叢枝菌根真菌提高植物抗病機理研究進展

吳強盛

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

叢枝菌根真菌提高植物抗病機理研究進展

吳強盛

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

叢枝菌根真菌能與絕大多數(shù)植物建立互惠共生關(guān)系，幫助植物吸收水和礦質(zhì)營養(yǎng)。通過分析叢枝菌根真菌能夠提高植物抗病蟲能力的現(xiàn)象，從胞壁的機械屏障、抗性物質(zhì)以及位點上的競爭等方面綜述了叢枝菌根真菌提高植物抗病機理的進展。

叢枝菌根；抗性物質(zhì)；抗病機理

叢枝菌根是一類與植物根系緊密結(jié)合共生的互惠互利復(fù)合體，大約80%的植物都可見叢枝菌根結(jié)構(gòu)，形成叢枝菌根的真菌稱為菌根真菌。寄主植物通過轉(zhuǎn)運自身制造的20%光合碳水化合物給叢枝菌根以促進其生長和發(fā)育，另一方面叢枝菌根通過根外發(fā)達菌絲及其他作用機制給植物提供礦質(zhì)營養(yǎng)和水分，促進植物生長，增強對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，特別是難溶性磷，達到互惠互利共生[1]。

自然界存在大量的病原真菌和細菌，但它們一般都較難侵染植物，因為這種植物可能不是它的適宜寄主，或者植物本身具備很強的抗性，或者植物被叢枝菌根侵染，產(chǎn)生了位點的競爭和增強抗性物質(zhì)代謝。菌根化植物較非菌根化植物具有一個明顯的優(yōu)勢，即擁有一些特殊的個體渠道來抵抗逆境[2]。叢枝菌根與園藝植物抗病性研究起步稍晚，始于1968年Safir[3]對洋蔥根系紅腐病接種Glomusmosseae的研究。以后才逐步認識、研究叢枝菌根與各種園藝植物土傳真菌病害和線蟲病害的關(guān)系，并探討了相關(guān)的作用機理。

1 叢枝菌根真菌提高植物抗病和抗蟲的現(xiàn)象

1.1 線蟲

土壤中存在各種線蟲，嚴(yán)重危害植物的生存，接種叢枝菌根真菌明顯抑制線蟲在寄主植物上的侵染。Pinochet等[4]對櫻桃李29C實生苗進行線蟲Pratylenchusvutnus和叢枝菌根真菌的互作效應(yīng)，結(jié)果表明接種菌根真菌對線蟲危害的櫻桃李每克根系線蟲數(shù)量沒有影響，接種線蟲顯著降低菌根侵染率，接種G.intraradices通過增加植物營養(yǎng)吸收和促進生長來增強櫻桃李的抗線蟲能力。李海燕等[5]的試驗表明，接種菌根真菌能不同程度地抑制南方根結(jié)線蟲(Meloidogyneincognita)的發(fā)生發(fā)展，降低根圍土壤中二齡幼蟲數(shù)量、卵塊直徑、平均每克卵塊的卵量及平均每克葡萄根系上的數(shù)量，且先接種菌根真菌后接種南方根結(jié)線蟲的防效比兩者同時接種更好。對于已感染線蟲的植物再接種叢枝菌根真菌，則沒有明顯的防治效果。

叢枝菌根真菌不僅在接種菌根的線蟲中可以看到，在未接種的線蟲中也可見。對定殖于大豆胞囊的真菌進行研究發(fā)現(xiàn)，一些胞囊內(nèi)含有叢枝菌根真菌的厚垣孢子和菌絲，不同的胞囊的叢枝菌根真菌不同，被叢枝菌根定殖的胞囊中一般是沒有卵，說明大豆胞囊線蟲和卵不是叢枝菌根真菌的主要寄主或者完全寄主[6]。

這些結(jié)果充分說明，叢枝菌根真菌能提高植物的抗蟲能力，但是這種效果只居于寄主植物未感染線蟲之前。

1.2 土傳真菌病害

自1968年Safir[3]首先對洋蔥土傳病害進行研究以來，人們已經(jīng)在柑桔、桃、草莓、大豆、西瓜等園藝作物進行研究。李敏等[7]在大田條件下對西瓜枯萎病進行接種菌根真菌試驗，結(jié)果表明供試的叢枝菌根真菌都顯著地降低西瓜枯萎病地發(fā)病率、病情指數(shù)和死株率。胡正嘉等[8]對棉花枯萎病進行菌根接種研究，結(jié)果是G.mosseae減輕棉花枯萎病的發(fā)生，病情指數(shù)較對照降低20%左右，達到顯著水平。棉花枯萎病菌(Fusariumvasinfetum)不影響G.mosseae和G.intraradices對棉花根系的菌根侵染。另有試驗表明，菌根化茄子感染枯萎病后始花期推遲，發(fā)病時間延遲等。

