不同生境外生菌根真菌對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)

周志峰, 王明霞, 袁　玲, 黃建國

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶　400716

?

不同生境外生菌根真菌對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)

周志峰, 王明霞*, 袁玲, 黃建國

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶400716

摘要:以南北方不同生境下的10株外生菌根真菌為研究對(duì)象,采用液體培養(yǎng)的方法,研究了鋁對(duì)不同菌根真菌的生物量、有機(jī)酸分泌及養(yǎng)分含量的影響,以期篩選出抗鋁性強(qiáng)的優(yōu)良菌株,并探討其抗鋁機(jī)理。結(jié)果表明：外生菌根真菌Sl 08抗鋁性最強(qiáng)；Pt 715、Ld 03、Bo 11、Sl 01、Bo 15也具有不同程度的耐鋁性；Sl 14、Gc 99、Cg 04抗鋁性較差；Sg 11抗鋁性最差。來自南方酸性森林土壤的菌株總體抗鋁性強(qiáng)于來自北方石灰性土壤的菌株,這表明外生菌根真菌的鋁耐受能力與其原始生境有著密切的聯(lián)系。外生菌根真菌能分泌多種有機(jī)酸,且不同菌株分泌的有機(jī)酸種類不同。其中,受鋁脅迫分泌量增加最多的是草酸。研究中,鋁脅迫能增加大多數(shù)鋁抗性菌株的草酸分泌量,其中鋁抗性最強(qiáng)的Sl 08表現(xiàn)最為明顯。但鋁脅迫并沒有促進(jìn)具備一定鋁抗性的Bo 11 和Sl 01草酸的分泌量,同時(shí)在鋁敏感的菌株中均觀察到了草酸分泌量的增加。這表明分泌草酸可能并不是外生菌根真菌抵抗鋁毒的唯一途徑。對(duì)各菌株鋁脅迫下對(duì)氮,磷及鉀的吸收研究表明,除鋁敏感菌株Sl 14外,鋁脅迫均能促進(jìn)各供試菌株對(duì)氮,磷或鉀的吸收。綜上,在一定鋁濃度下,一些外生菌根真菌可通過增加草酸分泌來抵御鋁毒。此外,鋁脅迫下外生菌根真菌還可通過調(diào)控氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收來抵抗鋁毒,即通過增加對(duì)營養(yǎng)元素的吸收來增強(qiáng)其在鋁脅迫下的生存能力,這可能是其抵御鋁脅迫的應(yīng)激反應(yīng)之一。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；外生菌根；鋁；有機(jī)酸；養(yǎng)分

自20世紀(jì)80年代以來,由于酸性沉降物(特別是酸雨)、施肥等人為因素而導(dǎo)致土壤酸化的環(huán)境問題,開始引起研究學(xué)者的極大關(guān)注。研究表明,土壤或水體酸化導(dǎo)致的活性鋁增加是酸性土壤中限制植物生長的主要因素[1]。而一些優(yōu)良的外生菌根(ECM)真菌能顯著增加宿主植物的抗鋁性[2- 4]。在一些常規(guī)造林困難的地區(qū),選擇適宜的樹種和適應(yīng)性強(qiáng)的ECM真菌,采用人工培育菌根苗技術(shù)可以大大提高造林的成活率,加速植被的恢復(fù)。然而,不同菌根真菌對(duì)鋁的抗性大不相同。例如,在鋁濃度為0.03 mmol/L的培養(yǎng)液中,Lacatariusrufus和L.hepaticus對(duì)鋁非常敏感,而L.bicolor對(duì)鋁有較強(qiáng)的抗性。在培養(yǎng)基鋁濃度為0.5 mmol/L時(shí),L.bicolor和Pisolithustinctorius生長量不減少[5-6]。而Laccarialaccata在鋁濃度為0.37 mmol/L時(shí)表現(xiàn)敏感[7]。研究表明,菌根植物根系的有機(jī)酸分泌量增加與其抗鋁能力有關(guān)[8-9]。此外,菌根真菌侵染植物后可增加磷、鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素的吸收,有益于提高其抗鋁性[10-11]。但這些研究結(jié)果大多來自于歐美等國的菌種資源,對(duì)于我國本土菌株的研究還很少。本研究選用我國南北方不同生態(tài)條件下的10株ECM真菌,采用液體培養(yǎng)的方法,研究了鋁脅迫下ECM真菌的一些生理生化反應(yīng),以期篩選出抗鋁型和鋁敏感型菌株,探討ECM真菌抗鋁性與其有機(jī)酸分泌、養(yǎng)分吸收的關(guān)系,為進(jìn)一步明確ECM真菌耐受鋁脅迫的機(jī)理提供理論基礎(chǔ),對(duì)酸性土壤的天然林保護(hù)和植被恢復(fù)也具有重要意義。

