藺吉祥,楊雨衡,王英男,閆曉亮,邵 帥,閻秀峰
(1.東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150040;2.東北師范大學 草地科學研究所/植被生態(tài)科學教育部重點實驗室,吉林 長春 130024;3.哈爾濱電力職業(yè)技術學院,黑龍江 哈爾濱 150040)
叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是自然界中廣泛分布的一類真菌,能與80%以上的陸生維管植物形成共生菌根[1-3]。叢枝菌根真菌將吸收的水分與礦質營養(yǎng)傳輸給宿主植物,而作為回饋,植物將光合作用合成的碳水化合物以己糖的形式輸送給AM真菌作為碳源[4-6],這種共生關系不僅增強了植物對營養(yǎng)的吸收,也在一定程度上提高了其抵御逆境脅迫的能力[7]。
20世紀中葉以來,隨著化石燃料的大量燃燒、氮肥的過量生產與使用以及畜牧業(yè)迅猛發(fā)展等人類活動的增強,大氣中的氮化物含量激增,由氮沉降所導致的土壤氮素含量增加也帶來了一系列嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題,其對陸地植物的影響也越來越受到學者們的關注[9,10]。氮是植物生長發(fā)育的主要限制因子,然而植物對氮的需求量與同化能力是有限的,當?shù)剡^量輸入時,植物體內氮代謝酶活性及氮同化物積累過程會發(fā)生改變,并最終影響植物的生長[11,12]。與此同時,由氮沉降引起的植物變化也將對共生的AM真菌產生顯著的影響[13-15]。事實上,多數(shù)植物是以植物-菌根共生體形式存在于生態(tài)系統(tǒng)中。因此,為了進一步理解大氣氮沉降對植物-叢枝菌根共生體的影響,從氮沉降對菌根侵染特性、菌根多樣性、菌根對宿主植物生長發(fā)育、氮代謝、磷吸收以及對宿主植物生物多樣性影響等方面對以往研究進行了歸納總結,并提出應重點關注的研究方向,旨在為菌根生理生態(tài)學的研究提供一定的科學依據(jù)。
一般來說,AM真菌的根外菌絲可以從環(huán)境中吸收和同化各種氮源,同時將其傳遞給植物促進其生長。當土壤有效氮含量過高時,就會造成NO3-的還原產物NO2-積累,并對宿主植物造成一定傷害,進而影響菌根的侵染[15],而當土壤有效氮含量過低時,植物會依賴AM真菌吸收氮素。有報道說,植物提供碳水化合物給AM真菌所消耗的成本要低于自身吸收氮素所消耗的成本,為了達到最高的能量利用效率,植物會依賴AM真菌吸收氮素。因此,隨著土壤有效氮含量的增加,植物吸收氮素的成本降低,對AM真菌的依賴性就會減弱,使菌根的侵染受到影響[16]。氮沉降對AM真菌侵染的影響也會隨宿主植物、菌種、氮沉降水平及氮源的形態(tài)不同而產生一定差異,并且至今尚無一致的定論。盧彥琦等[17]以白術(Atractylodes macrocephala)為供試材料,非滅菌土為生長基質,利用盆栽試驗研究了在不同氮水平下,接種摩西球囊霉(Glomus mosseae)對白術生理特性的影響。結果表明,G.mosseae能夠與白術形成良好的共生關系,氮含量0.30~0.45g/kg時,接種G.mosseae能夠顯著提高菌根侵染率,且0.45g/kg時侵染率最高,當?shù)坷^續(xù)增加時,菌根侵染率反而降低。在對黃芪(Astragalus membranaceus)的研究中,也同樣發(fā)現(xiàn)AM真菌侵染率隨著氮含量的增加呈先上升后下降的趨勢[18]。以珍珠巖為培養(yǎng)基質接種摩西球囊霉研究了不同氮含量對玉米的影響,結果表明,AM真菌侵染率隨著外界氮濃度的升高而下降。在對不同雜草功能類群對模擬氮沉降的響應的研究發(fā)現(xiàn),不同植物的菌根侵染率在氮沉降增加條件下有不同的響應,其中,早熟禾(Poa annua)、婆婆納(Veronica didyma)、鼠曲草(Gnaphalium affine)、白車軸(Trifolium repens)的菌根侵染率顯著下降,北美車前(Plantago virginica)、酢漿草(Oxalis corniculata)、天藍苜蓿(Medicago lupulina)菌根侵染則有微小的上升,但沒有達到顯著水平,說明不同植物種類的菌根在氮沉降增加條件下會產生不同響應[19]。目前,有關氮沉降對不同AM真菌侵染特性影響的研究大部分局限于球囊霉屬,而對非球囊霉屬的AM真菌關注較少,有待于今后進一步研究。
