叢枝菌根真菌對植物抗旱性研究進(jìn)展

喻 志，梁坤南，黃桂華，楊 光，周再知，林明平

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所 / 國家林業(yè)和草原局熱帶林業(yè)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520；2. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

氣候變化導(dǎo)致全球范圍內(nèi)干旱事件頻發(fā)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1]，中國是世界上受干旱影響最為嚴(yán)重的國家之一[2]。干旱脅迫引起植物光合能力及速率下降，誘導(dǎo)植物活性氧的累積，降低植物水勢，從而引起植物吸收礦質(zhì)營養(yǎng)能力下降等，阻礙植物生長，嚴(yán)重可造成植物死亡[3-4]。植物有多種策略來緩解脅迫帶來的危害，與叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)建立共生關(guān)系就是其中之一[5]。AMF 是球囊菌門(Glomeromycota)中一類古老的、專性寄主土壤微生物，不能獨(dú)立完成生活史，但可與80%以上的陸地植物形成共生關(guān)系[6]，依靠植物提供碳水化合物以維系其生長，AMF 可有效促進(jìn)植物從土壤中攝取養(yǎng)分和水分[7]，具有“生物肥料”的作用，可有效減少因無機(jī)肥料的使用造成的環(huán)境污染問題[8]?；诖耍珹MF 這一資源節(jié)約型、生態(tài)友好型的“生物肥料”引起了研究人員的普遍關(guān)注。

AMF 與植物共生互作研究一直是菌根學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容之一。AMF 能緩解植物非生物脅迫和生物脅迫而備受關(guān)注[9]，如增強(qiáng)植物抗旱性、提高其對高低溫的耐受性、增強(qiáng)其耐鹽及耐酸能力、緩解重金屬對植物的毒害，以及提高植物抗病性和抗蟲性等[3,9]。缺水是很多地區(qū)，尤其是干旱和半干旱地區(qū)影響植物生長和產(chǎn)量下降的主要因素之一[10]，越來越多的研究試圖闡明AMF 增強(qiáng)植物抗旱的機(jī)制，其機(jī)制包含改善植物根系構(gòu)型、提高植物光合能力、增強(qiáng)植物水分代謝能力、促進(jìn)滲透物質(zhì)的積累及降低植物氧化損傷等[4]?；诖?，本文從形態(tài)、生理、生化及基因表達(dá)著手，總結(jié)AMF 提高植物抗旱性的相關(guān)生理機(jī)制，并簡要總結(jié)了干旱對AMF的影響。較為全面地綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)AMF 增強(qiáng)植物抗旱性方面的研究，提出了今后研究需注意的問題及建議。以期為加快AMF 這一高效生物技術(shù)的應(yīng)用提供新的見解，這對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)、林和草業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有一定的意義。

1 干旱對叢枝菌根真菌的影響

現(xiàn)已證實(shí)，菌根共生有助于植物生長，使植物免受干旱的負(fù)面影響。對于共生體中植物響應(yīng)干旱的機(jī)理得到了深入研究，但干旱如何影響共生體中AMF 自身變化的研究仍然有限。干旱脅迫能直接影響AMF 的發(fā)育周期，抑制孢子萌發(fā)、菌絲伸長以及產(chǎn)孢量[11-12]，導(dǎo)致菌根侵染率降低。這已經(jīng)在枳(Poncirus trifoliata)[13]、刺槐(Robinia pseudoacacia)[14]、角豆樹(Ceratonia siliqua)[15]、香葉天竺葵(Pelargonium graveolens)[10]中得到了證實(shí)。侵染率的下降可能還與干旱脅迫使植物光合能力下降，減小對根部碳水化合物供應(yīng)有關(guān)[16-17]。但上述結(jié)論并不是統(tǒng)一的，有人認(rèn)為干旱脅迫對菌根侵染率的影響可能不顯著[18]，也有認(rèn)為顯著升高[19-21]。

AMF 在自然界廣泛分布，即使干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)中AMF 多樣性也很高[22]，但干旱降低了AMF 多樣性[23]。事實(shí)上，人們對AMF 物種多樣性的理解在很大程度上取決于研究方法的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用[23]。截止到2020 年2 月，世界范圍內(nèi)被有效描述的AMF 物種仍非常有限(約334) (http://www.amf-phylogeny.com/amphylo_taxonomy.html)。隨著分子生物學(xué)鑒定技術(shù)被引入到AMF 多樣性研究中，將會促進(jìn)AMF 多樣性研究的快速發(fā)展。