1材料與方法

1.1供試材料

本試驗(yàn)選用10株來自我國南、北方不同生態(tài)條件下的外生菌根真菌。它們是：彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius)Pt715,采自四川西昌桉樹林下；褐環(huán)乳牛肝菌(Suillusluteus)Sl08和Sl14、牛肝菌(Boletus)Bo15和Bo11,均采自重慶金佛山馬尾松林下；松乳菇(Lactariusdeliciosus)Ld03,采自重慶縉云山馬尾松林下；褐環(huán)乳牛肝菌Sl01、黃空柄牛肝菌(Gyroporuscyanescens)Gc99、厚環(huán)乳牛肝菌(Suillusgrevillei)Sg11和土生空?qǐng)F(tuán)菌(Cenococcumgeophilum)Cg04,均采自內(nèi)蒙古大青山油松林下。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取在4℃下保存1—2個(gè)月的上述菌株,接種于Pachlewski固體培養(yǎng)基[12]之上,在25℃條件下暗培養(yǎng)21 d備用。

用分析純Al2(SO4)3·18H2O提供活性鋁,配成Al3+濃度分別為0、0.2、0.4、1.0 mmol/L的Pachlewski液體培養(yǎng)基,形成無鋁(對(duì)照,CK)、低鋁、中鋁、高鋁4個(gè)處理[13-14]。取150 mL三角瓶分裝不同處理的液體培養(yǎng)基,每瓶20 mL,封口后于121℃高壓蒸汽滅菌20 min。冷卻后接種直徑為6 mm的供試瓊脂菌種1個(gè),在25℃的黑暗條件下靜置培養(yǎng)21 d待測(cè)。各處理重復(fù)5次。

1.3測(cè)定項(xiàng)目與方法

培養(yǎng)結(jié)束后,過濾收集菌絲和濾液。菌絲用于測(cè)定生物量和氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量。菌絲生物量采用稱重法獲得。烘干的菌絲體經(jīng)H2SO4和H2O2消化后,采用奈氏試劑分光光度計(jì)法測(cè)定N含量,鉬黃分光光度計(jì)法測(cè)定P含量,火焰光度法測(cè)定K含量[15]。濾液用于測(cè)定H+分泌量與有機(jī)酸的種類、含量。H+分泌量采用pH計(jì)法測(cè)定[16],換算成H+濃度后除以生物量,得到單位質(zhì)量的H+分泌量。濾液再經(jīng)定容,過濾(0.22 μm微孔濾膜)后,用外標(biāo)法于高效液相色譜儀上分析不同有機(jī)酸的含量[12]。檢測(cè)的有機(jī)酸包括草酸、檸檬酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸、甲酸和乙酸。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行基本計(jì)算,SPSS 14.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行多重比較,顯著水平P<0.05。

2結(jié)果與分析

2.1鋁對(duì)外生菌根真菌生物量的影響

不同菌株對(duì)鋁處理的反應(yīng)不同(圖1)。在0.2 mmol Al3+/L培養(yǎng)液中,來自內(nèi)蒙古大青山森林土壤中的Sl11、Gc99、Cg04的生物量減少,其中Sl11比對(duì)照(無鋁)減少了32.9%；其余7個(gè)菌株的生物量均有所增加,但差異未達(dá)到顯著水平。當(dāng)鋁濃度為0.4 mmol/L時(shí),大部分菌絲的生物量開始下降(除了Sl01),其中Sl11、Gc99、Cg04和Sl14的生物量顯著低于對(duì)照,分別比對(duì)照減少了56.6%(Sl11)、8.2%(Gc99)、31.6%(Cg04)和14.3%(Sl14)。當(dāng)鋁濃度達(dá)到1.0 mmol/L時(shí),菌株生物量繼續(xù)下降。除Sl08外,其他幾個(gè)菌株生物量均低于對(duì)照。其中Sl11比對(duì)照減少了70.7%,減少幅度最大?？傮w看來,Sl08生物量受鋁影響不顯著,在高鋁處理下仍有所增加,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗鋁性；Pt715、Ld03、Bo11、Sl01、Bo15不同程度地具有一定抗鋁性；Sl14、Gc99、Cg04抗鋁性較差；Sg11抗鋁性最差。

