌被認為是專性活體共生真菌，植物與菌根真菌的共生關系建立在營養物質互相交換的基礎之上[15]。叢枝菌根真菌并不是宿主專一型的菌類，一種菌根真菌可以同時侵染大量的某一類植物，也可以侵染大量的不同類植物[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體侵染，因此不同種植物之間可以通過菌根真菌網絡互相聯系[17]。這種菌根真菌網絡的存在揭示了菌根真菌在不同種類植物之間分配營養物質和水分等資源與植物在植物種群中植株個體大小、在植物群落中相對的優勢地位及在生態系統中的身份無關。

研究表明，在植物根中獨角金內酯的合成受到植物營養狀況的支配。即寄主植物主導獨角金內酯的合成和分泌，當土壤中磷元素缺乏時，獨角金內酯的合成會增加，當土壤中磷元素飽和時，獨角金內酯的分泌會減少。與此類似的是，植物的分枝也受其自身營養條件的制約，植物在缺乏營養的條件下其自身的分枝會受到抑制。同時，植物與叢枝菌根真菌的共生關系也受到植物營養狀況的調控，植物處于營養元素匱乏狀態下時會促進與叢枝菌根真菌形成共生關系，反之，菌根真菌與植物之間的關系有可能演變為寄生關系。陳彩艷等[18]認為獨角金內酯調控植物分枝和真菌共生屬于開源節流的調控模式，當土壤中營養元素缺乏時，植物根系會加速合成獨角金內酯并釋放到土壤中，加速菌根真菌與自身的根系建立共生關系，從而利用菌根真菌來改善自身的營養狀況；同時，獨角金內酯向葉冠部分輸送以限制植物的分枝來節約使用有限的營養物質用以供給地下菌絲的增殖和擴繁。當植物與真菌的共生關系形成后，植物的營養狀況會因為植物菌根共生關系的建立而得到改善，植物也會隨之減少獨角金內酯的合成，促進植物的分枝形成并減少與真菌的共生，這時菌根真菌與植物共生也會因獨角金內酯分泌減少而得以控制。試驗證明，西紅柿的獨角金內酯在缺磷狀態下受到磷元素缺乏的誘導，西紅柿根的提取物比磷飽和狀態下的根提取物更能誘導叢枝菌根外菌絲分枝[19]。

3 小結與展望

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，作為陸地生態系統中的“關鍵共生物”，菌根真菌在土壤貧瘠的條件下，可通過其復雜的地下菌絲網絡來提高植物對礦質元素和水分的吸收[20]；促進土壤團聚體的形成；在極端環境下，通過改善寄主自身的營養來增強植物抗逆性的能力；在此基礎上使土壤微生態環境得到明顯改善[21]。菌根植物根際分泌大量的化學物質，在數量上和質量上都直接或間接影響根際中的微生物群體。叢枝菌根真菌優良的生理生態特點引起了國內外學者極大關注，對菌根真菌-植物共生體開始了廣泛的研究。目前在種群和群落水平上，叢枝菌根真菌主要應用在農業、園藝、森林以及環境修復，用來增加農作物產量和限制農藥的使用[22]。在細胞水平上，Paszkowski等[23]描述了菌根真菌侵染植物根系的過程，Genre等[3]描述了菌根發育的過程，Zocco等[24]分析了菌根真菌新陳代謝和營養物質運輸的過程。而未來菌根真菌的發展方向則在分子水平上，目前已有相關研究，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系的7種基因，Sally等[26]分析了叢枝菌根和根瘤菌共生關系基因控制信號傳導的過程等，但在分子水平上的研究則是解決叢枝菌根真菌發育并侵染根系機理的本質所在。

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