叢枝菌根真菌提高植物非生物脅迫耐受性研究進展

李曉蕓，伊力塔，李彥，劉美華,2

（1.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2.寧海縣浙工大科學技術研究院，浙江 寧海 315600）

逆境脅迫會對植物的生長發育造成有害的影響，非生物脅迫主要是指鹽、重金屬污染、干旱、極端溫度等對植物生長發育產生有害影響的環境脅迫。研究植物對非生物脅迫的響應機制，并用于指導農林業生產、提高植物生產力是當前熱點研究領域之一。叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF或AM真菌），能與地球上近80%陸生植物的根系形成互惠共生體[1]。AM真菌通過與宿主根系形成菌絲網絡，擴大宿主植物根系對水分、營養物質以及其他礦物質元素的吸收面積[2-3]，是植物抗逆的重要手段之一。近年來，越來越多的研究探索了AM真菌與宿主植物的共生機制。研究發現，AM真菌能通過與宿主植物交換碳源，促進宿主植物對氮（N）和磷（P）的吸收，增加植物葉綠素、可溶性糖、脯氨酸的含量，提高植株生產力和抵抗非生物脅迫的能力[2-9]。國內外學者在AM真菌提高植物非生物脅迫方面開展了大量的研究，近年來的相關研究類和綜述類文獻數量不斷增加，但對于最新研究文獻的總結歸類仍需不斷完善[4-9]。鑒于AM真菌的重要性及其在農林業的應用前景，本文從共生機理的國內外最新研究入手，分類闡述在鹽、重金屬、干旱和極端溫度等非生物脅迫條件下AM真菌如何提高宿主植物的耐受性，探討不同脅迫下AM真菌與宿主植物的共生機制，為逆境脅迫下提高植物生產力提供理論參考。

1 AM 真菌與宿主植物的共生機制

AM真菌作為一種古老的土壤真菌，與植物根系的共生關系可以追溯到約4億年前[10-11]。菌根共生是一系列復雜的生物過程，真菌通過發達的根外菌絲形成菌絲網絡，增加根系與土壤的接觸面積，通過介導植物和真菌的養分運輸調節植物的生長發育，對自然生態系統和農業作物生產均具有有益影響[2]。在熱帶森林中，某些根外菌絲（Extraradical mycelium，ERM）的長度可達植物自身根長的13倍，吸收范圍超過自身根系的700倍[3,12]。AM真菌菌絲穿過根系皮層進入細胞內形成叢枝和泡囊，部分形成叢枝結構。龐大的菌絲網絡能夠擴大植物對土壤中N、P等無機養分的吸收，提高宿主植物的水分利用效率，增強植物對非生物脅迫的耐受性，保護宿主免受病原體侵害[13]。同時，AM真菌缺少棕櫚酸合成基因，需要宿主植物合成脂肪酸并作為主要碳源直接傳遞給菌根真菌[14]，獲取宿主植物固定的近20%含碳化合物[15]（圖1）。Tedersoo[16]等認為真菌與宿主之間的“C-P營養交易”中，菌絲體能把來源于宿主植物的碳源以糖、氨基酸、多元醇的形式運輸到土壤中，維持真菌根際微生物群落的生存繁殖。目前，國內外關于AM真菌促進植物營養元素吸收方面已經開展了大量的研究，為探究AM真菌與宿主植物的共生機制、提高植物非生物脅迫的耐受力提供了重要的理論支撐[17-25]。

圖1 AM真菌與宿主植物共生養分交換機制Figure 1 Mechanism of symbiotic nutrient exchange between AM fungi and host plants