圖1　不同鋁處理下外生菌根真菌的生物量Fig.1　Biomass of the ECM fungal isolates in culture solution with different Al3+ concentrations圖中同一菌株的不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2鋁對(duì)外生菌根真菌有機(jī)酸分泌的影響

2.2.1H+分泌

由圖2可見,除Sg11外,其他9個(gè)菌株H+分泌量均隨培養(yǎng)液中Al3+濃度的增加而顯著增加。當(dāng)鋁濃度達(dá)到1.0 mmol/L時(shí),H+分泌量分別比對(duì)照增加了286.9%(Pt715)、228.4%(Ld03)、76.9%(Sl08)、204.0%(Bo11)、105.2(Sl14)、62.6%(Bo15)、552.1%(Sl01)、106.2(Gc99)和58.8%(Cg04)。Sg11的H+分泌量隨培養(yǎng)液中鋁濃度的增加而減少,高鋁處理時(shí)減少為對(duì)照的30.5%。

圖2　鋁對(duì)外生菌根真菌H+分泌的影響Fig.2　Effects of Al3+on proton effluxes by ECM fungi

2.2.2有機(jī)酸分泌

本試驗(yàn)在ECM真菌培養(yǎng)液中檢測(cè)出含有乙酸、檸檬酸、草酸、琥珀酸和酒石酸。將低鋁、中鋁和高鋁處理的有機(jī)酸分泌量取平均值得到各菌株有鋁(+Al)處理的有機(jī)酸分泌量。由表1可見,所有供試菌株均檢測(cè)出有草酸分泌,且分泌量在眾多有機(jī)酸中最多,成為本研究關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于乙酸的分泌,Pt715和Sl14未檢測(cè)出；其他菌株的分泌量均在加鋁后減少,其中Ld03和Sg11加鋁后未檢測(cè)出。供試菌株中只有Sl08和Bo15檢測(cè)出有檸檬酸分泌,Sl08加鋁后檸檬酸分泌量增加至無鋁(-Al)的1.44倍,Bo15加鋁后減少至無鋁的39.0%。不同菌株琥珀酸的變化趨勢(shì)不一致。Bo11、Sl01、Sg11和Cg04無論在有鋁還是無鋁時(shí)均未檢測(cè)出琥珀酸分泌。Sl08和Gc99在無鋁培養(yǎng)時(shí)有少量琥珀酸分泌,加鋁后未檢測(cè)出。加鋁培養(yǎng)后,Pt715的琥珀酸分泌量減少為對(duì)照的71.7%,而Ld03、Sl14和Bo15的分泌量增加。由于Pachlewski培養(yǎng)基中含有酒石酸氨,因此檢測(cè)出來的酒石酸可能并不是菌根真菌所分泌的,而是其消耗所剩余的酒石酸鹽。Pt715和Ld03無論在無鋁還是有鋁時(shí),均未檢測(cè)出酒石酸存在,可能已基本消耗殆盡。其他8個(gè)菌株在加鋁后酒石酸含量均有不同程度地減少,說明鋁脅迫下外生菌根真菌需消耗更多的酒石酸鹽。

表1　鋁對(duì)外生菌根真菌有機(jī)酸分泌的影響/(μmol/g干重)

表中同一行中的不同字母表示差異顯著(P<0.05), -表示未檢測(cè)出

2.2.3草酸分泌

由圖3可見,鋁處理后,Bo11、Sl01的草酸分泌量顯著降低,高鋁處理時(shí)分別減少為對(duì)照的82.5%和30.3%。其它8個(gè)菌株的草酸分泌均隨鋁濃度的增加而呈先增加后降低的趨勢(shì)。草酸分泌量增加最多的是Cg04,中鋁時(shí)增加至對(duì)照的2.40倍。其次為Sl08,中鋁時(shí)增加至對(duì)照的2.14倍。

