AM真菌的異核現象對共生系統的影響研究進展

王艷勝 ，耿 帥 ，王愛萍 ，郝艷平 ，梁月秀 ，趙立松 ，尹夢嬌 ，張 騰 ，溫 賀 ，張春來

（1.山西農業大學農學院，山西省旱作農業與作物生態重點實驗室，山西太谷 030801；2.山西農業大學林學院，山西太谷 030801）

AM真菌即從枝菌根真菌[1]，通過其孢子產生的菌絲、叢枝以及泡囊與主要的陸生植物形成共生關系[2]，真菌通過菌絲從宿主植物中獲得碳源，植物從菌根中吸收豐富的微量礦質元素[3]，特別是植物不易吸收到的磷、鋅、銅等微量元素。研究結果表明，AM真菌對多種經濟作物具有增產效果，可提高植物的品質，如增加生物量和植物有效成分含量[4]；增強植物的抗逆性，如改善植物的水分狀況[5]、提高植物的抗旱能力[6]、提高植物抵抗低溫的能力、耐鹽堿脅迫的能力[7]；增強宿主植物對重金屬離子的耐性；還有降低其他真菌、線蟲、細菌等病害的作用[8]。目前對共生體系中植物的遺傳特性了解較多[9]，但由于AM真菌是專性寄生生物，目前尚未獲得純培養，對AM真菌的遺傳特性知之甚少。AM真菌是多核的，數百個胞核共存于胞內，盡管有爭議，但直接或間接的證據都表明，在單個的AM真菌中包含有大量的遺傳性不同的核[10-12]。此外，在同一個核中已觀察到遺傳差異，這就說明了AM真菌個體內部高度的遺傳變異性[12]。近來有證據表明，AM真菌有異形核[13]。

為了解異形核對AM真菌的遺傳特性和對共生系統的影響，筆者綜述了有關與共生關系建立和共生功能相關的基因，分析了AM真菌異核性可能的原因及其對共生系統即真菌和植物的生態和進化的影響，并展望了AM真菌遺傳特性的研究前景。

1 與共生建立和共生功能相關的基因

AM真菌是最常見的一種內生菌根真菌，在與植物的有機結合體系中，真菌菌絲首先附著在植物根表面上，然后侵入植物根表皮細胞（epidermal cells），最后到達皮層細胞（cortical cells）[14]。通過形成叢枝結構（arbuscules）和膨大的泡囊結構（vesicles）在植物皮層細胞中定殖，與其相連的根外菌絲和孢子則分布在根表面或根際土壤中，這樣菌絲體及其各種結構就形成了傳輸根外營養物質到根內的橋梁，并擴大了植物根的吸收表面積[14]。叢枝結構是AM真菌與宿主植物營養物質交換的場所，植物從菌根中吸收豐富的微量礦質元素，而真菌的碳源則從宿主植物中獲取[3]。另外，真菌菌絲可同時侵入一種或多種不同植物，使得在一個共生系統中通過形成地下菌絲網連接著許多不同植物。菌絲末端也可形成孢子，這些孢子萌發可形成新的共生體。

一些與菌根共生關系形成的關鍵階段和共生關系作用的相關基因的鑒定已經取得了很大進展。共生關系形成大體分為共生前期、侵染初期、延伸到根皮層、形成叢枝結構、共生關系建立共5個階段[15]。迄今，已鑒定的共生關系作用的相關基因均來源于植物，而非真菌。在共生前期，真菌菌絲附著于根，可觀察到許多菌絲分枝。有人認為，從類胡蘿卜通路中合成的植物激素——獨角金內酯（Strigolactones），是共生的化學信號，可誘導菌絲分枝，引起真菌線粒體功能異常[16-17]，但是與之相關的基因目前并不清楚。真菌產生的識別信號物質——Myc因子，誘導植物基因ENOD11表達，ENOD11在蒺藜狀苜蓿（Medicago truncatula）中編碼富含脯氨酸的假想的多重細胞壁蛋白，該基因在菌根形成的早期和后期，甚至是已形成叢枝的細胞中都有表達[18]。最近研究發現，為了引導真菌到達植物皮層細胞，植物體細胞內構建了一個通道，稱之為預侵染器，真菌通過它延伸到植物細胞，植物細胞核隨著通道的發育遷移[19-20]。研究表明，蒺藜狀苜蓿中的2個基因DMI2和DMI3對誘發預侵染器是必需的。利用豆科模式植物百脈根（Lotus japonicus）突變體已經確定，CASTOR，POLLUX，NUP85，NUP133，CYCLOPS 等5種基因對真菌在豆科植物體內的發育和叢枝的發育是必需的。這些基因在根瘤菌-豆科植物共生體系和菌根共生體系中都是常見的[15]。研究發現，這些基因在水稻（Oryza sativa）的菌根形成中也是必需的。在水稻中鑒定了CASTOR，POLLUX，CCAMK（DMI3），CYCLOPS的直系同源基因，發現這些基因對水稻和豆科植物的菌根形成都是必需的[21]。然而，也發現了另一些基因的作用僅限于水稻菌根形成。它們可分為2組：一組在共生關系發展早期叢枝形成前被表達，有AM1-3和AM11；另一組在發育后期和形成叢枝的細胞中表達，有AM10-11，AM14-15，AM18，AM20，AM24，AM25，AM26，AM29，AM31，AM34，AM39，AM42 和 PT11，這些基因編碼的功能目前還不清楚。