1.1 AM真菌促進宿主植物P吸收

P元素是植物生長必需的元素之一，也是植物細胞核酸、磷脂及ATP的重要組成部分；P元素參與植物光合和呼吸作用，在細胞分裂、基因表達調控、物質循環、能量流動和信息傳遞的過程中同樣發揮重要作用[18-19]。土壤中的P元素易被固定，導致P元素利用的空間有效性降低[12]。AM真菌定植宿主后改變土壤根際微環境，這種改變促進了有機P和難溶解P元素的解離，將無效P轉化為有效P，有利于根系直接吸收和菌根間接吸收土壤中的P元素。AM真菌還可以編碼高親和力的P轉運蛋白，使宿主植物通過發達的菌絲吸收土壤中的P元素[12,20-21]。此外，菌根無隔膜結構也有利于P元素的吸收[22-24]，促進宿主植物生長發育。研究表明，接種AM真菌能提高甜葉菊Stevia rebaudiana[25]、玉蜀黍Zea mays[26]、櫸樹Zelkova serrata[27]、澳洲堅果Macadamia integrifolia[28]和紫苜蓿Medicago sativa[29]等植物根系對P元素的吸收，真菌菌絲可能促進了土壤酸性磷酸酶的分泌，促使土壤中的P素分解，有利于植物對P元素的吸收利用[12,30]。AM促進植物吸收P元素是宿主植物獲得營養元素最大的驅動力，這種互惠關系是二者良好共生的堅實基礎[31]。

1.2 AM真菌促進宿主植物N吸收

N元素是植物生長的關鍵營養物質，是細胞的核心組分DNA、RNA和蛋白質的重要組成部分。近年的研究結果發現，AM真菌能夠促進宿主吸收銨態N、硝態N、氨基酸等簡單形態的N[32-33]。土壤中含有較多的有機N，必須經分解者分解后才能被植物利用。研究表明，AM真菌可以從分解的有機物質中獲得大量的N元素。但AM真菌的相關酶基因表達缺陷，不能直接單獨降解土壤有機質（Soil organic matter，SOM）中的礦質養分[34]，必須通過菌絲分泌物刺激土壤中微生物群落的生長，依賴微生物之間的共同作用釋放有機質中的養分[12]。研究表明，AM真菌菌絲具有吸收、轉移N元素至宿主植物或附近植物的能力，N分解吸收速率的增加是AM真菌菌絲擴張的直接結果[35]。Hodge等用15N同位素標記發現，接種菌根真菌的宿主植物N元素的吸收量大約是空白對照的3倍，接種后真菌菌絲而非宿主植物先生長到富含有機質斑塊區域，并在斑塊中旺盛繁殖，約31%的真菌15N來自有機質斑塊，僅小部分被傳遞至宿主植物[36-37]。AM真菌能與大多數植物根系土壤共生，具有較高的N需求，能夠降低土壤溫室氣體N2O的釋放，對全球土壤N循環也具有重要意義[38]。

2 AM 真菌在植物抵抗非生物脅迫中的作用

非生物脅迫（Abiotic stress）是指干旱、鹽堿、極端溫度、極端pH、重金屬污染等不良環境對植物的生長、生物量積累和適應性產生的不利影響，也是全球農林作物生產力下降的主要原因[39]。其中，高鹽脅迫是世界上最嚴重的非生物脅迫之一，損害了全球20%以上的作物，預計在2050年會上升至50%左右，可導致農林產品生產力損失高達70%[40]。非生物脅迫對植物產生嚴重的負面影響，深入探究如何增強植物對非生物脅迫耐受性迫在眉睫。AM真菌作為一種環境友好型真菌，不僅能提高植物生產力，其推廣與使用也是全球氣候不斷變化情況下提高植物生產力的一種可持續發展策略。近年的研究結果表明，AM真菌能夠改善土壤環境，幫助植物緩解非生物脅迫，促進植物生長[41]。因此，AM真菌可作為農業領域非常重要的一種生物肥料菌劑，用于改善植物的生長發育。在鹽、重金屬、干旱和極端溫度等非生物脅迫條件下，研究接種AM真菌的宿主植物在生長形態、營養吸收、生理生化效應、滲透性等多方面產生的變化，探究AM真菌增強宿主植物非生物脅迫耐受性的方式具有重要的意義。