將各菌株4個(gè)處理的草酸分泌量取平均值,得到各菌株的平均分泌量。各菌株草酸分泌量差異顯著。分泌量最多的是Sl01,平均分泌量為311.90 μmol/g干重,其次為Bo11(268.91 μmol/g干重)>Bo15(228.65 μmol/g干重)>Ld03(212.68 μmol/g干重)>Cg04(183.56 μmol/g干重)>Pt715(135.42 μmol/g干重)>Gc99(125.74 μmol/g干重)>Sl08(83.11 μmol/g干重)>Sg11(65.29 μmol/g干重)>Sl14(54.55 μmol/g干重)。草酸分泌量與菌根真菌抗鋁性無顯著相關(guān)性。因此,草酸分泌的絕對(duì)含量并不能成為衡量外生菌根真菌抗鋁性的指標(biāo)。

圖3　鋁對(duì)外生菌根真菌草酸分泌量的影響Fig.3　Effects of Al3+ on the quantity of oxalate effluxes by ECM fungi

2.3鋁對(duì)外生菌根真菌氮磷鉀含量的影響

2.3.1鋁對(duì)外生菌根真菌氮含量的影響

由表2可見,受鋁脅迫后,Pt715、Sl14和Cg04的含氮量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加而增加。高鋁處理后,含氮量比對(duì)照增加了57.1%(Pt715)、17.1%(Sl14)和47.5%(Cg04)。Sl08、Bo11、Sl01和Gc99的含氮量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且均在中鋁處理時(shí)達(dá)到最大值,分別比對(duì)照增加了2.17%(Sl08)、45.5%(Bo11)、253.5%(Sl01)和25.9%(Gc99)。而Ld03、Bo15和Sg11的含氮量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加而降低。高鋁處理時(shí),含氮量比對(duì)照減少了17.5%(Ld03)、25.8%(Bo15)和34.3%(Sg11)。

2.3.2鋁對(duì)外生菌根真菌磷含量的影響

由表3可見,受鋁脅迫后,Pt715和Ld03的含磷量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加而增加。高鋁處理時(shí),含磷量分別比對(duì)照增加了83.0%和51.0%。Bo11、Bo15、Sg11和Cg04含磷量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。Bo11和Bo15在低鋁處理時(shí)磷含量達(dá)到最大值,分別比對(duì)照增加了95.9%和35.1%。Sg11和Cg04在中鋁處理時(shí)磷含量達(dá)到最大值,分別比對(duì)照增加了176.0%%和92.3%。Sl08、Sl14、Sl01和Gc99的含磷量隨培養(yǎng)液鋁濃度的增加變化不顯著。

表2　鋁對(duì)外生菌根真菌氮含量的影響/(mg/g干重)

表3　鋁對(duì)外生菌根真菌磷含量的影響/(mg/g干重)

2.3.3鋁對(duì)外生菌根真菌鉀含量的影響

由表4可見,鋁處理后,Ld03、Sl14和Gc99的含鉀量變化不顯著。Bo15的含鉀量在中、高鋁處理時(shí)顯著降低,分別降至對(duì)照的27.0%和18.9%。其余6個(gè)菌株的含鉀量均在一定鋁濃度范圍內(nèi)顯著增加。Pt715和Sg11的含鉀量在中鋁處理時(shí)達(dá)到最大值,比對(duì)照增加了27.7%和55.0%。Sl08、Bo11、Sl01和Cg04在低鋁處理時(shí)達(dá)到最大值,分別比對(duì)照增加了34.7%(Sl08)、128.50%(Bo11)、24.9%(Sl01)和48.2%(Cg04)。

表4　鋁對(duì)外生菌根真菌鉀含量的影響/(mg/g干重)