2 叢枝菌根真菌增強(qiáng)植物抗旱性的機(jī)制

全球干旱導(dǎo)致世界范圍內(nèi)作物產(chǎn)量和生長速度明顯下降[24]。接種AMF 可有效增強(qiáng)植物對干旱的耐受性，其作用機(jī)理有直接作用和間接作用兩種。

2.1 直接作用機(jī)制

直接作用機(jī)制指寄生于根的AMF 菌絲直接吸收水分，改善植物水分狀況，提高植物抗旱性的作用[25]。Li等[19]首次從根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)中克隆出兩個(gè)水孔蛋白基因，并驗(yàn)證了兩個(gè)基因的功能，從分子水平上為AMF 給植物輸送水分提供了依據(jù)。通過分根試驗(yàn)，Ruth 等[26]利用高分辨率的水分傳感器量化AMF 對大麥(Hordeum vulgaris)水分吸收的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)通過菌絲吸收的水分約占植物吸收水分的20%。菌絲和根毛均能為植物吸收水分，對植物而言，干旱條件下AMF 和根毛到底誰不可或缺？對接種AMF 無根毛大麥突變體及野生型進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，結(jié)果顯示干旱條件下AMF 幾乎可以彌補(bǔ)根毛的缺失，且在提高水分利用效率(water use efficiency，WUE)及水勢方面占有優(yōu)勢，AMF 比根毛更有利維持植物水分平衡[27]，而另一項(xiàng)對接種AMF 柑橘(Poncirus trifoliata)的試驗(yàn)則表明，干旱條件下AMF 菌絲吸水速率為正常供水時(shí)的2～7 倍，也表明了菌絲在干旱條件下對植物的重要性[11]。

2.2 間接作用機(jī)制

間接作用機(jī)制指AMF 通過促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、改善植物根系構(gòu)型、提高植物光合能力、增強(qiáng)對礦質(zhì)元素的吸收、降低植物氧化損傷、增強(qiáng)植物滲透調(diào)節(jié)能力及誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)等來間接地提高植物的抗旱性[25]。AMF 能調(diào)節(jié)植物對干旱脅迫作出響應(yīng)，這種響應(yīng)機(jī)理是多方面和多層次的(表1)，基于此，這部分從形態(tài)、生理、生化及基因表達(dá)不同層次綜述了AMF 增強(qiáng)植物抗旱性的可能潛在機(jī)制。

2.2.1 叢枝菌根真菌在形態(tài)水平上增強(qiáng)寄主抗旱性

根是植物首個(gè)感受到土壤水勢變化的器官[28]，根系不僅為植物提供物理支持，還為植物吸收水分和養(yǎng)分。干旱脅迫對植物的傷害首先在根系，干旱限制根的生長，導(dǎo)致植物吸收的水分和養(yǎng)分減少[29-31]。對接種AMF 的青楊(Populus cathayana)、圓錐黍(Panicum turgidum)進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱降低了植物根長、根體積、根表面積和根尖數(shù)，接種處理顯著增加了上述根系形態(tài)特征[20]，與未接種AMF植物相比，青楊雄株的根長、根體積、根表面積和根尖數(shù)分別增加了102%、79.03%、142%、30.49%；圓錐黍分別增加了84.36%、28.04%、63.43%、131%。接種AMF 顯著增加干旱條件下植物的主根和側(cè)根根毛密度、根毛長度及根毛直徑[32-33]。干旱條件下，AMF對宿主植物同化物分配量也有影響，體現(xiàn)為地下部分大于地上部分，這不僅有助于水分的吸收，還減少水分的消耗[34]。張亞敏等[31]以小馬鞍羊蹄甲(Bauhinia faberi)為試驗(yàn)材料，不僅發(fā)現(xiàn)接種AMF 改變了干旱條件下小馬鞍羊蹄甲的根系形態(tài)，還減小了根系拓?fù)渲笖?shù)，改善了根系構(gòu)型。綜上，干旱條件下接種AMF 可有效促進(jìn)植物根系生長和改善植物根系構(gòu)型，有助于植物在更大的范圍上利用土壤中的水分和養(yǎng)分，提高宿主植物對干旱的抗性。

