野大麥–內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草的潛力淺析

翟紆潤，陳振江，魏學凱，陳泰祥，段廷玉，李春杰

（蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020）

我國草地面積遼闊，分布廣泛，種質(zhì)資源豐富，各類天然草地有4.0 × 108hm2，約占國土面積的2/5[1]，栽培草地面積約2.1 × 107hm2[2]。主要分布在西藏、陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、新疆、青海、四川和黑龍江等13 個省份，其中西藏的天然草地面積最大，內(nèi)蒙古栽培草地面積最大[3]。但在當代社會，經(jīng)濟的快速發(fā)展推動著城市化和工業(yè)化的進程，造成的環(huán)境污染問題日益嚴重，伴隨著水土流失、過度開墾以及自然災害等，我國草地退化程度不斷加深。20 世紀60年代到21 世紀初，各類草地單位面積產(chǎn)草量降低了近40%, 嚴重地區(qū)下降近70%[4]，草地的生態(tài)服務功能和生態(tài)質(zhì)量持續(xù)下降，不僅嚴重限制畜牧業(yè)的發(fā)展，破壞草地生態(tài)環(huán)境，而且使得動物、微生物乃至人類的生存環(huán)境也受到嚴重威脅，因此保護生態(tài)環(huán)境刻不容緩。

生態(tài)草是以生態(tài)建設為主要目的的用草，生態(tài)草建設是對草地蓋度在60%以下的生態(tài)脆弱區(qū)，選擇合適的生態(tài)草種，采取“五字(封、造、補、種、改)”治理方針，來遏制草地“三化(沙化、荒漠化和鹽堿化)”，達到恢復和改善植被的目的[5]。我國吉林省生態(tài)草建設已取得顯著成效(表1)，羊草(Leymus chinensis)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、檉柳(Tamarix chinensis)和堿茅(Puccinellia distans)等作為生態(tài)草種被廣泛應用，它們均具有較強的耐鹽堿性、耐旱性，繁殖能力強，根系發(fā)達，對退化草地有顯著的改善作用[6-9]。目前，土壤鹽堿化已經(jīng)成為世界性問題之一，我國鹽堿化土壤的面積約1.0 × 108hm2，其導致農(nóng)業(yè)落后、單產(chǎn)水平低，制約著經(jīng)濟發(fā)展[10]。前人研究發(fā)現(xiàn)，星星草(Puccinellia tenuiflora)[11]、堿茅[9]和堿蓬(Suaeda salsa)[12]等耐鹽植物在濱海鹽漬土種植兩年后的土壤脫鹽率分別為22.9%、28.5%和26.83%，土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀等含量均呈上升趨勢。因此，種植耐鹽植物對鹽漬化土壤有明顯的修復效果，同時也取得了較好的經(jīng)濟效益。

表1 我國吉林省生態(tài)建設成果Table 1 Ecological construction achievements in Jilin Province, China

野大麥(Hordeum brevisubulatum)在我國北方地區(qū)的輕鹽漬化的草甸上分布廣泛，其具有根系發(fā)達、分蘗株叢密，青草產(chǎn)量高，抗逆性強，適應性廣等特點[13]，其中對于野大麥耐鹽性的研究相對較多，在植株發(fā)育的不同時期用NaCl、NaCl-Na2CO3等鹽溶液或復合鹽溶液進行處理，雖然對野大麥的生長發(fā)育有抑制作用，但也表現(xiàn)出較強的耐鹽性[14-15]。除了用來放牧家畜、調(diào)制干草和青貯飼料等發(fā)揮飼用價值外，在改良鹽漬化土壤、防風固沙、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境以及維護生態(tài)平衡等方面均做出巨大貢獻[13]。禾草內(nèi)生真菌是指在禾草內(nèi)度過全部或大部分生命周期，而禾草不顯示外部癥狀的一類真菌，主要包括香柱菌(Epichlo?)屬真菌[16]。很多研究證明，禾草內(nèi)生真菌可以提高宿主對生物脅迫和非生物脅迫的耐受性[17-18]，這對野大麥–內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草提供了理論基礎。本研究對野大麥–內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草的潛力進行闡述，以期充分利用野大麥–內(nèi)生真菌共生體這一種質(zhì)資源，服務于栽培草地建設、退化草地改良等方面，以加快生態(tài)環(huán)境改善的步伐。