3討論

3.1鋁對(duì)外生菌根真菌生長的影響

在酸性森林土壤中,外生菌根顯著提高樹木的抗鋁性受到眾多學(xué)者的關(guān)注[17-18]。但是,不同菌種(株)拮抗鋁毒的能力不同。在鋁脅迫條件下,菌絲生長量是指示外生菌根真菌抗鋁能力的可靠指標(biāo)之一[16]。本實(shí)驗(yàn)中,不同菌株對(duì)鋁的抗性也不同。在0.2 mmol Al3+/L培養(yǎng)液中,來自內(nèi)蒙古大青山森林土壤的菌株Sl11、Gc99、Cg04的生物量減少。其中Sl11生物量比對(duì)照(無鋁)減少了32.9%,顯示出較差的抗鋁性。其余來自南方酸性森林土壤的6個(gè)菌株和來自內(nèi)蒙古大青山森林土壤的Sl01的生物量均有所增加,但差異未達(dá)到顯著水平。當(dāng)鋁濃度為0.4 mmol/L時(shí),大部分菌絲的生物量開始下降(除Sl01外),其中Sl14生物量顯著低于對(duì)照,比對(duì)照減少了14.3%。當(dāng)鋁濃度達(dá)到1.0 mmol/L時(shí),大部分菌株生物量均低于對(duì)照,只有Sl08菌株生物量仍高于對(duì)照,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗鋁性。由此看來,Sl08抗鋁性最強(qiáng)；Pt715、Ld03、Bo11、Sl01、Bo15不同程度地具有一定抗鋁性；Sl14、Gc99、Cg04抗鋁性較差；Sg11抗鋁性最差。同時(shí),來自南方酸性森林土壤的菌株總體抗鋁性強(qiáng)于來自北方石灰性土壤的菌株。前人的研究表明,降低pH值和增加活性鋁濃度能影響土壤中ECM真菌的種類,甚至影響其對(duì)松樹根系的侵染[19]。在歐洲,ECM真菌種類減少已經(jīng)被認(rèn)為與森林土壤酸化和鋁毒有關(guān)[20]。因此,在酸性森林土壤中,長期的自然選擇和進(jìn)化導(dǎo)致鋁敏感菌株逐漸消失,而耐鋁型菌株得以幸存。我國南方馬尾松林心土層pH值一般小于4.5,屬于強(qiáng)酸性森林土壤,活性鋁含量很高。本文中來自南方酸性森林土壤的菌株抗鋁性強(qiáng)于來自北方石灰性土壤的菌株的研究結(jié)果,是符合自然選擇的規(guī)律的。

3.2鋁對(duì)外生菌根真菌有機(jī)酸分泌的影響

鋁脅迫下,外生菌根真菌能分泌多種有機(jī)酸,包括甲酸、乙酸、草酸、琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸等[17,21-22]。這些有機(jī)酸能與鋁形成穩(wěn)定的螯合物,增大分子量,增加分子體積,使之不能通過細(xì)胞膜上的離子通道,降低菌絲和根系細(xì)胞對(duì)鋁的吸收。本研究的10個(gè)供試菌株中,有9個(gè)菌株的H+分泌量均隨培養(yǎng)液中鋁濃度的增加而顯著增加,其H+分泌量與培養(yǎng)液鋁濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明有機(jī)酸分泌是外生菌根真菌拮抗鋁的重要機(jī)制之一。其分泌的有機(jī)酸種類有檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸、乙酸、草酸等。但不同菌株分泌的有機(jī)酸種類不同。其中,受鋁脅迫分泌量增加最多的是草酸。這與前人的研究結(jié)果一致[23-24]。

草酸根離子對(duì)二、三價(jià)陽離子具有較強(qiáng)的絡(luò)合力[13,25]。[A1(C2O4)3]3-的穩(wěn)定常數(shù)為2.0×1016,分子量比鋁增大9.8倍,既減小了菌絲周圍的Al3+活性,又減緩了Al3+通過菌絲細(xì)胞膜的速率,抑制鋁的吸收。Pinusdensiflora接種外生菌根真菌后,乙醛酸、草酸和檸檬酸分泌量增加,抗鋁能力隨之提高[21]。因此,大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,草酸分泌量與外生菌根真菌拮抗鋁脅迫的能力密切相關(guān)[26-27]。本研究中,在鋁脅迫下,抗鋁性最強(qiáng)的Sl08的草酸分泌量顯著增加,增加為對(duì)照的1.79—2.14倍。有一定抗鋁性的Pt715、Ld03和Bo15的草酸分泌增加幅度不及Sl08,其中Ld03在中鋁條件下的草酸分泌量,增加為對(duì)照的1.53倍。這說明在一定鋁濃度下一些外生菌根真菌可通過增加草酸分泌來抵御鋁毒。而有一定抗鋁性的Bo11、Sl01的草酸分泌量顯著降低,對(duì)鋁較敏感的Cg04草酸分泌量顯著增加,說明草酸分泌不是ECM真菌拮抗鋁毒的唯一機(jī)制。鋁脅迫下,鋁敏感菌株Sg11、Sl14、Gc99的草酸分泌量會(huì)有所增加,主要是由于其生物量受鋁脅迫減少較多,從而導(dǎo)致其單位菌絲的草酸分泌量有所增加。