球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(GRSP)是AMF 菌絲和孢子壁分泌的一種特殊糖蛋白[41]。GRSP 對土壤的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是促進(jìn)團(tuán)聚體的形成。GRSP 是土壤中的微生物膠，具有“超級膠水”的性能[42]，其黏附土壤顆粒的能力比其他土壤碳水化合物能力強(qiáng)3～10 倍，故其在形成大團(tuán)聚體的過程中發(fā)揮著重要作用。另外，AMF 菌絲也可纏繞土壤微粒，促進(jìn)大團(tuán)聚體形成[43]。以紅橘(Citrus tangerina)為材料，研究不同水分條件下接種摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)和 幼 套 近 明 球 囊霉(Claroideoglomus etunicatum)對GRSP 的影響，發(fā)現(xiàn)干旱處理12 d 后，接種摩西斗管囊霉和幼套近明球囊霉紅橘的總球囊霉素含量分別增加了83.78%和61.11%，顯著高于未接種處理的28.57%[42]。GRSP對土壤的另一作用表現(xiàn)為提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。通過比較接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉的桑樹(Morus alba)與未接種處理發(fā)現(xiàn)，干旱處理接種上述AMF 均能顯著影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其中，接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉桑樹的大團(tuán)聚體比例分別提高2.57% 和3.28%、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑分別提高2.83% 和2.20%、幾何平均直徑分別提高4.36%和3.54%[44]。根系對土壤團(tuán)聚體亦有影響，為排除根系的影響，采用兩室分隔系統(tǒng)，以摩西斗管囊霉和球狀巨孢囊霉(Gigaspora margarita)接種到沙打旺(Astragalus adsurgens)，在干旱條件下發(fā)現(xiàn)，接種處理對大于5 mm 的水穩(wěn)定團(tuán)聚體(WSA＞5mm)有顯著影響，與未接種處理相比，接種摩西斗管囊霉和球狀巨孢囊霉沙打旺的WSA＞5mm分別增加了72%和82%，并利用超聲波分散技術(shù)量化團(tuán)聚體的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)干旱條件下，接種處理的WSA0.25～2mm和WSA＞2mm的分散能高于未接種處理[45]。土壤團(tuán)聚體是主要的土壤結(jié)構(gòu)單元，AMF 促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，提高其穩(wěn)定性，有助于植物在干旱條件下調(diào)控植物對水分的吸收，從而提高植物的抗旱性。

2.2.2 叢枝菌根真菌在生理水平上提高植物抗旱性機(jī)制

光合作用是植物生長發(fā)育的主要生理過程之一，其對干旱很敏感[27,46]。植物對干旱脅迫的首要響應(yīng)是關(guān)閉氣孔以維持其內(nèi)部水分平衡，導(dǎo)致光合作用減弱[47]，氣孔關(guān)閉使碳的同化作用減小，光系統(tǒng)Ⅱ吸收的光能過剩，造成光損傷[48-49]。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對枳[50]、番茄(Solanum lycopersicum)[51]、突厥薔薇(Rosa damascena)[52]、甘薯(Ipomoea batatas)[53]、云南藍(lán)果樹(Nyssa yunnanensis)[54]、刺槐[55]、柚木(Tectona grandis)[40]等多種植物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接種AMF 可有效促進(jìn)植物在干旱環(huán)境下的光合作用。以根內(nèi)根孢囊霉、摩西斗管囊霉接種刺槐，研究干旱條件下接種AMF 對刺槐光合特性的影響發(fā)現(xiàn)，