不同的菌根真菌對土傳真菌的作用表現(xiàn)很大的差異。如G.intraradicesd對棉花枯萎病的發(fā)生無任何影響，而G.mosseae則減輕枯萎病的發(fā)生。這可能是在“菌根真菌-植物病原菌-植物”的三元嵌合體中，由于3者的相互作用、相互抑制的關(guān)系，每一個三元嵌合體的組合都有其特異性。因此在尋找防治某一種土傳病害真菌的有效叢枝菌根真菌時，必須考慮對每一個三元嵌合體進行單獨的比較試驗，不能因為菌根真菌沒有專一性而忽略該點[8]。

2 叢枝菌根真菌提高植物抗病的可能機理

2.1 胞壁的變化

病原菌侵染植物根系進入植物內(nèi)部首先必須通過細胞壁進入細胞中。當(dāng)菌根真菌侵染植物表皮細胞后，可以發(fā)現(xiàn)圍繞菌絲的寄主細胞胞質(zhì)膜附近胞壁物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的積累，內(nèi)皮層代謝旺盛，靠近菌絲的細胞器和細胞質(zhì)明顯增殖。細胞壁的變化還體現(xiàn)在細胞壁富含羥基脯氨酸的糖蛋白的變化。當(dāng)病原菌侵染菌根植物時，這些定位于叢枝周圍的特殊糖蛋白立即啟動快速防御反應(yīng)，使細胞壁的強度加大，且將細胞壁中的纖維素、半纖維素包裹起來，避免病原菌的分解，產(chǎn)生機械屏障作用，從而提高對病原菌的防衛(wèi)作用，使菌根化細胞進行正常的生理生化代謝[9]。

除了叢枝菌根真菌的結(jié)構(gòu)存在影響寄主植物胞壁的結(jié)構(gòu)外，叢枝菌根真菌的細胞壁本身也有一些物質(zhì)的存在起抑制病原菌的作用。初步證據(jù)證明，一些叢枝菌根真菌(Glomus屬)的細胞壁至少存在β-1,3-葡聚糖。在Gigaspora或者Scutellospora中則不存在。β-1,3-葡聚糖被定位在根生菌絲和芽管的內(nèi)壁，在孢子的細胞壁也存在[10]。β-1,3-葡聚糖為細胞壁的結(jié)構(gòu)成分，其在菌根真菌內(nèi)的存在至少可以說明菌根真菌抵抗病原菌有一定屏障作用。

2.2 植保素

植保素(Phytoalexins)是植物受病原菌侵染產(chǎn)生的一類低分子量抗病原菌的化合物，其產(chǎn)生的速度和累積的量與植物抗病性有關(guān)，主要包括酚類植保素(綠原酸、香豆素等)、異黃酮類植保素(豌豆素、菜豆素、大豆素等)和萜類植保素等。一般植保素僅僅是局限在受侵染細胞周圍積累，起屏障隔離作用，防止病原菌進一步的擴散[11]。Hanne等[12]認為，G.intraradices可以誘導(dǎo)根系植保素的防御反應(yīng)，一旦菌根侵染了根系組織則誘導(dǎo)植保素的這種反應(yīng)。接種菌根真菌的苜蓿萌芽后14 d和18 d，其根系苯丙氨酸銨基裂解酶mRNA的相對量高出對照2倍，苯基苯乙烯酮異構(gòu)酶mRNA的相對水平在萌芽后14 d和17 d較對照增加6倍。因此，叢枝菌根真菌能通過誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生植保素，提高植物抗病性。

2.3 酚類化合物

菌根發(fā)育的幾個步驟可用來解析與酚類化合物相關(guān)：(1)菌根真菌與根的初接觸觸發(fā)非特異性的防衛(wèi)機制；(2)特異地活性抑制植物生長素的合成；(3)叢枝菌根叢枝老化時，由于叢枝的裂解導(dǎo)致植物生長素的觸發(fā)和真菌細胞壁成分的釋放[13]。Hanne等[14]對苜蓿接種菌根真菌發(fā)現(xiàn)，類黃酮在苜蓿接種菌根的早期就大量積累，主要是植物根際叢枝菌根真菌的存在導(dǎo)致。最近的一項研究表明，菌根與非菌根化的棕櫚在感染了Fusariumoxysporum之后酚類化合物在定性上沒有顯著不同；但是，菌根化植株體內(nèi)羥基肉桂酸的衍生物大量積累，從而提高了菌根化棕櫚抗Fusariumoxysporum的能力[15]。