目前，AM真菌中的2個基因可能與真菌在植物根內的發育有關。因為沒有適合真菌的基因敲除或轉化方法，最成功的方法是在AM真菌中尋找直系同源基因，這些基因對植物根被真菌病原體成功地侵染很重要。研究表明，STE12的直系同源基因和類GTP酶可能在根侵染和隨后菌絲在根內生長的調控分別起作用[22-23]。因為叢枝是植物和真菌相互作用的橋梁，是營養交換的場所，對含叢枝結構的細胞上基因的表達尤為關注。研究發現，菌根根系提取物中的親脂性信號物質能夠誘導馬鈴薯磷酸轉運基因StPT3和 StPT4的表達[24]，而這2個基因是被AM真菌專性誘導表達的。這就說明溶血磷脂作為信號物質在植物與AM真菌共生中起著特別重要的作用。這些磷酸鹽轉運蛋白在叢枝中表達，因而對共生功能起作用。已被證實，含叢枝結構的細胞中存在一些其他的植物磷酸鹽轉運蛋白和一種真菌磷酸鹽轉運蛋白。真菌中其他一些對共生系統發育和共生功能比較重要的基因也已被證實。AM真菌中超氧化物歧化酶基因GmarCuZnSOD表達可以增強植物對氧化物脅迫的耐受性。此外，在根外菌絲中磷轉運蛋白也參與了將磷酸鹽轉運到植物中[25]。

2 AMF異核性可能的原因

近來有證據表明，AM真菌有異形核，即在所含基因上，不同的核共存于同一菌體內，或同一菌絲細胞內或同一孢子內。2個直接與真菌異核現象形成相關的過程被稱之為分離和基因交換[13]。

2.1 基因交換

同一孢子的不同菌絲間可融合并創建新的細胞質連接[26]，通過這種融合在單個孢子個體中甚至是不同寄主的根之間就建立起一個大的菌絲網[27]。最近有研究表明，在Rhizophagus irregularis中不同孢子的菌絲也可融合[28]，融合后2個AM真菌孢子的核酸在菌絲中混合，那么菌絲融合后產生的子代就會繼承雙親的遺傳物質[28]。而且一些子代的孢子和菌絲密度等一些遺傳特性與其親本和其他子代都不同[28]。AM真菌個體間核酸交換形成了其獨特的表型。這種2個AM真菌親本間核酸的交換并導致AM真菌子代擁有雙親核酸的現象稱之為基因交換（圖1-a）。融合后，交換了核酸的AM真菌個體被稱為“AM真菌親本”。

基因交換直接導致了AM真菌的異核性。基因交換的一個潛在結果是一個種群中遺傳性不同的個體可相互連接并形成一個巨大的遺傳性不同的菌絲網。而且遺傳性不同的AM真菌個體間核酸的交換對AM真菌個體異質性的維持有重要影響[11，29]。基因交換另一個重要影響是通過基因交換，不同AMF親本雜合的核酸在子代中增加了核型的遺傳多樣性。

基因交換可能對AM真菌在一個變化的環境中快速進化的能力有重要影響，不僅通過在選擇時提供新的等位基因，而且通過潛在的允許來源存在差異的核酸重組[30]。在AM真菌中當融合事件可能比生殖周期發生的更頻繁時，基因交換和分離可能在快速適應異常的環境條件中成為一種重要的方式[31]。這樣的水平基因轉移一直被認為在細菌中能促進基因組的可塑性和適應性[32]。