在干旱處理時(shí)接種AMF 可提高刺槐的光合作用水平，與未接種植株相比，接種根內(nèi)根孢囊霉刺槐的凈光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance, Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration, Ci)及蒸騰速率(transpiration rate,Tr)分別增加了164%、164%、111%和250%；接種摩西斗管囊霉則分別增加了72.89%、134%、111%和158%[55]。與未接種植株相比，總體上(即所有水分條件下的共生體)接種AMF 植物的Gs提高了24%，中度干旱下，接種AMF 植物的Gs是總體上的200%，重度干旱下，達(dá)400%[56]。干旱對光合作用的抑制分為氣孔限制和非氣孔限制[39]，在輕度干旱脅迫下，光合作用主要受氣孔限制的影響，隨著干旱的加重，非氣孔限制可能是影響光合作用的主要因素[49]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)因操作簡單、無損傷、快速等特點(diǎn)，被廣泛用于評估逆境對植物光合作用能力及能量轉(zhuǎn)化效率的影響[34]。在干旱條件下，刺槐[14]、柚木[40]、木棉(Bombax ceiba)[57]、小麥(Triticum aestivum)[48]在接種AMF 后均發(fā)現(xiàn)其保持了較高的光能利用效率及光保護(hù)能力，強(qiáng)化了植物在干旱脅迫下的生存能力。對木棉的研究中發(fā)現(xiàn)，在重度干旱處理15 天后，接種AMF 木棉與未接種木棉相比，其最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)量[Y(Ⅱ)]、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、光合電子傳遞速率(ETR) 分別提高了9.68%、389%、300%和408%，PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量[Y(NPQ)]、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量[Y(NO)]、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)則分別降低了52.50%、27.45%和22.95%[57]。有學(xué)者認(rèn)為接種AMF 植物在干旱脅迫條件下氣體交換能力強(qiáng)、光合機(jī)構(gòu)受傷害小，歸功于接種AMF維持了植物較高的水分狀況和WUE[5,46]，較高的水分狀況表明其能從根際吸收更多的水分，或者通過調(diào)控氣孔行為控制水分流失的能力更強(qiáng)[12]。

表 1 植物在干旱條件下不同層次上對接種AMF 響應(yīng)機(jī)制Table 1 Response mechanism of plants to inoculation AMF at different levels under drought conditions

磷(P) 作為植物生長必需的大量元素之一，是核酸、ATP 及多種酶等大分子的組成成分[58]。磷在酸性土壤易被鐵和鋁離子吸附，在堿性土壤易被鈣離子吸附，故全球范圍內(nèi)土壤有效磷普遍較低[59]，植物對磷的吸收依賴于擴(kuò)散，干旱條件下磷在土壤中的移動(dòng)性降低，會在根周圍形成貧磷區(qū)[4,60]，造成潛在的磷脅迫。對桑、向日葵(Helianthus annuus)、木棉及大豆(Glycine max)接種AMF 后，進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)干旱條件下接種AMF 植物的磷含量顯著高于未接種植物[61-64]。以摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉分別接種桑樹，與未接種桑樹相比，發(fā)現(xiàn)干旱處理時(shí)接種摩西斗管囊霉桑樹根的磷含量提高了278%(接種根內(nèi)根孢囊霉時(shí)不顯著)，接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉桑樹莖的磷含量分別提高了202%和107%；接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉桑樹葉片的磷含量分別提高了142%和63.84%[61]。干旱條件下，AMF 對植物吸收礦質(zhì)元素的積極作用已被廣泛報(bào)道，但其機(jī)理目前仍不完全清楚，歸納總結(jié)可能存在的機(jī)理如下：1) 根外菌絲間接擴(kuò)大了植物根系吸收范圍。接種AMF 植物其菌絲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了植物根部的營養(yǎng)耗竭區(qū)，擴(kuò)大了植物根系吸收范圍，且菌絲直徑比根系直徑小2 個(gè)數(shù)量級，能進(jìn)入直徑較小根系不能進(jìn)入的土壤孔隙內(nèi)，吸收礦質(zhì)元素[1,39,64]。2) AMF 可活化土壤中磷素。AMF 可分泌檸檬酸、乙酸、草酸等有機(jī)酸，使難溶性磷易于活化，增加土壤中有效磷的含量，提高宿主植物的磷營養(yǎng)[43,65]。3) AMF 可分泌酸性磷酸酶及提高宿主植物根圍土壤磷酸酶活性，促進(jìn)植物對有機(jī)磷的分解利用[58,66]。4) AMF 是無隔膜或隔膜非常少的菌絲體，菌絲內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)阻力小[67]，接種AMF 植物根內(nèi)磷的運(yùn)輸速率為20 mm·h-1，是非菌根植物的10 倍，故AMF 可促進(jìn)磷素的快速運(yùn)輸，增加植物體內(nèi)的磷素含量[43]。5) AMF 可上調(diào)植物根系磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)量，增加植物在干旱條件下對磷的吸收[58]。

