AM真菌的異核現(xiàn)象對共生系統(tǒng)的影響研究進展

王艷勝 ，耿 帥 ，王愛萍 ，郝艷平 ，梁月秀 ，趙立松 ，尹夢嬌 ，張 騰 ，溫 賀 ，張春來

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西省旱作農(nóng)業(yè)與作物生態(tài)重點實驗室，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷 030801）

AM真菌即從枝菌根真菌[1]，通過其孢子產(chǎn)生的菌絲、叢枝以及泡囊與主要的陸生植物形成共生關(guān)系[2]，真菌通過菌絲從宿主植物中獲得碳源，植物從菌根中吸收豐富的微量礦質(zhì)元素[3]，特別是植物不易吸收到的磷、鋅、銅等微量元素。研究結(jié)果表明，AM真菌對多種經(jīng)濟作物具有增產(chǎn)效果，可提高植物的品質(zhì)，如增加生物量和植物有效成分含量[4]；增強植物的抗逆性，如改善植物的水分狀況[5]、提高植物的抗旱能力[6]、提高植物抵抗低溫的能力、耐鹽堿脅迫的能力[7]；增強宿主植物對重金屬離子的耐性；還有降低其他真菌、線蟲、細(xì)菌等病害的作用[8]。目前對共生體系中植物的遺傳特性了解較多[9]，但由于AM真菌是專性寄生生物，目前尚未獲得純培養(yǎng)，對AM真菌的遺傳特性知之甚少。AM真菌是多核的，數(shù)百個胞核共存于胞內(nèi)，盡管有爭議，但直接或間接的證據(jù)都表明，在單個的AM真菌中包含有大量的遺傳性不同的核[10-12]。此外，在同一個核中已觀察到遺傳差異，這就說明了AM真菌個體內(nèi)部高度的遺傳變異性[12]。近來有證據(jù)表明，AM真菌有異形核[13]。

為了解異形核對AM真菌的遺傳特性和對共生系統(tǒng)的影響，筆者綜述了有關(guān)與共生關(guān)系建立和共生功能相關(guān)的基因，分析了AM真菌異核性可能的原因及其對共生系統(tǒng)即真菌和植物的生態(tài)和進化的影響，并展望了AM真菌遺傳特性的研究前景。

1 與共生建立和共生功能相關(guān)的基因

AM真菌是最常見的一種內(nèi)生菌根真菌，在與植物的有機結(jié)合體系中，真菌菌絲首先附著在植物根表面上，然后侵入植物根表皮細(xì)胞（epidermal cells），最后到達皮層細(xì)胞（cortical cells）[14]。通過形成叢枝結(jié)構(gòu)（arbuscules）和膨大的泡囊結(jié)構(gòu)（vesicles）在植物皮層細(xì)胞中定殖，與其相連的根外菌絲和孢子則分布在根表面或根際土壤中，這樣菌絲體及其各種結(jié)構(gòu)就形成了傳輸根外營養(yǎng)物質(zhì)到根內(nèi)的橋梁，并擴大了植物根的吸收表面積[14]。叢枝結(jié)構(gòu)是AM真菌與宿主植物營養(yǎng)物質(zhì)交換的場所，植物從菌根中吸收豐富的微量礦質(zhì)元素，而真菌的碳源則從宿主植物中獲取[3]。另外，真菌菌絲可同時侵入一種或多種不同植物，使得在一個共生系統(tǒng)中通過形成地下菌絲網(wǎng)連接著許多不同植物。菌絲末端也可形成孢子，這些孢子萌發(fā)可形成新的共生體。