3.3鋁對(duì)外生菌根真菌氮磷鉀含量的影響

外生菌根真菌與植物根系共生后,所形成的外生菌根能促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收,其中包括N、P、K等[28-29]。例如,鋁脅迫下接種外生菌根真菌Pisolithustinctorius可顯著增加pinusrigida根莖的含磷量[6]。純培養(yǎng)條件下,無論是抗鋁還是鋁敏感型菌種鋁脅迫后都會(huì)發(fā)生一系列有益于抗鋁的生化反應(yīng),其中包括菌絲磷鉀含量的增加[16]。本研究中,在鋁處理后,抗鋁菌株P(guān)t715和Bo11的N、P、K含量均顯著增加；Sl01的N、K含量顯著增加；Sl08的K含量顯著增加；Ld03和Bo15的P含量顯著增加,N含量顯著減少。鋁處理后,敏感菌株Cg04的N、P、K含量均顯著增加；Sg11的P、K含量顯著增加,N含量顯著減少；Gc99的N含量顯著增加；Sl14的N、P、K變化均不顯著。雖然不同菌株的養(yǎng)分含量對(duì)鋁的響應(yīng)有所不同,但可以看出多數(shù)菌株表現(xiàn)為在受鋁脅迫后N、P、K含量增加,這可能是其抵御鋁脅迫的應(yīng)激反應(yīng)之一。研究表明,鋁可以聚磷酸鹽的形式累積于Pisolithustinctorius菌套菌絲液泡和細(xì)胞壁內(nèi),使鋁以無毒形態(tài)隔離[6]。菌根真菌增加P吸收有利于降低Al3+活性,從而緩解鋁毒。氮是蛋白質(zhì)、遺傳材料和其它關(guān)鍵有機(jī)分子的基本組成元素。鉀是生物體內(nèi)多種酶的活化劑。增加N、K的吸收有益于生物代謝,減輕鋁毒。因此,在鋁脅迫條件下,菌絲體內(nèi)的N、K含量增加對(duì)于ECM真菌拮抗鋁毒有積極意義。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Huttová J, Tamás L, Mistrík I. Aluminium induced acid phosphatase activity in roots of Al-sensitive and Al-tolerant barley varieties. Rostlinna Vyroba, 2002, 48 (12): 556- 559.

[2]Hartley J, Cairney J W G, Freestone P, Woods C, Meharg A A. The effects of multiple metal contamination on ectomycorrhizal Scots pine (Pinussylvestris) seedlings. Environmental Pollution, 1999, 106(3): 413- 424.

[3]Smith S E, Read D J. Mycorrhizal symbiosis. London: Academic Press, 2008: 145- 156.

[4]Cumming J R, Weinstein L H. Aluminum-mycorrhizal interactions in the physiology of pitch pine seedlings. Plant and Soil, 1990, 125(1): 7- 18.

[5]Cumming J R, Swiger T D, Kurnik B S Panaccione D G. Organic acid exudation byLaccariabicolorandPisolithustinctoriusexposed to aluminum in vitro. Canadian Journal of Forest Research, 2001, 31(4): 703- 710.

[6]Schier G A, McQucttie C J. Response of ectomycorrhizal and nonmycorrhizal pitch pine (Pinusrigida) seedlings to nutrient supply and aluminum: growth and mineral nutrition. Canadian Journal of Forest Research, 1996, 26(12): 2145- 2152.

[7]Jones D, Muehlchen A. Effects of the potentially toxic metals, aluminium, zinc and copper on ectomycorrhizal fungi. Journal of Environmental Science and Health, 1994, 29(5): 949- 966.