2.2.3 AMF 在生化水平上增強(qiáng)植物抗旱性

當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，會產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，對植物造成氧化脅迫損傷。過量的ROS 對植物有害，但低濃度的ROS 水平對植物是必不可少的，因?yàn)樗鼈儏⑴c激活防御途徑的信號事件[68]。如正常條件下，接種根內(nèi)根孢囊霉大豆葉片和根的過氧化氫(H2O2) 濃度顯著高于未接種大豆葉片和根的H2O2濃度[69]。植物具有內(nèi)源抗氧化防護(hù)系統(tǒng)以保護(hù)自身免受ROS 的氧化損傷?？寡趸雷o(hù)系統(tǒng)分為酶促清除系統(tǒng)和非酶促清除系統(tǒng)，其中，酶促清除系統(tǒng)包含超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)等[4]。大量研究表明，干旱條件下，接種AMF 能降低ROS 對宿主的氧化損傷[21,29]。通常，有兩種機(jī)制解釋接種AMF 降低植物在干旱條件下的氧化損傷，一是接種AMF 可以提高植物抗氧化劑酶的活性或抗氧化劑的含量[70-71]，增強(qiáng)對ROS 的清除能力(圖1)。國內(nèi)外學(xué)者對香葉天竺葵[72]、角豆樹[15]、海棗(Phoenix dactylifera)[73]、玉米[74]、枳[13]、任豆(Zenia insignis)[75]等多種植物的研究結(jié)論表明，在干旱條件下，接種AMF 均可提高上述植物抗氧化酶類或抗氧化劑的含量，降低ROS 對植物的氧化損傷。其中，對接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉的海棗進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與未接種植株相比，接種摩西斗管囊霉和根內(nèi)根孢囊霉海棗的SOD 活性分別提高了13.0%和25.3%，POD 活性分別提高了10.4%和32.2%，CAT 活性分別提高了25.3%和48.1%，APX活性分別提高了40.8% 和50.6%，丙二醛含量分別降低了24.6%和34.2%，H2O2含量分別降低了15.5%和25.1%，氧化傷害降低了38.4%和55.7%[73]。二是接種AMF 植物在干旱條件下可通過根外菌絲直接吸收水分，轉(zhuǎn)運(yùn)給植物，降低了植物的干旱程度，避免了ROS 的產(chǎn)生[39,76]，盡管目前菌絲網(wǎng)絡(luò)對宿主植物供水量的多少說法不一，但菌絲直接吸水對干旱條件下的植物至關(guān)重要[77]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)在干旱條件下接種AMF 可促進(jìn)植物根H2O2外流，降低植物受氧化損傷的程度(圖1)。接種摩西斗管囊霉枳與未接種AMF 植株相比，發(fā)現(xiàn)接種AMF 顯著促進(jìn)了枳主根及側(cè)根的H2O2外流，降低接種AMF 枳在干旱脅迫下受到的氧化損傷[78]，Zou 等[79]的結(jié)論也證實(shí)了這一點(diǎn)，接種AMF 的枳在干旱脅迫下的低氧化猝發(fā)是較高的抗氧化酶活性、較高的H2O2外流及較高的Ca2+內(nèi)流共同作用的結(jié)果。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF 能促進(jìn)干旱條件下枳葉片鈣調(diào)蛋白(calmodulin，CaM) 的合成[12]，CaM 是Ca2+的靶分子，CaM 含量的增加將結(jié)合更多的Ca2+，增強(qiáng)信號強(qiáng)度及加快信號傳遞速率以觸發(fā)各種細(xì)胞反應(yīng)。

圖 1 AMF 提高植物抗旱性機(jī)制圖Figure 1 Possible mechanisms of AMF improving drought resistance of plants

