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(lián)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(yīng)用在園藝、土地復(fù)墾、森林及環(huán)境修復(fù)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(nèi)外在菌根真菌侵染根系過程和相關(guān)機理的研究進展，并指出今后仍需在分子水平上繼續(xù)對叢枝菌根真菌侵染根系的機理進行深入研究。

關(guān)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(xiàn)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(lián)合共生體。這種共生現(xiàn)象在世界各地土壤中廣泛分布，能與菌根形成共生關(guān)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(wǎng)絡(luò)和植物緊密地聯(lián)系在一起，菌根真菌通過菌絲網(wǎng)絡(luò)從植物體內(nèi)獲取必要的碳水化合物等有機營養(yǎng)物質(zhì)來供給自身的生長和發(fā)育，而植物則可以從中獲取由菌根真菌吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)元素和水分等無機營養(yǎng)物質(zhì)來提高自身的營養(yǎng)水平，這種共生關(guān)系有時會發(fā)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(xù)繁殖。一般認為，真菌-植物這種互惠互利的營養(yǎng)關(guān)系使得雙方能夠達到互利互助、互通有無的高度統(tǒng)一。

叢枝菌根真菌在生態(tài)學(xué)和生理學(xué)上均具有其獨特的特點（圖1）。叢枝菌根真菌生態(tài)學(xué)特點主要體現(xiàn)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(jié)構(gòu)，即數(shù)百個細胞核生長在同一細胞質(zhì)中。叢枝菌根真菌生理學(xué)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(fā)并且侵染根系，菌絲穿透根系的皮層進入根細胞內(nèi)，形成菌根真菌獨有的菌絲器官：叢枝和泡囊。后來研究發(fā)現(xiàn)部分菌根真菌并不在根內(nèi)產(chǎn)生泡囊，但一般都形成叢枝結(jié)構(gòu)，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(tài)很少或幾乎沒有發(fā)生變化，用肉眼一般很難區(qū)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(fā)育成泡囊、叢枝、根內(nèi)菌絲或者根內(nèi)孢子等結(jié)構(gòu)，只有經(jīng)染色等技術(shù)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(fā)，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(jié)構(gòu)，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(nèi)產(chǎn)生泡囊，且都形成叢枝結(jié)構(gòu)，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(zhì)互相吸引的過程。Siciliano等[2]將其描述為根外菌絲會產(chǎn)生一種叫做真菌因子（Myc factor）的物質(zhì)，并通過誘導(dǎo)鈣振動（Calcium oscillation）在根表皮細胞中激活與共生體有關(guān)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(jīng)過隨后化學(xué)和機械刺激，菌絲在植物根系細胞內(nèi)產(chǎn)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(dǎo)真菌通過根細胞進入根皮層細胞，并在質(zhì)外體中發(fā)生分枝，沿著根軸線生長，菌絲會誘導(dǎo)類似PPA的結(jié)構(gòu)發(fā)育，并隨后進入皮層細胞形成叢枝結(jié)構(gòu)。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(fù)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(fā)活動是由植物主導(dǎo)信號決定的。即菌根真菌-植物共生體由植物占主導(dǎo)地位。研究已證實，根系的分泌物和揮發(fā)物會抑制或者促進孢子的萌發(fā)，孢子會對環(huán)境中化學(xué)成分的變化產(chǎn)生相應(yīng)的感受反應(yīng)[6]。有研究表明，孢子萌發(fā)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(fā)育受到孢子內(nèi)儲存的碳的限制[7]。而目前研究最多的是主導(dǎo)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(dǎo)分枝因子（Branching factor）產(chǎn)生的信號會誘導(dǎo)孢子萌發(fā)，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(dǎo)植物根細胞中的基因表達發(fā)生變化，從而為菌根真菌的侵入并與根細胞相結(jié)合做好準備（圖2）。目前還不清楚菌根真菌主導(dǎo)的真菌因子的具體化學(xué)成分，研究現(xiàn)已證實，植物主導(dǎo)的分枝因子是由根系分泌物中的獨角金內(nèi)酯來表達的。獨角金內(nèi)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(xié)同作用調(diào)節(jié)和控制植物的側(cè)枝生長，以維持植物的株型。Umehara 等[9]認為，獨腳金內(nèi)酯的雙重生物學(xué)功能表明其在協(xié)調(diào)植物地上部分和地下部分的生長過程中起著關(guān)鍵作用。獨角金內(nèi)酯是一種倍半萜烯化合物，其分子骨架結(jié)構(gòu)由4個環(huán)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(jīng)從很多植物的根中分離出這種物質(zhì)，與獨角金內(nèi)酯合成相關(guān)的基因發(fā)現(xiàn)于所有的高等植物中，其天然產(chǎn)物中主要有5種：5-脫氧獨角金醇（5-deoxystrigol）、獨腳金醇（Strigol）、高粱內(nèi)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(nèi)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(nèi)酯的產(chǎn)生源于胡蘿卜素的裂解產(chǎn)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(nèi)酯的生理作用體現(xiàn)在它能夠誘導(dǎo)菌根真菌根外菌絲的分枝和激活真菌的線粒體，研究發(fā)現(xiàn)真菌細胞呼吸作用在受到誘導(dǎo)后明顯增加，這可能與根外菌絲不斷分裂所需能量有關(guān)。獨角金內(nèi)酯可在皮克或納克水平（pg/ng）上發(fā)揮作用，每個培養(yǎng)皿中含30 pg的5-脫氧獨角金醇的化學(xué)提取物質(zhì)就能誘導(dǎo)珍珠巨孢囊霉（Gigaspora margarita）的菌絲發(fā)生強烈的分枝[13]。