[8]Foramina M, Hillier S, Charnock J M, Melville K, Alexander I J, Gadd G M. Role of oxalic acid overexcretion in transformations of toxic metal minerals byBeauveriacaledonica. Applied and Environmental Microbiology,2005, 71(1): 371- 381.

[9]Bellion M, Courbot M, Jacob C, Blaudez D, Chalot M. Extracellular and cellular mechanisms sustaining metal tolerance in ectomycorrhizal fungi. FEMS Microbiology Letters, 2006, 254(2): 173- 181.

[10]Itoo Z A, Reshi Z A. The multifunctional role of ectomycorrhizal associations in forest ecosystem processes. Botanical Review, 2013, 79(3): 371- 400.

[11]Khosla B, Kaur H, Reddy M S. Influence of ectomycorrhizal colonization on the growth and mineral nutrition ofPopulusdeltoidesunder Aluminum toxicity. Journal of Plant Interactions, 2009, 4(2): 93- 99.

[12]袁玲, 方德華, 汪智慧, 魏興元, 黃建國. 鉀對(duì)外生菌根真菌的分泌作用及氮、磷、鉀含量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(2): 254- 258.

[13]Khosla B, Reddy S. Response of ectomycorrhizal fungi on the growth and mineral nutrition of eucalyptus seedlings in Bauxite mined soil. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 2008, 3(1): 123- 126.

[14]王明霞, 袁玲, 周志峰, 楊紅軍, 黃建國. 鋁對(duì)外生菌根真菌草酸分泌及氮磷鉀吸收的影響. 林業(yè)科學(xué), 2012, 48(2): 82- 88.

[15]Page A L. Methods of Soil Analysis. Madison Wisconsin: Soil Science Society of America, 1982: 178- 185.

[16]辜夕容, 黃建國. 鋁對(duì)外生菌根真菌草酸分泌及磷、鉀、鋁吸收的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(2): 357- 363.

[17]Heim A, Brunner I, Frossard E, Luster J. Aluminum effects onPiceaabiesat low solution concentrations. Soil Science Society of America Journal, 2003, 67(3): 895- 898.

[18]辜夕容, 梁國仕, 楊水平, 陳翠玲, 黃建國. 接種雙色蠟?zāi)?duì)馬尾松幼苗生長、養(yǎng)分和抗鋁性的影響. 林業(yè)科學(xué), 2005, 41(4): 199- 203.

[19]Dighton J, Skeffington R A. Effects of artificial acid precipitation on the mycorrhizas of scots pine seedlings. New Phytologist, 1987, 107(1): 191- 202.

[20]Arnolds E. Decline of ectomycorrhizal fungi in Europe. Agriculture, Ecosystems & Environment, 1991, 35(2/3): 209- 244.

[21]Tahara K, Norisada M, Tange T, Yagi H, Kojima K. Ectomycorrhizal association enhances Al tolerance by inducing citrate secretion inPinusdensiflora. Soil Science and Plant Nutrition, 2005, 51(3): 397- 403.

[22]Naik D D, Desai S, Smith E W, Cumming J R. Ectomycorrhizal fungipaxillusinvolutusprime the poplar seedling against aluminum stress by modulating ascorbate glutathione and phospholipase pathway: A transcriptome study// Proceeding of 95th ESA Annual Meeting. Pittsburgh, Pennsylvania: ESA, 2010.

[23]Browning M H R, Hutchinson T C. The effects of aluminum and calcium on the growth and nutrition of selected ectomycorrhizal fungi of jack pine. Canadian Journal of Botany, 1991, 69(8): 1691- 1699.

[24]Ahonen-Jonnarth U, Van Hees P A W, Lundstr?m U S, Finlay R D. Organic acids produced by mycorrhizalPinussylvestrisexposed to elevated aluminium and heavy metal concentrations. New Phytologist, 2000, 146(3): 557- 567.

[25]Lapeyrie F, Chilvers G A, Bhem C A. Oxalic acid synthesis by the mycorrhizal funguspaxillusinvolutus(Batsch. ex Fr.) Fr. New Phytologist, 1987, 106(1): 139- 146.

[26]Gonzalez J A Z, Costa M D, Silva I R, Neves J C L, De Barros N F, Borges A C. Accumulation of oxalic acid and calcium crystals in eucalypt ectomycorrhizas. Ⅰ-oxalic acid production and nutrient concentration in fine lateral roots colonized with ectomicorrhizal fungi. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, 2009, 33(3): 541- 553.