氮沉降所引起的土壤氮含量增加會對叢枝菌根真菌的多樣性及其生態(tài)功能產生重要影響。Treseder[14]在研究菌根真菌多樣性對氮沉降響應的結果得出,氮含量增加可使菌根真菌的豐富度減少15%。與Treseder結果相似,Warburton[13]在氮沉降對不同種屬叢枝菌根真菌影響的研究發(fā)現(xiàn),隨著氮含量的提高,AM真菌的群落組成以及豐富度顯著降低,并且在不同種屬的AM真菌中產生明顯的選擇性抑制。與球囊霉屬相比,盾巨孢囊霉屬(Scutellospora)和巨孢囊霉屬(Gigaspora)孢子的萌發(fā)受到了顯著的抑制,主要原因為AM真菌孢子的萌發(fā)需要大量的光合產物,當宿主植物處于土壤氮素富集狀態(tài)時,會把更多的光合產物分配到植物的地上部分使菌根生長受到限制[20],同時由于不同AM真菌對光合產物有著不同的需求,因此,對于光合產物需求較大的盾巨孢囊霉屬和巨孢囊霉屬AM真菌在氮沉降狀態(tài)下的發(fā)育受到抑制[21],而相同條件下產生小孢子的球囊霉屬AM真菌能夠更加有效的利用有限的光合產物,這也是在氮沉降背景下AM真菌多樣性降低同時對不同種屬AM真菌產生選擇性抑制的主要原因。
在自然界和農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,氮素往往是限制植物生長的重要因素[22-24]。在氮水平較低時,不論是否與AMF形成共生關系,植物均能良好地吸收并利用氮素[25]。隨著氮水平的升高,NH4+濃度相應升高會對植物根系以及共生體的根外菌絲產生毒害,從而對宿主植物生長發(fā)育產生影響。另外,由于銨態(tài)氮由菌根吸收后須立即在根中同化,這一過程耗費大量的碳水化合物,是對宿主植物生長發(fā)育產生影響的另一個原因[26]。在不同氮水平下接種AM真菌對加拿大一枝黃花(Solidago canadensis)生長的影響研究發(fā)現(xiàn),在中氮[24g/(m2·a)]和高氮[(48g/(m2·a)]水平下,是否接種AM真菌對其生物量沒有顯著影響,而在低氮[12g/(m2·a)],接種 AM 真菌比未接種處理的葉片數(shù)和總重均高出2倍以上[27]。由此可見,在低氮條件下AM真菌對加拿大一枝黃花幼苗生長和生物量積累起到促進作用。盧彥琦等[28]研究發(fā)現(xiàn),氮含量對于接種株生物量的影響隨氮含量的增加而上升,在0.15g/kg水平達到最大值,此后隨氮含量的增加而下降。這與前 人的研究結果基本一致[20,29,30],說 明適度的氮沉降有利于植物-叢枝菌根的共生,當?shù)两邓嚼^續(xù)增加則會對宿主植物生物量的積累產生消極影響。
AM真菌與植物建立共生關系后,植物可以通過根系和AM根外菌絲吸收氮素,其中,菌絲吸收氮素占植物總氮的30%,說明菌絲體存在一套氮代謝系統(tǒng)[31]。根外菌絲吸收土壤中不同形態(tài)的氮素,并通過一系列反應生成精氨酸,精氨酸沿著根外菌絲進入根內菌絲中分解釋放出無機氮,無機氮穿過根內菌絲進入宿主植株根系,繼而被宿主利用[32,33](圖1)。
圖1 叢枝菌根共生體中氮的吸收、代謝和運輸模型[33]Fig.1 Working model of N uptake,metabolism and transfer in the AM symbiosis