2.1 AM真菌提高宿主植物的鹽脅迫耐受性

鹽堿化是影響植物生長的主要非生物脅迫之一，威脅了世界上近8.31億hm2的農業用地[42]。中國的鹽漬化土地面積約有3 460萬hm2，主要分布在北方干旱、半干旱地區及長江流域[43]。近年來，由于人為的不合理灌溉導致土壤鹽漬化情況日益嚴重[44]。在鹽脅迫下，植物的滲透調節作用、細胞膜系統、光合作用及抗氧化酶體系等會受到相應損傷，植物凈同化率與營養生長降低，植物生長受限[45]。AM真菌植物調節土壤水分是宿主植物抵抗土壤鹽漬化的主要策略之一，可以通過外源菌絲體擴大宿主的水分吸收面積，提高鹽漬化土壤中植物對水分和營養的吸收能力。研究表明，鹽脅迫下接種AM真菌能提高金葉女貞Ligustrum×vicaryi、柑橘Citrus tangerine等植物對土壤中P、K、Ca、Mg、Zn等元素的吸收，增加可溶性蛋白質含量，降低根組織中的Na+、Cl-的積累量，有利于維持植物體內的離子平衡，減輕鹽脅迫產生的毒害作用[43,46]。

AM真菌對宿主植物葉片和根系的水孔蛋白基因表達均具有調節作用，使根系水分調節相關的基因LeAQP2過量表達，促進接種植株根系吸收更多的水分[47-48]。當植物細胞水分充裕時，保衛細胞膨脹打開，對CO2的吸收速率加快，這有利于提高植株光合作用積累有機物，緩解鹽脅迫對植物的影響[49]。此外，鹽脅迫會促進植物活性氧（Relative oxygen species，ROS）的產生，造成植物氧化損傷，干擾植物的正常代謝活動[50]。AM真菌通過誘導植物產生并積累脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調節物質，提高宿主的抗氧化能力，降低H2O2含量，抑制脂質過氧化，提高宿主抗氧化能力，增強植物的鹽脅迫耐受性[49-51]。在稻Oryza sativa[52]、羊草Leymus chinensi[53]、黃瓜Cucumis sativus[17]等植物的研究中均得到類似結果（表1）。目前，在鹽脅迫下接種AM真菌的宿主植物主要是農林作物、模式植物等，對濱海耐鹽堿植物的研究較少，可加強對這類植物的研究。

表1 AM真菌提高宿主植物鹽脅迫耐受性研究結果Table 1 Improvement of tolerance of host plants to salt stress by AM fungi

2.2 AM真菌提高宿主植物的重金屬脅迫耐受性

土壤是重金屬（Cr、Cd、Pb、Hg、Cu、As等）匯集的主要場所。城市化、工業化、采礦業、肥料、農藥過量使用等人為活動加劇了重金屬在土壤中的擴散蔓延，重金屬污染成為一個全球性環境問題[54]。針對中國70%以上土壤調查表明，16.1%的土壤中重金屬含量超過生態環境部規定的質量標準，高達82.4%的農業土壤受不同程度的重金屬污染[55]。重金屬在生物體內不能被降解吸收，經食物鏈富集進入人體后嚴重影響人類健康。在重金屬污染環境中，植物細胞代謝產生大量活性氧，導致DNA損傷和脂質過氧化，線粒體、葉綠體中的電子傳遞鏈受到破壞，影響細胞的正常代謝[56]。重金屬離子積累會導致植物地上部分和地下部分脫落酸含量增加，氣孔關閉，氣體交換受限，植物蒸騰速率降低[57]。高濃度重金屬甚至通過與光合色素相關酶的官能團結合擾亂植物光合作用，破壞植物正常的生理生化特征，影響植物的形態[58]。因此，重金屬離子對植物的毒害問題亟待解決。