1 野大麥的優(yōu)良特性、利用價值及其與內(nèi)生真菌的關系

野大麥亦稱野黑麥、短芒大麥草、萊麥草，是禾本科大麥屬多年生草本植物。野大麥屬于強分蘗型禾草，生長繁茂，再生能力和自我繁殖能力極強，可快速形成優(yōu)勢種群[27]，抑制毒害雜草的入侵。其種子成熟期較為一致，落粒性強，不易收集，但有利于自然繁殖[13]，這也是作為生態(tài)草的優(yōu)良特性之一。野大麥抗逆性強，可以在低洼積水處或干旱條件下生長，在極低溫(?40 ℃)環(huán)境下能夠安全越冬，表現(xiàn)出較強的耐澇性、耐寒性和耐旱性[28-29]。野大麥喜生于輕鹽漬化的草甸、林緣等潮濕環(huán)境中，主要分布在我國華北、東北、西藏、青海、內(nèi)蒙古等地[30]，有研究顯示，野大麥的耐鹽能力與芨芨草(Achnatherum splendens)和堿茅等相似，其對鹽堿土壤的改良效果僅次于堿茅(表2)。因而，野大麥可以作為水土保持植物，對鹽漬化土壤進行利用、改良或在低濕低洼地區(qū)建立栽培草地等方面具有重要意義。野大麥生長發(fā)育快，花后營養(yǎng)期長，草質(zhì)柔軟，家畜喜食，由于莖稈木質(zhì)纖維少，在抽穗期和開花期葉量較少時，適口性良好[34]，可用于刈割、放牧、加工草粉、調(diào)制干草或青貯等，是一種優(yōu)良的野生牧草。因此，野大麥具有良好的生態(tài)價值和飼用價值，對改良環(huán)境和促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

表2 羊草、野大麥和堿茅耐鹽性比較Table 2 Comparison of the salt tolerance of Leymus chinensis, Hordeum brevisubulatum, and Puccinellia distans

Wilson 等[35]于20 世紀90年代初首次在野大麥體內(nèi)發(fā)現(xiàn)Epichlo?屬內(nèi)生真菌，WBE1、WBE3 和WBE4為野大麥種子中分離獲得的代表性菌株，其分類地位為Epichlo? bromicola[36]。內(nèi)生真菌與野大麥共同進化，具有非寄生性，形成了互惠互利的共生關系[37]。禾草內(nèi)生真菌一方面可以通過拮抗作用、誘導宿主防御或產(chǎn)生抗蟲生物堿Peramine 和Loline，提高宿主對生物脅迫和非生物脅迫的耐受性，如抗蟲性[38]、抗病性[39]、耐寒性[40]、耐鹽堿性[41]、耐旱性[42]和耐重金屬脅迫[43]等，降低了各種不利的環(huán)境條件、病原體和害蟲對宿主植物的危害；另一方面內(nèi)生真菌產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，如麥角生物堿和吲哚二萜等，對家畜產(chǎn)生毒性[44-45]。盡管有研究顯示野大麥–內(nèi)生真菌共生體可以產(chǎn)生麥角類生物堿[46]，但分離自甘肅臨澤野大麥的WBE1、WBE3 和WBE4 菌株僅可以產(chǎn)生抗蟲生物堿Peramine 和麥角類生物堿前體化合物Chanoclavine I，而不能合成對家畜有毒的麥角類生物堿[47]，這充分展現(xiàn)出野大麥–內(nèi)生真菌共生體的經(jīng)濟優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢，為其作為生態(tài)草奠定理論基礎。

2 內(nèi)生真菌對野大麥的影響

2.1 內(nèi)生真菌對野大麥生長發(fā)育的影響

植株的發(fā)芽指標、形態(tài)指標、生理指標、光合指標以及營養(yǎng)元素指標等客觀反映其生長發(fā)育狀況，而內(nèi)生真菌侵染的植物其生長發(fā)育受到一定影響[48-49]。野大麥的種子存在較強的休眠性，剛收獲的種子發(fā)芽率極低，僅為6.3%，將其貯藏2～5年后發(fā)芽率較高，但是貯藏7年后急劇下降，貯藏10年后發(fā)芽率僅為20%[50]。浸種、去稃、紅外線照射等方法可以打破休眠，提高野大麥的種子發(fā)芽率[51]。禾草內(nèi)生真菌主要通過宿主種子垂直傳播[52]，在幼苗生長發(fā)育較適宜的環(huán)境條件下，內(nèi)生真菌對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響不顯著(P> 0.05)，但在逆境條件下如人工老化處理[53]、鹽分脅迫[39]、酸堿脅迫[54]、水分脅迫和溫度脅迫[42]，其扮演著重要角色，表現(xiàn)為侵染內(nèi)生真菌(E+)的野大麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根長和胚芽長等發(fā)芽指標顯著高于未侵染內(nèi)生真菌(E–)的種子(P< 0.05)。殺菌劑甲基托布津處理E+野大麥時，抑制了發(fā)芽指標、形態(tài)指標和營養(yǎng)元素指標，而對生理抗性指標和光合指標沒有顯著影響[55]。