從土壤中吸收的無機氮(氨態(tài)氮或硝態(tài)氮)首先在真菌的作用下轉化成有機的氨基酸-精氨酸(Arg),并在菌絲體內運輸,傳遞到內生菌絲后釋放出無機氮(銨態(tài)氮)給宿主植物細胞,完成了傳氮去碳的過程[34-36]。隨著氮沉降水平的不斷提高,土壤中可被菌根植物吸收的氮素增加,同時氮沉降的增加也會使土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例發(fā)生變化,這些變化將會對植物-叢枝菌根共生體中氮素吸收、代謝和轉運過程中涉及的相關基因表達和酶活性產生影響。
銨轉運蛋白(AMTs)是一種廣泛存在于微生物、植物細胞及動物細胞膜上參與氮代謝的一種重要的銨離子轉運載體。Sally Koegel[37]對模擬氮沉降并接種G.mosseae的高粱根系AMT家族研究發(fā)現(xiàn),隨著氮含量提高SbAMT4基因表達量顯著下降。在接種R.irregularis的水稻根系氮含量對銨轉運蛋白轉錄調節(jié)的研究中也發(fā)現(xiàn)類似結果,OsAMT1、OsAMT2和OsAMT3共3個基因對于氮沉降極其敏感并且與施氮量成負相關[38]。氮沉降對于AMTs家族基因表達的影響在其他AM共生體當中也均有報道[39-41]。另外,氮沉降對于菌根植物氮代謝的影響也涉及其他氮代謝相關基因的表達,谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)是氮素同化過程中的關鍵酶。GS/GOGAT偶聯(lián)形成的循環(huán)[42],是高等植物氨同化的主要途徑,在無機氮轉化為有機氮的過程中起關鍵作用[43,44]。Pérez-Tienda研究發(fā)現(xiàn),在高氮處理下植物根系中GOGAT1基因表達量比對照組明顯降低,同時GOGAT2基因表達量比對照組提高近70倍[38],說明GOGAT2在水稻根系處于高氮環(huán)境時對氮素的吸收起著重要作用,該結果在其他類似試驗中也得到驗證[45,46]。植物對于氮素的吸收包含兩種類型的吸收系統(tǒng)即低親和性轉運系統(tǒng)(LATS)與高親和性轉運系統(tǒng)(HATS)[47]。當土壤中可利用氮素增加到一定程度時,叢枝菌根共生體氮代謝途徑中編碼關鍵酶的基因表達發(fā)生變化從而對氮代謝進行調節(jié),使共生體在不同的氮素轉運系統(tǒng)間進行轉換[48,49]。目前,研究表明,氮沉降對共生體氮代謝的研究僅針對少數(shù)關鍵酶進行了討論,而關于氮沉降對共生體氮代謝整體影響以及機理的研究報道較少,今后應進一步重視。
植物對土壤中的磷素利用率很低,其原因是大部分的磷以有機磷及復雜難溶性鹽的形式存在,限制了植物對土壤磷的有效利用[50]。植物與AM真菌形成共生關系后能夠大幅度提高共生體對磷元素的吸收能力,這種能力的改變會因物種的不同以及植物的生存環(huán)境而有所差異[51,52],與 AM 真菌共生后,植物對營養(yǎng)元素的吸收可以通過根毛進行,還可以通過AM幫助植物進行養(yǎng)分的吸收。一般來說,在低磷條件下菌根植物的磷吸收能力可以達到非菌根植物的10倍。賀學禮等[53]在對不同氮水平下接種叢枝菌根對黃芪不同部位磷含量的研究中報道,接種株地上部磷含量一直隨氮含量增加而增加,根中磷含量隨氮含量增加而減少,而有關叢枝菌根真菌和氮含量對茶樹(Camellia sinensis)影響研究發(fā)現(xiàn),隨著氮含量增加,茶樹葉片和根系中磷的含量也不斷增加,0.53g/kg氮時接種處理的葉片和根系磷含量最高,當?shù)坷^續(xù)增加時接種AM真菌的茶樹葉片和根中磷含量則降低[54],這與AM菌根和施氮量對五味子磷吸收影響的研究結果一致[55],表明在一定范圍內氮沉降能夠促進菌根植物的生長,一方面由于氮沉降對于宿主植物生長的促進作用提高了其對磷元素的需求,另一方面由于接種AM真菌后能夠促進磷元素的吸收,使葉片全磷含量提高,促使葉綠素含量增加,有利于光合磷酸化等許多與光合作用有關的生理反應正常進行,并最終促進宿主植物的生長。