2.2 分離

在AM真菌中另一個導致異核現象的原因是一個親本孢子在孢子形成時由于核型分離出現了擁有不同核酸物質的子代。這種在孢子形成時出現不同的核酸的現象稱之為分離（圖1-b）。通過分離產生的后代稱為分離系。AM真菌分離現象的一個潛在結果就是親本孢子在產生新的子代時由于稀有核型的缺失導致AMF遺傳多樣性降低。基因分離直到不久前都認為是不可能發生的，以前的研究通過觀察G.etunicatum中共存的一個基因PLS的13種變異型的遺傳研究[33]，發現PLS基因的13種變異型存在于所有的子一代中，研究者通過子一代一個位點變異的分離研究得出，在AM真菌中沒有發生分離，然而多個位點經過多代生殖后是否發生分離未可知。不久前在R.irregularis中發現分離現象[10]，并指出分離發生的可能性依賴于親本核型的遺傳多樣性。通過隔離和分別培養來自一個親本基因交換所得的子一代的單個孢子來研究分離過程的試驗已經完成。分離減少了一個新形成種群中等位基因個體大小，從而有助于不同的等位基因的相對豐度的遺傳漂變，促進表型異常[8]，融合可能有助于等位基因改組，促進異核現象的維持。

3 AM真菌的異核現象對共生系統的影響

已經在AM真菌物種水平上深入研究了AM真菌多樣性對植物多樣性和植物生產力的影響以及不同寄主對AM真菌孢子形成和不同AM真菌群體共存的影響[34]。然而，AM真菌的異核現象對AM真菌遺傳多樣性的影響及其對真菌與植物相互作用的影響則很少被關注。通過基因交換和分離使得子代相關核型頻率的改變在菌絲網中經常出現。基因交換和分離對共生有著非常重要的影響。最近有文獻研究了遺傳交換和分離對植株生長和基因表達的影響[10，35]。與之前的轉化根的體外培養相比，這些研究是在溫室中完整的植株個體上完成的，試驗對植株分別接種基因交換所得孢子、分離所得孢子以及親本孢子，經過幾個月的溫室培養后，測其干質量及植物基因的遺傳轉錄，研究結果均表明，通過分離和遺傳交換產生的遺傳變異對水稻生長和基因表達都有顯著影響。然而，后續研究則表明，通過基因交換和分離獲得的子代，與其親本和其他子代相比，可以有差異地改變植物的生長和植物基因轉錄[10]。由不同的AM真菌系引起的對植物生長的改變會因為寄主的改變而不固定。研究表明，水稻接種某一些分離所得的孢子比接種親本孢子或其他一些分離所得孢子增產5倍[10]。這一研究結果也表明，基因交換和分離對水稻基因的表達產生了很大影響，同時發現接種同樣的AM真菌孢子，對水稻的生長有促進作用，但并未促進車前草生長。總之，由于異核性，AM真菌對不同植物個體的生長有不同的影響，需要研究者們進一步探索。

異核性使得AM真菌有快速產生可變后代的能力，與親本相比，增加了其產生不同適應性子代的可能性，從而對新的環境條件適應的能力。如此靈活的基因型和表型可能是有性生殖快速的可替代的選擇，也可能是AM真菌生態學成功的關鍵。

AM真菌的基因型隨著環境的變化而改變，環境決定AM真菌的基因型。物種間的相互作用和適應性反饋被認為是在自然界中允許植物和AM真菌物種多樣性共存的機制。研究表明，這一機制也可用于解釋比AM真菌低等的物種，并可在一個AM真菌物種中發現基因型和表型多樣性。甚至，這一機制可作用于AM真菌個體規模，參與AM真菌內部個體基因多樣性的維持。基因交換與分離對孢子的核型含量有重要作用。這些機制在很短的時間內就可以導致子代異常的共生效果。一些新的AM真菌后代由于它們獨有的特異核型，可能比其他的AM真菌更適合改變了的環境，因此，被選擇下來。

異核現象可以通過在很短的時間內創造各種各樣的新的AM真菌子代并篩選出來，這樣可以增強AM真菌的適應性。環境的異質性，如不同的寄主種類，可以影響基因交換和分離形成的不同核型的AM真菌的命運，可以潛在的有助于AM真菌中異核現象的維持。

4 展望

AM真菌是最豐富的植物共生體，可提高植物生產力和多樣性。遺傳物質交換可能對AM真菌在一個變化的環境中快速進化的能力有重要影響，基因交換和重組可能在快速適應異常的環境條件中成為一種重要的方式。接下來的挑戰將是去調查自然界中AM真菌種群融合事件發生的頻率，以及它們是如何通過不同的AM真菌世代廣泛分布的。雖然一些與自然條件有更多相關的原位系統研究已取得重要進展[36-37]，但還缺乏微生態相關的環境來估計融合頻率。另一個研究方向是去調查是否有來自AM真菌的重組是由于隱藏著的有性生殖活動，多個減數分裂基因和假定的性信息素已經在Glomus spp 被證實了[38-39]。

在AM真菌個體中許多基因組共存的個體和它們傳遞的下一代，對基因組進化論的理解有深遠的影響。那么，基因交換和分離是如何影響真菌在植物根內的分布和發育的？一個真菌的不同基因組是如何作用于他們的生態學、進化論和共生效率的？這些問題有待進一步研究來回答。