[27]王明霞, 周志峰, 袁玲, 黃建國. 鋁脅迫下鈣信號(hào)抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌草酸的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(5): 902- 908.

[28]Itoo Z A, Reshi Z A. The multifunctional role of ectomycorrhizal associations in forest ecosystem processes. Botanical Review, 2013, 79(3): 371- 400.

[29]Khosla B, Kaur H, Reddy M S. Influence of ectomycorrhizal colonization on the growth and mineral nutrition ofPopulusdeltoidesunder Aluminum toxicity. Journal of Plant Interactions, 2009, 4(2): 93- 99.

Response of ectomycorrhizal fungi from different environments to aluminum stress

ZHOU Zhifeng, WANG Mingxia*, YUAN Ling, HUANG Jianguo

CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China

Abstract：In this study, to select aluminum (Al3+)-tolerant ectomycorrhizal (ECM) fungi and study the resistance mechanism of ECM fungi under Al3+-stress, 10 ECM fungi strains were selected from different environments and cultivated in liquid media with variable concentrations of Al3+(0, 0.20, 0.40, and 1.00 mmol/L). The biomass, efflux of organic acid, and composition of nutrient elements were measured during cultivation. Of the studied fungal strains, Sl 08 showed the strongest resistance to Al3+, while Pt 715, Ld 03, Bo 11, Sl 01, and Bo 15 were also resistant to Al3+. The growth of other tested fungal strains (Sl 14, Gc 99, Cg 04, and Sg 11) was obviously inhibited by Al3+, but that of Sg 11 was most sensitive to Al3+. These results indicated that the ability of ECM fungi to tolerate Al3+toxicity may be closely related to their original growth environments, and fungal strains isolated from acidic soils in south China might be more tolerant to Al3+compared to those isolated from calcareous soils in north China. ECM fungi excrete various organic acids, but the amount and type of these acids vary depending on the fungal strain. For example, ECM fungi could increase the secretion of oxalate to alleviate the effects of Al3+toxicity. In this study, oxalate secretion was observed to increase in the majority of Al3+-resistant strains, and the highest oxalate production was observed in the most Al3+-resistant strain (Sl 08). The secretion of oxalate was observed to decrease in some fungal strains (Bo 11 and Sl 01) that were still resistant to Al3+, whereas oxalate secretion was observed to increase in all Al3+-sensitive strains (Cg 04, Sg 11, Sl 14, and Gc 99). This finding suggests that oxalate secretion is not the only pathway through which ECM fungi can alleviate effects of Al3+toxicity. In addition, the fungal strains showed different characteristics in the uptake of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) under Al3+stress. The N, P, or K content in most of the tested fungi increased in the presence of Al3+, and only Al-sensitive Sl 14 showed no clear difference in the uptake of N, P, or K under these conditions. The N, P, and K content increased both in the resistant (Pt 715 and Bo 11) and in the sensitive (Cg 04) strains, and the content of two of three elements increased in the resistant (Sl 01, N and K) and sensitive (Sg 11, P and K) strains, respectively. Furthermore, the content of one element (N, P, or K) increased in the resistant (Sl 08, Ld 03, Bo 15) and sensitive (Gc 99) strains. Therefore, it appears that oxalate secretion may be an essential pathway for ECM fungi to tolerate effects of Al3+toxicity. In addition, regulation of the uptake of the nutrient elements, N, P, and K, may be important for ECM fungi to alleviate stress induced by Al3+, and increasing the uptake of N, P, and K may be essential for the fungi to tolerate the effects of Al3+stress.

Key Words:environment; ectomycorrhizal fungi; Al3+; organic acids; nutrients

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(41171215)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(XDJK2014B047, XDJK2013C044)

收稿日期:2015- 03- 20;

修訂日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wangmx@swu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201503200533

周志峰, 王明霞, 袁玲, 黃建國.不同生境外生菌根真菌對(duì)鋁脅迫的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):2842- 2850.

Zhou Z F, Wang M X, Yuan L, Huang J G.Response of ectomycorrhizal fungi from different environments to aluminum stress.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):2842- 2850.