氮沉降會引起陸地生態(tài)系統(tǒng)植物的生物多樣性降低,主要由于氮沉降增加了土壤營養(yǎng)空間的均一性,更多的物種為同一限制性資源競爭,從而降低物種多樣性。同時,隨著某一物種的喪失,生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的原有結構被破壞,保存養(yǎng)分的能力也隨之降低,從而對另一物種的存在造成威脅[56,57]。而AM真菌的菌絲能夠將生態(tài)系統(tǒng)中一些沒有密切親緣關系的植物聯(lián)系在一起,形成菌絲橋并且進行物質和信息交流[58],菌絲橋在植物之間可以雙向傳遞C、N、P等物質,從而影響生態(tài)系統(tǒng)中的資源配置,并且不同植物種間共享的菌絲橋可雙向傳遞碳水化合物[59,60]。因此,AM真菌可以通過改變競爭作用的強度和方向來調節(jié)植物群落的組成和外來種的競爭能力,還可以通過不同植物對AM真菌的依賴性差異來影響植物間的相互作用,對不同物種獲得的資源進行平衡調節(jié),降低某些物種的優(yōu)勢度,促進更多物種共存,從而在氮沉降背景下對宿主植物多樣性產生影響[61,62]。
已有研究發(fā)現(xiàn),氮沉降導致土壤氮有效性提高,影響到菌根進而對入侵植物與本地植物的競爭產生影響[63]。在對陸稻(Oryza sativa)與無芒稗(Echinochloa crusgalli)競爭關系的研究發(fā)現(xiàn),無AM真菌條件下陸稻的生物量受氮沉降增加的影響并不明顯,而無芒稗的生物量受到顯著的促進作用,從而使得陸稻和無芒稗的生物量比值顯著下降,陸稻和無芒稗在接種AM真菌條件下對氮沉降的響應與無AM真菌條件下有所差異。接種AM真菌的條件下,氮沉降的增加使得無芒稗的生物量增加的同時,也提高了陸稻的生物量,特別是根部生物量有著顯著的提高。因此,在氮沉降背景下接種菌根有效地影響陸稻與無芒稗的競爭關系,AM真菌對植物間的相互作用的調節(jié),提高了陸稻對生態(tài)系統(tǒng)中資源的獲取,降低了無芒稗的優(yōu)勢度[64]。Bradley等[65]的試驗結果表明,草地生態(tài)系統(tǒng)中氮增加會降低真菌與細菌的比率,使AM真菌的豐富度下降,并且會改變AM真菌與植物間的關系[66]。AM真菌能夠調節(jié)植物間相互作用,對不同物種獲得的資源進行平衡調節(jié),降低某些物種的優(yōu)勢度,促進更多物種共存,從而增加生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性。但目前對氮沉降條件下AM真菌如何調節(jié)植物群落的研究還相對較少,其機制有待進一步證實。
叢枝菌根在提高宿主植物礦質元素吸收、水分運輸、抗逆性,改善植物品質與產量等方面起著重要作用,但其對植物的有益作用受土壤可利用氮素的影響較大,而氮沉降則是影響土壤可利用氮素含量的一個重要因素。綜合分析發(fā)現(xiàn),目前,有關氮沉降對植物-叢枝菌根共生體影響的研究關注較少,有關氮沉降對AM菌根共生體影響的諸多機制還并不明確,已報道的生理研究也多集中于宏觀水平,缺乏對分子機理的深入認識,今后的研究需要在以下幾個方面進一步深入:
(1)利用基因芯片技術檢測菌根植物體內受氮沉降引發(fā)的基因表達水平的變化,同時要充分考慮宿主植物的種類、相關基因的組織定位以及植物的生長階段,以便更確切地分析氮沉降對叢枝菌根與宿主植物相互作用的影響機制。
(2)利用分子生物技術,克隆由氮沉降所引發(fā)表達水平發(fā)生變化的宿主植物相關基因并明確其基因功能,從而探明氮沉降對植物-叢枝菌根共生體的直接影響。
(3)結合蛋白質組學與代謝組學研究手段,在蛋白與代謝層面解析氮沉降對叢枝菌根與宿主植物相互作用影響方面的分子基礎,深入解析氮沉降對植物-叢枝菌根共生體的影響。
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