一些與菌根共生關(guān)系形成的關(guān)鍵階段和共生關(guān)系作用的相關(guān)基因的鑒定已經(jīng)取得了很大進展。共生關(guān)系形成大體分為共生前期、侵染初期、延伸到根皮層、形成叢枝結(jié)構(gòu)、共生關(guān)系建立共5個階段[15]。迄今，已鑒定的共生關(guān)系作用的相關(guān)基因均來源于植物，而非真菌。在共生前期，真菌菌絲附著于根，可觀察到許多菌絲分枝。有人認(rèn)為，從類胡蘿卜通路中合成的植物激素——獨角金內(nèi)酯（Strigolactones），是共生的化學(xué)信號，可誘導(dǎo)菌絲分枝，引起真菌線粒體功能異常[16-17]，但是與之相關(guān)的基因目前并不清楚。真菌產(chǎn)生的識別信號物質(zhì)——Myc因子，誘導(dǎo)植物基因ENOD11表達，ENOD11在蒺藜狀苜蓿（Medicago truncatula）中編碼富含脯氨酸的假想的多重細(xì)胞壁蛋白，該基因在菌根形成的早期和后期，甚至是已形成叢枝的細(xì)胞中都有表達[18]。最近研究發(fā)現(xiàn)，為了引導(dǎo)真菌到達植物皮層細(xì)胞，植物體細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一個通道，稱之為預(yù)侵染器，真菌通過它延伸到植物細(xì)胞，植物細(xì)胞核隨著通道的發(fā)育遷移[19-20]。研究表明，蒺藜狀苜蓿中的2個基因DMI2和DMI3對誘發(fā)預(yù)侵染器是必需的。利用豆科模式植物百脈根（Lotus japonicus）突變體已經(jīng)確定，CASTOR，POLLUX，NUP85，NUP133，CYCLOPS 等5種基因?qū)φ婢诙箍浦参矬w內(nèi)的發(fā)育和叢枝的發(fā)育是必需的。這些基因在根瘤菌-豆科植物共生體系和菌根共生體系中都是常見的[15]。研究發(fā)現(xiàn)，這些基因在水稻（Oryza sativa）的菌根形成中也是必需的。在水稻中鑒定了CASTOR，POLLUX，CCAMK（DMI3），CYCLOPS的直系同源基因，發(fā)現(xiàn)這些基因?qū)λ竞投箍浦参锏木纬啥际潜匦璧腫21]。然而，也發(fā)現(xiàn)了另一些基因的作用僅限于水稻菌根形成。它們可分為2組：一組在共生關(guān)系發(fā)展早期叢枝形成前被表達，有AM1-3和AM11；另一組在發(fā)育后期和形成叢枝的細(xì)胞中表達，有AM10-11，AM14-15，AM18，AM20，AM24，AM25，AM26，AM29，AM31，AM34，AM39，AM42 和 PT11，這些基因編碼的功能目前還不清楚。

目前，AM真菌中的2個基因可能與真菌在植物根內(nèi)的發(fā)育有關(guān)。因為沒有適合真菌的基因敲除或轉(zhuǎn)化方法，最成功的方法是在AM真菌中尋找直系同源基因，這些基因?qū)χ参锔徽婢≡w成功地侵染很重要。研究表明，STE12的直系同源基因和類GTP酶可能在根侵染和隨后菌絲在根內(nèi)生長的調(diào)控分別起作用[22-23]。因為叢枝是植物和真菌相互作用的橋梁，是營養(yǎng)交換的場所，對含叢枝結(jié)構(gòu)的細(xì)胞上基因的表達尤為關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，菌根根系提取物中的親脂性信號物質(zhì)能夠誘導(dǎo)馬鈴薯磷酸轉(zhuǎn)運基因StPT3和 StPT4的表達[24]，而這2個基因是被AM真菌專性誘導(dǎo)表達的。這就說明溶血磷脂作為信號物質(zhì)在植物與AM真菌共生中起著特別重要的作用。這些磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白在叢枝中表達，因而對共生功能起作用。已被證實，含叢枝結(jié)構(gòu)的細(xì)胞中存在一些其他的植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白和一種真菌磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白。真菌中其他一些對共生系統(tǒng)發(fā)育和共生功能比較重要的基因也已被證實。AM真菌中超氧化物歧化酶基因GmarCuZnSOD表達可以增強植物對氧化物脅迫的耐受性。此外，在根外菌絲中磷轉(zhuǎn)運蛋白也參與了將磷酸鹽轉(zhuǎn)運到植物中[25]。

2 AMF異核性可能的原因

近來有證據(jù)表明，AM真菌有異形核，即在所含基因上，不同的核共存于同一菌體內(nèi)，或同一菌絲細(xì)胞內(nèi)或同一孢子內(nèi)。2個直接與真菌異核現(xiàn)象形成相關(guān)的過程被稱之為分離和基因交換[13]。