滲透調(diào)節(jié)被認(rèn)為是植物適應(yīng)干旱的重要特征之一，對植物在脅迫條件下維持組織水分狀態(tài)有重要意義[5]。脯氨酸(Pro)是被研究得最多的一種作為滲透保護(hù)劑的游離氨基酸，當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)能在其體內(nèi)大量積累，對植物具有滲透保護(hù)作用[37]，這已經(jīng)在甘薯[53]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[37]、大豆[66]、紫穗槐(Amorpha fruticosa)[35]、白三葉[24]及青楊[20]等植物中得到了證實(shí)。以摩西斗管囊霉和隱類球囊霉(Paraglomus occultum)接種白三葉，與對照組相比，發(fā)現(xiàn)在干旱條件下接種摩西斗管囊霉和隱類球囊霉白三葉根的Pro 含量分別提高了153%和118%[24]。Pro 的積累有助于植物器官維持較高的水合作用及組織膨壓，保證植物生長及各項(xiàng)生理活動(dòng)在干旱條件下的正常進(jìn)行[80]。然而，也存在很多國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)論與上述結(jié)論相悖，在干旱條件下，接種AMF 玉米[74]、枳[13]、阿月渾子(Pistacia vera)[76]及青岡(Cyclobalanopsis glauca)[71]與未接種AMF 植株相比，均發(fā)現(xiàn)接種處理降低了植物Pro 含量。Zou 等[81]研究發(fā)現(xiàn)，枳在干旱條件下接種AMF降低了Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)活性，提高了脯氨酸脫氫酶(ProDH)活性，表明接種AMF 枳在干旱條件下較低的Pro 積累可能是Pro合成受抑制和Pro 降解的增加共同作用的結(jié)果。對上述迥異的結(jié)論有學(xué)者認(rèn)為可能是植物面對干旱脅迫采取的策略不同，即抗旱型(較高的脯氨酸積累)和避旱型(較低的脯氨酸積累)[82]。例如，中度干旱條件下，發(fā)現(xiàn)接種AMF 番茄的Pro 含量低于未接種AMF 番茄，作者認(rèn)為這歸功于接種AMF 提高了宿主植物WUE，改善了宿主植物的水分狀況，部分阻止了依賴Pro 的抗旱機(jī)制的誘導(dǎo)[83]?？扇苄蕴且嗍侵参锛?xì)胞中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，接種摩西斗管囊霉和隱類球囊霉枳與未接種相比，發(fā)現(xiàn)干旱條件下接種AMF 顯著提高了枳葉片中蔗糖、葡萄糖及果糖的含量[84]。故接種AMF 可改變植物在干旱條件下的糖代謝和脯氨酸代謝，增強(qiáng)其滲透調(diào)節(jié)能力。

作為固著的生物，植物必須調(diào)節(jié)自身生長發(fā)育以應(yīng)對外界刺激及不斷變化的環(huán)境條件[85]，植物激素在其中起關(guān)鍵作用。植物激素是植物自身代謝產(chǎn)生的一類信號分子，微量的植物激素就能產(chǎn)生顯著的生理效應(yīng)，可對各種環(huán)境脅迫做出快速響應(yīng)[86]。獨(dú)腳金內(nèi)酯(SLs) 是最近發(fā)現(xiàn)的一種新型植物激素，因其多功能的特性而備受關(guān)注[87-88]。叢枝菌根共生發(fā)育始于植物根系與AMF 發(fā)生物理接觸之前的信號交流，研究表明SLs 啟動(dòng)了其間的分子對話[89]。接觸前，AMF 孢子在土壤中萌發(fā)，其菌絲延伸生長是不定向及無目的性的[90]，直到SLs 被釋放到根際，一旦檢測到SLs，AMF 會激活氧化代謝，促進(jìn)菌絲生長和分枝，增加與宿主根物理接觸的機(jī)率，直至共生關(guān)系的形成[91]。研究表明，接種AMF 會誘導(dǎo)萵苣(Lactuca sativa)和番茄SLs 的合成，緩解干旱對生菜和番茄的負(fù)面影響，增強(qiáng)其耐旱性，通過實(shí)時(shí)定量PCR 對參與SLs 合成的兩個(gè)番茄基因SlCCD7和SlCCD8 的表達(dá)進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)SlCCD8 表達(dá)與水分條件及接種處理無關(guān)，接種AMF 顯著上調(diào)SlCCD7 在干旱條件下番茄根中的表達(dá)量[92]。植物對干旱環(huán)境條件作出一系列的生理生態(tài)響應(yīng)依賴于信號物質(zhì)的產(chǎn)生及傳遞[67]，土壤干旱信息在植物根與地上部傳遞主要依賴于非水力化學(xué)信號分子脫落酸(ABA)[67,93]。對枇杷(Eriobotrya japonica)[68]、枳[50]、萵苣[92]多種植物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)接種AMF可有效提高植物ABA 含量。有研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下，接種AMF 番茄顯著上調(diào)了兩個(gè)14-3-3 基因(ABA信號通路的關(guān)鍵基因)TFT2 和TFT3 的表達(dá)[94]，以調(diào)節(jié)氣孔行為，提高植物的WUE 和保水能力，增強(qiáng)植物對干旱的耐受性。然而，在干旱條件下，Wu 等[17]和Ren 等[95]發(fā)現(xiàn)接種AMF 枳和玉米的ABA 含量低于未接種AMF 植株。這可能與試驗(yàn)材料及測量方法有關(guān)。ABA 除介導(dǎo)植物應(yīng)答干旱脅迫外，研究發(fā)現(xiàn)，ABA 對宿主與AMF 共生關(guān)系的建立及運(yùn)行也很重要[50,92]。此外，干旱條件下，接種AMF 還提高了植物根生長素、茉莉酸甲酯及油菜素內(nèi)酯的含量[33]，較高水平的生長素、茉莉酸甲酯及油菜素內(nèi)酯有助于植物根系生長發(fā)育，提高植物對水分和養(yǎng)分吸收，增強(qiáng)其抗旱能力。