在三因素試驗中，低濃度茉莉酸(JA)與內(nèi)生真菌互作可以減輕鹽脅迫對野大麥的危害，且E+的發(fā)芽指標顯著高于E– (P< 0.05)，0.1 μmol·L?1的JA 處理是鹽脅迫下野大麥種子萌發(fā)的最適濃度[56]。而當種帶真菌、內(nèi)生真菌和鹽脅迫三者互作時，盡管E+和E–間的表現(xiàn)與上述一致，但野大麥接種種帶真菌后對種子發(fā)芽指標均有抑制作用，其中燕麥鐮刀菌(Fusarium avenaceum)、根腐離蠕孢(Bipolaris sorokiniana)和細交鏈孢菌(Alternaria alternata)的抑制作用更強[57]。此外，三者的交互作用也影響著野大麥生長及生理變化(表3)。內(nèi)生真菌還可以調(diào)控地上和地下部分的氮、磷含量，改善地下部分對鈉的吸收[58]，叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)與內(nèi)生真菌互作時，也表現(xiàn)上述特性，尤其是在脅迫條件下表現(xiàn)更為顯著[59]。

表3 內(nèi)生真菌(E)、病原真菌(J)、茉莉酸(JA)和鹽脅迫(S)互作對野大麥部分指標的影響Table 3 Effects of interactions between endophytic fungi (E), pathogenic fungi (J), jasmonic acid (JA), and salt stress (S)on the morphological indices, physiological resistance indices, photosynthetic indices,nutrient element indices, and alkaloid content of wild barley

內(nèi)生真菌除影響野大麥生長外，其微生物群落和根際土壤的化學性質(zhì)也與內(nèi)生真菌有關[60]。這一系列的研究證明，內(nèi)生真菌對提高野大麥生長的可抗逆性具有重要作用，內(nèi)生真菌的侵染不僅促進野大麥種子萌發(fā)，而且與多種因素共同作用時，對生物量、株高和分蘗等都有積極作用，調(diào)節(jié)植物對營養(yǎng)元素的吸收和生理代謝活動，有利于野大麥在復雜的草地生態(tài)系統(tǒng)中形成穩(wěn)定的群落，對改良土壤、改善生態(tài)環(huán)境做出重要貢獻。

2.2 內(nèi)生真菌對野大麥抗性的影響

前人的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生真菌侵染禾草后，可以提高宿主抵抗不良環(huán)境的能力以及免受病蟲的危害[61]，可以將這一優(yōu)良特性應用在野大麥的生態(tài)改良進程中。但當家畜不慎誤食帶有內(nèi)生真菌的禾草，會導致中毒。研究人員早在1993年就有了一個明確的目標，即發(fā)揮禾草內(nèi)生真菌的有益作用，但對采食家畜不產(chǎn)生毒性[62]。

2.2.1 抗病性

隨著對生態(tài)環(huán)境的重視以及國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的城市綠化正在加速完善，栽培草地面積也在不斷擴大，病害已經(jīng)成為制約草地生產(chǎn)的主要限制因子，與其他科相比，在禾本科上發(fā)現(xiàn)的病害種類最多，高達1 289 種，其中有391 種為病原真菌[63]。Matthias 等[64]報道了Rph13基因座的分子遺傳學特征，它是野大麥抗葉銹病的一種基因，隨后在大麥品系PI 531 849 中被應用。

當野大麥內(nèi)生真菌和病原菌互作時，發(fā)現(xiàn)不論是在溫室還是離體葉片條件下，孢子濃度降低和病斑擴張速度減慢，以及各項生理指標均有所改善[65]；在生態(tài)系統(tǒng)中有更強大的生長力和較高的存活率，例如，鏈格孢屬(Alternariasp.)病原真菌[66]、球囊霉屬(Glomusspp.) 菌根真菌[59]等。但也有研究表明，草地生態(tài)系統(tǒng)中病害的發(fā)生受多種因素的影響，導致內(nèi)生真菌侵染的禾草對真菌病害的抗性表現(xiàn)出差異，可能內(nèi)生真菌不能單獨提高宿主的抗病性，而是通過提高其他抗性來間接提高抗病性[67]。