2.1 基因交換

同一孢子的不同菌絲間可融合并創(chuàng)建新的細(xì)胞質(zhì)連接[26]，通過這種融合在單個孢子個體中甚至是不同寄主的根之間就建立起一個大的菌絲網(wǎng)[27]。最近有研究表明，在Rhizophagus irregularis中不同孢子的菌絲也可融合[28]，融合后2個AM真菌孢子的核酸在菌絲中混合，那么菌絲融合后產(chǎn)生的子代就會繼承雙親的遺傳物質(zhì)[28]。而且一些子代的孢子和菌絲密度等一些遺傳特性與其親本和其他子代都不同[28]。AM真菌個體間核酸交換形成了其獨特的表型。這種2個AM真菌親本間核酸的交換并導(dǎo)致AM真菌子代擁有雙親核酸的現(xiàn)象稱之為基因交換（圖1-a）。融合后，交換了核酸的AM真菌個體被稱為“AM真菌親本”。

基因交換直接導(dǎo)致了AM真菌的異核性?；蚪粨Q的一個潛在結(jié)果是一個種群中遺傳性不同的個體可相互連接并形成一個巨大的遺傳性不同的菌絲網(wǎng)。而且遺傳性不同的AM真菌個體間核酸的交換對AM真菌個體異質(zhì)性的維持有重要影響[11，29]?；蚪粨Q另一個重要影響是通過基因交換，不同AMF親本雜合的核酸在子代中增加了核型的遺傳多樣性。

基因交換可能對AM真菌在一個變化的環(huán)境中快速進化的能力有重要影響，不僅通過在選擇時提供新的等位基因，而且通過潛在的允許來源存在差異的核酸重組[30]。在AM真菌中當(dāng)融合事件可能比生殖周期發(fā)生的更頻繁時，基因交換和分離可能在快速適應(yīng)異常的環(huán)境條件中成為一種重要的方式[31]。這樣的水平基因轉(zhuǎn)移一直被認(rèn)為在細(xì)菌中能促進基因組的可塑性和適應(yīng)性[32]。

2.2 分離

在AM真菌中另一個導(dǎo)致異核現(xiàn)象的原因是一個親本孢子在孢子形成時由于核型分離出現(xiàn)了擁有不同核酸物質(zhì)的子代。這種在孢子形成時出現(xiàn)不同的核酸的現(xiàn)象稱之為分離（圖1-b）。通過分離產(chǎn)生的后代稱為分離系。AM真菌分離現(xiàn)象的一個潛在結(jié)果就是親本孢子在產(chǎn)生新的子代時由于稀有核型的缺失導(dǎo)致AMF遺傳多樣性降低?；蚍蛛x直到不久前都認(rèn)為是不可能發(fā)生的，以前的研究通過觀察G.etunicatum中共存的一個基因PLS的13種變異型的遺傳研究[33]，發(fā)現(xiàn)PLS基因的13種變異型存在于所有的子一代中，研究者通過子一代一個位點變異的分離研究得出，在AM真菌中沒有發(fā)生分離，然而多個位點經(jīng)過多代生殖后是否發(fā)生分離未可知。不久前在R.irregularis中發(fā)現(xiàn)分離現(xiàn)象[10]，并指出分離發(fā)生的可能性依賴于親本核型的遺傳多樣性。通過隔離和分別培養(yǎng)來自一個親本基因交換所得的子一代的單個孢子來研究分離過程的試驗已經(jīng)完成。分離減少了一個新形成種群中等位基因個體大小，從而有助于不同的等位基因的相對豐度的遺傳漂變，促進表型異常[8]，融合可能有助于等位基因改組，促進異核現(xiàn)象的維持。