2.2.4 調(diào)控水通道蛋白基因的表達(dá)

水通道蛋白(aquaporins，AQPs) 作為植物主要的水分通道，其在干旱條件下的功能和調(diào)節(jié)一直是人們研究的熱點(diǎn)。植物在干旱條件下的抗旱性大小主要取決于植物AQPs 的活性。植物在持續(xù)干旱下的水分吸收過程受根葉滲透調(diào)節(jié)、根系構(gòu)型及AQPs活性的影響，但根系水力導(dǎo)度的調(diào)節(jié)主要?dú)w因于AQPs 活性[47]。接種AMF 枳與未接種植株相比，干旱條件下接種AMF 下調(diào)了枳根中的7 個(gè)PtPIPs 基因及3 個(gè)PtNIPs 基因的表達(dá)量，對6 個(gè)PtTIPs 基因的表達(dá)影響不顯著[96]。He 等[97]發(fā)現(xiàn)干旱條件下，接種AMF 上調(diào)刺槐的RpPIP2;1、RpTIP2;1 基因表達(dá)，下調(diào)RpTIP1;1、RpPIP1;3 基因表達(dá)。He 等[98]發(fā)現(xiàn)干旱條件下，接種AMF 上調(diào)了枳根中的PtTIP1;2、PtTIP1;3、PtTIP4;1 基 因 表 達(dá)， 下 調(diào) 了PtTIP2;1、PtTIP5;1 基因表達(dá)，對PtTIP1;1、PtTIP2;2 的表達(dá)影響不顯著。故干旱條件下接種AMF 對植物AQPs基因存在不同的調(diào)控模式。PIPs、TIPs 及NIPs 都是多基因家族，僅僅分析幾種基因可能不能說明問題。為此，李濤和陳保東[99]分析干旱條件下接種AMF 玉米根系的PIPs 家族共13 個(gè)基因的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)與未接種植株相比，接種AMF 上調(diào)了玉米根系8 個(gè)PIPs 基因(ZmPIP2;7 未檢測出)。上述接種AMF 對植物AQPs 不同的調(diào)控模式，表明上調(diào)表達(dá)有助于促進(jìn)植物吸收水分，改善植物干旱條件下的水分代謝，而下調(diào)表達(dá)有助于植物保水，阻止水分從根系細(xì)胞向干旱土壤的反向運(yùn)輸[44]，此外，AQPs 的調(diào)控方式是多元的，除上述轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控外，還有翻譯后修飾(磷酸化、糖基化等)及門控機(jī)制等[97]。例如，Quiroga 等[28]給玉米接種異形根孢囊霉(R. irregularis)，分析AMF、干旱脅迫及水孔蛋白抑制劑疊氮化鈉(NaN3)對玉米根系徑向水分運(yùn)輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)疊氮化鈉處理降低了干旱條件下玉米滲透根水力導(dǎo)度(hydraulic conductivity，Lo)，與未接種植株比，接種AMF 玉米其Lo 受NaN3抑制作用更小，相對質(zhì)外體水通量更大，導(dǎo)致其根系水力導(dǎo)度更高，作者認(rèn)為這種作用與AMF 通過翻譯后修飾調(diào)節(jié)AQPs 活性有關(guān)。