2.2 菌根真菌-植物共生體的共生關(guān)系

菌根真菌-植物共生關(guān)系是研究菌根真菌的基礎(chǔ)，化石資料表明，起源于大約4億年前的這種共生關(guān)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(guān)系也是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的共生關(guān)系之一，它對植物的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)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(guān)系建立在營養(yǎng)物質(zhì)互相交換的基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系[17]。這種菌根真菌網(wǎng)絡(luò)的存在揭示了菌根真菌在不同種類植物之間分配營養(yǎng)物質(zhì)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(yōu)勢地位及在生態(tài)系統(tǒng)中的身份無關(guān)。

研究表明，在植物根中獨角金內(nèi)酯的合成受到植物營養(yǎng)狀況的支配。即寄主植物主導(dǎo)獨角金內(nèi)酯的合成和分泌，當土壤中磷元素缺乏時，獨角金內(nèi)酯的合成會增加，當土壤中磷元素飽和時，獨角金內(nèi)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(yǎng)條件的制約，植物在缺乏營養(yǎng)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(guān)系也受到植物營養(yǎng)狀況的調(diào)控，植物處于營養(yǎng)元素匱乏狀態(tài)下時會促進與叢枝菌根真菌形成共生關(guān)系，反之，菌根真菌與植物之間的關(guān)系有可能演變?yōu)榧纳P(guān)系。陳彩艷等[18]認為獨角金內(nèi)酯調(diào)控植物分枝和真菌共生屬于開源節(jié)流的調(diào)控模式，當土壤中營養(yǎng)元素缺乏時，植物根系會加速合成獨角金內(nèi)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(guān)系，從而利用菌根真菌來改善自身的營養(yǎng)狀況；同時，獨角金內(nèi)酯向葉冠部分輸送以限制植物的分枝來節(jié)約使用有限的營養(yǎng)物質(zhì)用以供給地下菌絲的增殖和擴繁。當植物與真菌的共生關(guān)系形成后，植物的營養(yǎng)狀況會因為植物菌根共生關(guān)系的建立而得到改善，植物也會隨之減少獨角金內(nèi)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(nèi)酯分泌減少而得以控制。試驗證明，西紅柿的獨角金內(nèi)酯在缺磷狀態(tài)下受到磷元素缺乏的誘導(dǎo)，西紅柿根的提取物比磷飽和狀態(tài)下的根提取物更能誘導(dǎo)叢枝菌根外菌絲分枝[19]。

3 小結(jié)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(tài)系統(tǒng)中的“關(guān)鍵共生物”，菌根真菌在土壤貧瘠的條件下，可通過其復(fù)雜的地下菌絲網(wǎng)絡(luò)來提高植物對礦質(zhì)元素和水分的吸收[20]；促進土壤團聚體的形成；在極端環(huán)境下，通過改善寄主自身的營養(yǎng)來增強植物抗逆性的能力；在此基礎(chǔ)上使土壤微生態(tài)環(huán)境得到明顯改善[21]。菌根植物根際分泌大量的化學(xué)物質(zhì)，在數(shù)量上和質(zhì)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(yōu)良的生理生態(tài)特點引起了國內(nèi)外學(xué)者極大關(guān)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(yīng)用在農(nóng)業(yè)、園藝、森林以及環(huán)境修復(fù)，用來增加農(nóng)作物產(chǎn)量和限制農(nóng)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(fā)育的過程，Zocco等[24]分析了菌根真菌新陳代謝和營養(yǎng)物質(zhì)運輸?shù)倪^程。而未來菌根真菌的發(fā)展方向則在分子水平上，目前已有相關(guān)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(guān)系的7種基因，Sally等[26]分析了叢枝菌根和根瘤菌共生關(guān)系基因控制信號傳導(dǎo)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(fā)育并侵染根系機理的本質(zhì)所在。

參考文獻：

[1] GENRE A， CHABAUD M， TIMMERS T， et al. Arbuscular mycorrhizal fungi elicit a novel intracellular apparatus in Medicago truncatula root epidermal cells before infection[J]. Plant Cell，2005，17：3489-3499.

[2] SICILIANO V， GENRE A， BALESTRINI R， et al. Transcriptome analysis of arbuscular mycorrhizal roots during development of the prepenetration apparatus[J]. Plant Physiol，2007， 144：1455-1466.