3 AM真菌的異核現(xiàn)象對共生系統(tǒng)的影響

已經(jīng)在AM真菌物種水平上深入研究了AM真菌多樣性對植物多樣性和植物生產(chǎn)力的影響以及不同寄主對AM真菌孢子形成和不同AM真菌群體共存的影響[34]。然而，AM真菌的異核現(xiàn)象對AM真菌遺傳多樣性的影響及其對真菌與植物相互作用的影響則很少被關(guān)注。通過基因交換和分離使得子代相關(guān)核型頻率的改變在菌絲網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)?；蚪粨Q和分離對共生有著非常重要的影響。最近有文獻研究了遺傳交換和分離對植株生長和基因表達的影響[10，35]。與之前的轉(zhuǎn)化根的體外培養(yǎng)相比，這些研究是在溫室中完整的植株個體上完成的，試驗對植株分別接種基因交換所得孢子、分離所得孢子以及親本孢子，經(jīng)過幾個月的溫室培養(yǎng)后，測其干質(zhì)量及植物基因的遺傳轉(zhuǎn)錄，研究結(jié)果均表明，通過分離和遺傳交換產(chǎn)生的遺傳變異對水稻生長和基因表達都有顯著影響。然而，后續(xù)研究則表明，通過基因交換和分離獲得的子代，與其親本和其他子代相比，可以有差異地改變植物的生長和植物基因轉(zhuǎn)錄[10]。由不同的AM真菌系引起的對植物生長的改變會因為寄主的改變而不固定。研究表明，水稻接種某一些分離所得的孢子比接種親本孢子或其他一些分離所得孢子增產(chǎn)5倍[10]。這一研究結(jié)果也表明，基因交換和分離對水稻基因的表達產(chǎn)生了很大影響，同時發(fā)現(xiàn)接種同樣的AM真菌孢子，對水稻的生長有促進作用，但并未促進車前草生長?？傊捎诋惡诵?，AM真菌對不同植物個體的生長有不同的影響，需要研究者們進一步探索。

異核性使得AM真菌有快速產(chǎn)生可變后代的能力，與親本相比，增加了其產(chǎn)生不同適應(yīng)性子代的可能性，從而對新的環(huán)境條件適應(yīng)的能力。如此靈活的基因型和表型可能是有性生殖快速的可替代的選擇，也可能是AM真菌生態(tài)學(xué)成功的關(guān)鍵。

AM真菌的基因型隨著環(huán)境的變化而改變，環(huán)境決定AM真菌的基因型。物種間的相互作用和適應(yīng)性反饋被認(rèn)為是在自然界中允許植物和AM真菌物種多樣性共存的機制。研究表明，這一機制也可用于解釋比AM真菌低等的物種，并可在一個AM真菌物種中發(fā)現(xiàn)基因型和表型多樣性。甚至，這一機制可作用于AM真菌個體規(guī)模，參與AM真菌內(nèi)部個體基因多樣性的維持?；蚪粨Q與分離對孢子的核型含量有重要作用。這些機制在很短的時間內(nèi)就可以導(dǎo)致子代異常的共生效果。一些新的AM真菌后代由于它們獨有的特異核型，可能比其他的AM真菌更適合改變了的環(huán)境，因此，被選擇下來。

異核現(xiàn)象可以通過在很短的時間內(nèi)創(chuàng)造各種各樣的新的AM真菌子代并篩選出來，這樣可以增強AM真菌的適應(yīng)性。環(huán)境的異質(zhì)性，如不同的寄主種類，可以影響基因交換和分離形成的不同核型的AM真菌的命運，可以潛在的有助于AM真菌中異核現(xiàn)象的維持。

4 展望

AM真菌是最豐富的植物共生體，可提高植物生產(chǎn)力和多樣性。遺傳物質(zhì)交換可能對AM真菌在一個變化的環(huán)境中快速進化的能力有重要影響，基因交換和重組可能在快速適應(yīng)異常的環(huán)境條件中成為一種重要的方式。接下來的挑戰(zhàn)將是去調(diào)查自然界中AM真菌種群融合事件發(fā)生的頻率，以及它們是如何通過不同的AM真菌世代廣泛分布的。雖然一些與自然條件有更多相關(guān)的原位系統(tǒng)研究已取得重要進展[36-37]，但還缺乏微生態(tài)相關(guān)的環(huán)境來估計融合頻率。另一個研究方向是去調(diào)查是否有來自AM真菌的重組是由于隱藏著的有性生殖活動，多個減數(shù)分裂基因和假定的性信息素已經(jīng)在Glomus spp 被證實了[38-39]。

在AM真菌個體中許多基因組共存的個體和它們傳遞的下一代，對基因組進化論的理解有深遠(yuǎn)的影響。那么，基因交換和分離是如何影響真菌在植物根內(nèi)的分布和發(fā)育的？一個真菌的不同基因組是如何作用于他們的生態(tài)學(xué)、進化論和共生效率的？這些問題有待進一步研究來回答。