目前對AMF 調(diào)控自身AQPs 的研究較少，Li 等[19]首次從根內(nèi)根孢囊霉中克隆出兩個(gè)水孔蛋白基因GintAQPF1 和GintAQPF2，干旱條件下發(fā)現(xiàn)其在根外菌絲和富含叢枝結(jié)構(gòu)的玉米根系的皮層細(xì)胞中大量表達(dá)，促進(jìn)了水分從AMF 向玉米根系的轉(zhuǎn)運(yùn)，增強(qiáng)了玉米對干旱的耐受性。胡文濤[58]卻發(fā)現(xiàn)干旱脅迫僅上調(diào)Rir-AQP2 表達(dá)，下調(diào)Rir-AQP1 表達(dá)?？傊?，干旱條件下AMF 對植物及自身AQPs 的調(diào)控是復(fù)雜的，目前關(guān)于AMF 對植物AQPs 的調(diào)控研究主要集中在轉(zhuǎn)錄水平上，且研究的AQPs 基因種類數(shù)有限，缺乏系統(tǒng)深入的研究，以闡明其在干旱條件下轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的機(jī)理。

3 結(jié)語和展望

AMF 可增強(qiáng)植物對干旱的耐受性，減輕干旱對植物造成的損傷，其機(jī)制包括改善植物水分狀態(tài)、促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、優(yōu)化植物根系構(gòu)型、增強(qiáng)植物光合作用的能力、提高植物對礦質(zhì)元素的吸收、減輕活性氧對植物的毒害及促進(jìn)植物相關(guān)基因表達(dá)等?？傊珹MF 能增強(qiáng)植物的耐旱性(圖1)。

當(dāng)前，AMF 對植物的接種效應(yīng)的大多數(shù)試驗(yàn)是在溫室通過盆栽試驗(yàn)開展的(表1)，與盆栽試驗(yàn)有限空間相比，田間植物根系可利用的土壤體積更大，攝取的養(yǎng)分及水分更多。且AMF 對植物沒有嚴(yán)格的專一性，可通過菌絲可將同種或不同種的植物根系連接起來，形成地下菌根網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行資源的再分配[77]。因此，干旱對大田試驗(yàn)中的接種AMF植物的影響可能沒有盆栽試驗(yàn)中的影響大。故應(yīng)在大田條件下開展AMF 對植物的接種效應(yīng)的研究，為AMF 在田間的應(yīng)用提供理論依據(jù)，推動(dòng)AMF 應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。干旱地區(qū)降水少，蒸發(fā)強(qiáng)度大，干旱會促進(jìn)鹽分在土壤上層積累，造成土壤鹽堿化[100]，故植物常受旱鹽雙重脅迫，大量研究表明在可控條件下接種AMF 可提高植物的抗旱性及抗鹽性，但接種AMF 是否能在野外同時(shí)緩解旱鹽雙重脅迫仍不得知，因旱鹽的雙重脅迫可能會推翻可控條件下AMF 增強(qiáng)植物受單個(gè)脅迫抗性的結(jié)論，有待加強(qiáng)此方面的研究。研究共生對宿主植物水分代謝的影響有以真菌為中心和宿主為中心的方法[101]，得益于植物學(xué)相關(guān)研究方法和體系相對成熟，使得研究集中在以植物為中心方面且進(jìn)展迅速[102]，而以AMF 為中心的研究其則明顯滯后。究其原因，一方面與AMF自身生物學(xué)和遺傳學(xué)特性有關(guān)[102]，另一方面與AMF在植物根系中的轉(zhuǎn)錄豐度低，其分析的難度大有關(guān)。故今后應(yīng)重點(diǎn)開展AMF 共生體系協(xié)同抗旱機(jī)理方面的研究。