[3] GENRE A， CHABAUD M， FACCIO A， et al. Prepenetration apparatus assembly precedes and predicts the colonization patterns of arbuscular mycorrhizal fungi within the root cortex of both Medicago truncatula and Daucus carota[J]. Plant Cell，2008，20：1407-1420.

[4] GUS MAYER S， NATON B， HAHLLBROCK K， et al. Local mechanical stimulation induces components of the pathogen defense response in parsle[J]. Proc Natl Acad Sci USA，1998，95：8398-8403.

[5] MOSSE B. The regular germination of resting spores and some observations on the growth requirements of an Endogone sp. causing vesicular-arbuscular mycorrhiza[J]. Transactions of the British Mycological Society，1959， 42：273-286.

[6] BESSERER A， BECARD G， JAUNEAU A. GR24， a synthetic analog of strigolactones， stimulates the mitosis and Growth of the arbuscular mycorrhizal fungus gigaspora rosea by boosting its energy metabolism[J]. Plant Physiology-Plant Physiol，2008， 148（1）：402-413.

[7] BAGO B， PFEFFER P， SHACHAR Y. Carbon metabolism and transport in arbuscular mycorrhizas[J]. Plant Physiology，2000， 124：949-958.

[8] GOMEZ R V， FERMAS S， BREWER P B， et al. Strigolactone inhibition of shoot branching [J].Nature，2008，455（7210）：189-194.

[9] UMEHARA M， HANADA A， YOSHIDA S， et al. Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones[J]. Nature，2008，455（7210）：195-200.

[10] CATHERINE R. Strigolactones， a novel class of plant hormone controlling shoot branching[J]. Comptes Rendus Biologies，2010，333（4）：344-349.

[11] AKIYAMA K， HAYASHI H. Strigolactones： Chemical signals for fungal symbionts and parasitic weeds in plant roots[J]. Ann Bot （Lond），2006，97（6）：925-931.

[12] DAVID R. Plant cytochrome P450s from moss to poplar[J]. Phytochemistry Reviews - Phytochem Rev， 2006，5（2）：193-204.

[13] SOREFAN K， BOOKER J， HAUROGNE K， et al. MAX4 and RMS1 are orthologous dioxygenase-like genes that regulate shoot branching in Arabidopsis and pea[J]. Genes Dev，2003，17（12）：1469-1474.

[14] VAN DER HEIJDEN， KLIRONOMOS J， URSIC M， et al. Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity， ecosystem variability and productivity[J]. Nature，1998，396：69-72.

[15] HORTON T R， VAN DER HEIJDEN. The Role of Symbiosis in Seedling Establishment and Survival. Seedling Ecology and Evolution [M]. London： Cambridge University Press，2008.

[16] SIMARD S W， PERRY D A， SMITH J E， et al. Effects of soil trenching on occurrence of ectomycorrhizas on Pseudotsuga menziesii seedlings grown in mature forests of Betula papyrifera and Pseudotsuga menziesii[J]. New Phytologist，1997，136：327-340.

[17] JAMES D B， BEVER I A， DICHIE E F， et al. Rooting theories of plant community ecology in microbial interactions[J]. Trends in Ecology and Evolution，2010，25（8）：468-478.

[18] 陳彩艷，鄒軍煌，張淑英，等.獨角金內(nèi)酯能抑制植物的分枝并介導(dǎo)植物與樅枝真菌及寄生植物間的相互作用[J].中國科學(xué)C輯：生命科學(xué)，2009，39（6）：525-533.

[19] ELIAS K S， SAFIR G R. Hyphal elongation of glomus fasciculatus in response to root exudates[J]. Appl Environ Microbiol，1987，53（8）：1928-1933.

[20] FROST S M， STAH D D， WILLIAMS S E. Long-term reestablishment of arbuscular mycorrhizal fungi in a drastical disturbed semiarid surface mine soil[J]. Arid Land Research and Management，2001，15（1）：3-12.

[21] 馮 固，楊茂秋，白燈莎. 鹽脅迫對菌根形成的影響及接種VA菌根真菌對植物生長的效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1999，10（1）：77-82.

[22] GIANINAZZI S， SCHUEPP H， BAREA H， et al. Mycorrhizal technology in agriculture： From genes to bioproducts[M]. Basel： Birkhauser Press，2002.

[23] PASZKOWSKI U， JAKOLEVA L， BOLLER T. Maize mutantsaffected at distinct stages of the arbuscular mycorrhizal symbiosis[J]. Plant J，2006，47：165-173.

[24] ZOCCO D， INGRID M， VAN A， et al. Fenpropimorph and fenhexamid impact phosphorus translocation by arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Mycorrhiza，2011，21（5）：363-374.

[25] KISTNER C. Seven Lotus japonicus genes required for transcriptional reprogramming of the root during fungal and bacterial symbiosis[J]. Plant Cell，2005，17：2217-2229.

[26] SALLY E， SMITH F， FACELLI E， et al. Plant performance in stressful environments： Interpreting new and established knowledge of the roles of arbuscular mycorrhizas[J]. Plant and Soil-Plant Soil，2010，326（1）：3-20.