菌根共生可增強宿主植物的逆境脅迫耐受性，提高植物修復重金屬損傷的效率。AM真菌的叢枝、泡囊和發達的菌絲網絡等結構可以緩解重金屬導致的植物養分缺失、光合速率降低等問題[59-61]。一般來說，植物主要通過土壤沉淀、吸附在根表面或積累在根內等方法吸收、固定重金屬離子[62]。AM真菌采取了與宿主相似的策略固定重金屬離子，真菌分泌的螯合劑對重金屬有固定作用，利用土壤中的磷酸鹽將重金屬沉淀在土壤中，真菌菌絲不斷向宿主細胞的皮層滲透，菌絲通過與金屬結合降低其損傷。共生菌根較大的表面積對菌絲與重金屬的結合體具有較強的截留作用，菌絲細胞壁中的果膠成分對重金屬離子具有吸附滯留作用，阻止真菌質膜吸收。囊泡與細胞中的液泡作用類似，可通過區室化儲存重金屬螯合物，限制重金屬離子向地上部分的運輸，對植物組織中的重金屬離子起到稀釋的作用，緩解重金屬對宿主植物地上部分的毒害[62-63]。Bago等[64]認為，AM真菌還能介導一系列復雜的信號傳遞，使宿主植物在重金屬脅迫中更好地生存下去。研究表明，AM真菌對重金屬的修復作用還體現在能夠誘導宿主植物產生抗氧化酶，上調相關過氧化酶基因表達，降低重金屬脅迫下活性氧對植株的危害作用[65]。Zhang等[61]發現，在Pb脅迫條件下，接種AM真菌能減輕Pb對蒺藜苜蓿Medicago truncatula光合作用的危害，促進蔗糖從地上部分向根部運輸裂解，增加微量氨基酸的積累，降低Pb脅迫帶來的危害。接種AM真菌也能顯著提高美洲黑楊Populus deltoides對Pb和Cd的富集系數，削弱其向地上部分遷移的能力[66]。在稻[67]、女貞Ligustrun lucidum[22]、普通小麥Triticum aestivum[68]等植物中也得到了類似結果（表2）。

表2 AM真菌提高宿主植物重金屬脅迫耐受性研究結果Table 2 Improvement of tolerance of host plants to heavy metal stress by AM fungi

2.3 AM真菌提高宿主植物的干旱脅迫耐受性

水分是制約干旱和半干旱地區植物生長的主要因素。全球變暖、低降雨量以及高溫導致植物蒸騰速率增加，植物根系對土壤水分吸收增加，進一步加劇了土壤的干旱程度，引起植物氧化應激反應，給植物生長帶來不良影響[72]。

研究表明，AM真菌能夠提高宿主對水分虧缺的耐受性。AM真菌通過菌絲網絡提高宿主植物的抗旱能力。菌絲直徑為2～ 7 μm時，能夠穿透土壤中有機物的顆粒間隙[73]，延伸至根系無法到達的地方，從養分耗竭之外的區域廣泛吸收水分和養分。AM真菌廣泛的菌絲網絡與土壤顆粒纏結，與植物根系協作生成長鏈多糖和蛋白質等胞外化合物影響土壤聚集的物理過程，形成土壤團聚體改善土壤結構，提高宿主根系吸收水分的效率[74-75]。球囊霉素（Glomalin）是AM真菌大量產生的一種糖蛋白，其在土壤中的濃度與土壤團聚體的水穩定性呈正相關，能將水分固定在土壤聚集體中，便于宿主植物吸收水分[76]。另外，與非菌根共生植物相比，AM真菌定植宿主后，宿主植物的葉片水勢、相對含水量（RWC）、氣孔導度、CO2的同化速度等均有所改善。Zarik等[77]研究表明，AM真菌能夠提高大西洋柏木Cupressus atlantica的水分脅迫耐受性，對幼苗地上部高度、生物量和生長率都產生了積極影響。AM真菌提高植株抗旱性與植物體內的抗氧化水平有關，AM真菌共生能增強植株的SOD、POD、愈創木酚等抗氧化酶的活性，抵抗干旱誘導的氧化應激，幫助植物緩解干旱脅迫產生的不利影響[78]。與干旱脅迫下的非真菌化的植物相比，菌根植物中脯氨酸、多胺和可溶性糖等滲透調節物質的生物合成增加，有助于降低滲透勢，維持細胞的整體生理活動，促進光合作用[79]。也有觀點認為，僅代謝物的積累不能滿足干旱脅迫下對滲透的調節，滲透調節物質可能具有替代活性氧清除劑的作用[80]。接種AM真菌后的玉蜀黍[81]、青岡Cyclobalanopsis glauca[82]、任豆Zenia insigni[79]、大豆Glycine max[83]等對干旱脅迫的適應性均得到了提高（表3）。