木質(zhì)素是酚類化合物的聚合物，苯丙氨酸解氨酶(PAL)是其形成的關(guān)鍵酶，PAL的活性可以作為植物抗病性的一個生理指標(biāo)。接種菌根的苜蓿在早期就表現(xiàn)出PAL活性的增強，其強度與菌根侵染一致。當(dāng)PAL活性達到最大后才降低到非菌根化植株的水平[14]。此外，接種G.monosporus、G.deserticola、G.clarum和菌根混合物處理誘導(dǎo)棕櫚多酚氧化酶活性增強，從而抑制巴尤德(bayoud disease)病害的發(fā)生[16]。

2.4 乙烯

乙烯的釋放影響植物的衰老和抗病性的強度。在低磷條件(0.5 mmol/L NaH2PO4)下菌根化馬鈴薯無論ACC存在與否其ACC氧化酶活性都較對照降低，被叢枝菌根真菌感染的位點其ACC氧化酶活性受到抑制，而且，對感染的根段進行提取，在過濾物中含有乙烯產(chǎn)生的抑制劑，可能是與酚類化合物有關(guān)，尚待鑒定[17]。

2.5 幾丁質(zhì)酶

幾丁質(zhì)酶是能夠水解許多病原菌細胞壁主要成分之一的幾丁質(zhì)的酶，此酶在高等植物中普遍存在。在植物感病后，酶的活性迅速增加，對病原菌的幾丁質(zhì)進行水解破壞，故可起到防衛(wèi)作用[11]。接種菌根真菌的苜蓿在發(fā)芽后的第13 d和16 d較非菌根化植株體內(nèi)幾丁質(zhì)酶表現(xiàn)出很高的活性，在第19 d幾丁質(zhì)酶活性降低到低于非菌根化植株直到試驗結(jié)束[14]。

2.6 病程相關(guān)蛋白

當(dāng)病原微生物侵染植物時，在寄主的被接觸部位或者是新生長部位會形成一種或多種蛋白質(zhì)，它是在專一病理條件下誘導(dǎo)合成的，故命名為病程相關(guān)蛋白(PRs)[11]。Liu等[18]在菌根化棉花體內(nèi)獲得這種病程相關(guān)蛋白，其量多于棉花黃萎病菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的量。

2.7 競爭作用

叢枝菌根真菌侵染植物根系是從根冠向上4 cm 以內(nèi)的任何部位侵入皮層細胞，然后定殖和擴展。病原菌如棉花枯萎病病菌(Verticilliumdahliae)在距離根冠0.5～2.0 cm區(qū)域侵入和定殖的最多。在一定的條件下叢枝菌根真菌和病原菌相互在侵染區(qū)域抑制對方的侵染。對叢枝菌根真菌和病原菌不同順序、時間和部位的接種處理得到的結(jié)果是叢枝菌根真菌與病原菌對根系侵染位點具有競爭作用[19]。在苗床上，G.fasciculatum接種顯著限制了病原真菌Pythiumaphanidermatum在沉香根系組織中的發(fā)展，這正是由于叢枝菌根真菌先侵染根系位點所致[20]。

叢枝菌根真菌的競爭作用還表現(xiàn)在根結(jié)線蟲上。葡萄接種南方根結(jié)線蟲增加了G.versiforme和Gigasporamargarita的根內(nèi)泡囊和入侵點數(shù)量.先接種叢枝菌根真菌后接種南方根結(jié)線蟲的處理具有較強的提高葡萄植株的生長發(fā)育，增強光合作用能力及抑制線蟲繁殖體數(shù)量的作用，而同時接種叢枝菌根真菌和南方根結(jié)線蟲的處理在這幾方面表現(xiàn)較差，這些表明叢枝菌根真菌在根系上侵染擴展的部位與南方根結(jié)線蟲等內(nèi)寄生線蟲占據(jù)的部位相同，存在空間的競爭。此外兩者也可能存在養(yǎng)分競爭[5]。

3 結(jié)語

叢枝菌根真菌與植物病害的研究正處于方興未艾的時刻，目前已成為叢枝菌根生理研究部分的熱點，已經(jīng)從叢枝菌根真菌與病原菌互抑的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化方面進行了研究，認為叢枝菌根真菌一方面對胞壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生機械屏障作用；另一方面改變根系生理生化過程，如誘導(dǎo)產(chǎn)生酚類物質(zhì)、幾丁質(zhì)酶、病程相關(guān)蛋白來降解或抑制病原菌。這些研究結(jié)果僅僅是局限于生理生化的報道，在細胞與分子水平尚缺乏報道，這將是未來研究熱點。

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2009-11-19

農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點開放實驗室開放課題(2009k20)

吳強盛(1978-)，男，江西臨川人，農(nóng)學(xué)博士，副教授，主要從事果樹菌根研究.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.02.021

Q938.1

A

1673-1409(2010)02-S072-04