表3 AM真菌提高宿主植物干旱脅迫耐受性研究結果Table 3 Improvement of tolerance of host plants to drought stress by AM fungi

2.4 AM真菌提高宿主植物的溫度脅迫耐受性

溫度是決定全球植物生產力的重要環境因素之一。植物體內大部分生理生化過程都直接或間接受到溫度的制約。隨著全球變暖，極端溫度愈加頻繁。植物受到高溫或低溫脅迫后，會導致細胞膜結構損傷、電解質和氨基酸滲漏、膜脂質過氧化、蛋白質變性和聚集、細胞內鈣離子重新分布、葉綠體中酶失活、有毒化合物及ROS的產生等問題[86]。

在高溫脅迫下，接種AM真菌能增加番茄葉和根的數量，提高冠幅、葉面積、葉片相對含水量，緩解高溫脅迫產生的不利影響[87-88]。在低溫脅迫下，接種AM真菌能提高玉蜀黍植株的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，增加地下部分的比例，通過改善水分狀況和光合能力使宿主植物免受溫度脅迫的影響[89-90]。研究表明，在低溫和高溫條件下，接種AM真菌植物具有更高的葉綠素和類胡蘿卜素濃度，從而增強光合作用[89]。根系水分吸收和傳導受水孔蛋白控制，正常溫度和低溫脅迫下AM真菌不僅調節自身的水孔通道蛋白活性向宿主轉運更多的水分，而且還通過調節植物水通道蛋白基因表達改善宿主的水分轉運[91]。在低溫脅迫下，接種AM真菌還可以降低宿主植物的膜電解質通透性[90]；減輕脂膜過氧化，維持膜的流動性。此外，植物受到低溫或者高溫脅迫時，也會誘發過量ROS產生，引起氧化應激反應損傷植物，通常AM真菌定植宿主植物后能有效促進SOD、過氧化氫酶（CAT）、POD和GR等產生，緩解活性氧帶來的危害，并通過降低膜脂過氧化和膜通透性，增加滲透調節物質的積累，減輕溫度脅迫產生的不利影響[92-93]（表4）。

表4 AM真菌提高宿主植物溫度脅迫耐受性研究結果Table 4 Improvement of tolerance of host plants to temperature stress by AM fungi

3 結論與展望

AM真菌與植物根系共生，形成廣泛的菌絲網絡，宿主將光合作用固定的碳源輸送給真菌，同時，菌根共生促進了植物對N、P等營養元素及其他元素的吸收。在鹽、重金屬、干旱、極端溫度等非生物脅迫中，接種AM真菌的宿主植物光合作用增強、營養元素吸收量增加、水分利用率提高，緩解了植物受到的不利影響[98-99]。

然而，對AM真菌的研究還存在許多不足之處，需要在后續研究中繼續加強。AM真菌種類及數量豐富，形態結構不一；對某種特定真菌的研究，需要對真菌進行純化培養；現階段對菌種使用主要集中在實驗研究領域，使用量較小，仍需要努力探索這一“天然肥料”的大規模純化培養技術并加以推廣。不同宿主植物的共生菌種不同，因此，真菌的篩選與鑒定也是AM真菌研究過程中需要深入研究的課題。對于菌根共生機制還需深入探究，特別是AM真菌對植物在抗逆過程中代謝產物、轉錄因子、相關蛋白及通路、基因表達變化等的影響[100]。國內外關于AM真菌提高植物非生物脅迫耐受性的研究已經取得重大成果，但目前研究主要針對少數幾種AM真菌，不同的AM真菌具有不同的作用機制，因此，還不能完全闡述其作用機制。此外，自然界中的真菌類群不是單一存在，各種群之間的關聯尚不明確，需進一步進行研究。需要從土壤-AM真菌-植物這一整體出發，系統地研究菌根共生體，深入探究共生體的作用機理，為農林業系統的可持續發展提供理論依據。綜上所述，需在各個層面深入研究AM真菌，以進一步研究其作為生物肥料的可能性，推動農林業的可持續發展。