2.2.2 抗蟲性

內(nèi)生真菌可以產(chǎn)生抗蟲生物堿，從而提高禾草的抗蟲性[68]。野大麥在鹽脅迫下提高了內(nèi)生真菌的菌絲密度而間接提高了Peramine 的含量，增強了抗蟲性[36]。Clement 等[38]也強調(diào)了內(nèi)生真菌在賦予野生大麥抗蟲性方面的潛在重要性，因此內(nèi)生真菌為野大麥作為抗蟲生態(tài)草的改良提供了有力的幫助。

2.2.3 耐鹽堿性

我國西北內(nèi)陸和濱海地區(qū)的鹽漬土壤分布較多，不僅對西北地區(qū)的生態(tài)恢復與重建造成了障礙，而且嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。目前，土壤鹽漬化導致的生態(tài)問題在世界范圍引發(fā)廣泛關注[69]。野大麥是泌鹽鹽生植物，在輕鹽漬化的草甸上生長良好[13,30]。前人關于野大麥耐鹽機制的研究有很多，通過克隆技術得到rbcS1、rbcS2[70]、HbCBL4、HbCBL10[71]、Bstl、Bst6、Bstl7、Bst22[72]等與鹽脅迫誘導基因，為深入研究野大麥耐鹽性分子機制奠定了基礎。用轉錄組測序技術(RNA-Seq)探索野大麥的耐鹽基因[73]；利用RAPD-PCR 技術篩選野大麥耐鹽新品系并進行突變品系鑒定和穩(wěn)定性檢驗[74]；在鹽脅迫下探索野大麥的反應機制[75]；利用組織培養(yǎng)和人工誘變技術，選育出“軍需一號”耐鹽堿的野大麥優(yōu)良品種[76]；篩選和鑒定野大麥的耐鹽變異體[77]等，這些都為利用野大麥解決生態(tài)問題和改善土壤鹽漬化奠定了基礎。

內(nèi)生真菌能夠緩解鹽過量引起的對植株的傷害，提高野大麥種子耐鹽性，改善各項形態(tài)指標和生理抗性指標[78]。內(nèi)生真菌侵染改變了野大麥多個代謝途徑(如糖代謝、脂代謝、多胺代謝、氨基酸代謝、次生代謝物、信號轉導等)，導致其相關基因發(fā)生差異表達，例如內(nèi)生真菌可以調(diào)控野大麥體內(nèi)茉莉酸的合成，而茉莉酸信號通路與野大麥的耐鹽機制有關[79]；內(nèi)生真菌的存在增強腐胺向亞精胺和精胺的轉化以及從自由形態(tài)和可溶性共軛形態(tài)多胺向不溶性結合形態(tài)多胺的轉移能力，降低了腐胺：(亞精胺 + 精胺)比值，這是內(nèi)生真菌提高野大麥對鹽脅迫抵抗能力的主要機理之一[41]。此外，轉錄因子(WRKY33、WRKY40、WRKY56、WRKY70) 調(diào)控著野大麥對鹽脅迫的耐受性[79]。最新研究表明，在鹽脅迫下，內(nèi)生真菌通過改變野大麥的解剖結構，防止水分流失和運輸能力下降，使植株保持較好的營養(yǎng)水平，從而抵抗鹽脅迫的消極影響[80]。

2.2.4 其他非生物抗性

干旱脅迫影響草坪的持久性和草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而影響栽培草地和生態(tài)環(huán)境建設。高滲透脅迫條件下，E+的野大麥種子萌發(fā)及幼苗的生長與E–相比具有顯著優(yōu)勢(P< 0.05)[42]。除此之外，在其他逆境，如溫度脅迫、水分脅迫、酸堿脅迫、人工老化以及多種因素互作條件下，內(nèi)生真菌對野大麥的生長均起到一定的促進作用。

3 展望

生態(tài)草坪和草坪生態(tài)工程已成為我國草坪發(fā)展和草地生態(tài)系統(tǒng)改善的必由之路，野大麥作為潛在的生態(tài)草種，有諸多優(yōu)良特性，尤其是與內(nèi)生真菌形成的共生體具有多種抗性。但目前野大麥內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草廣泛應用還面臨許多困難。與羊草、紫花苜蓿等生態(tài)草相比，野大麥的品種較少且育成時間晚，目前僅有“軍需一號”和“薩爾圖”野大麥兩個品種，又因其種子落粒性強，雖然對其自然繁殖有積極影響，但采種較為困難。

與黑麥草(Lolium perenne)、葦狀羊茅(Festuca arundinacea)和醉馬草(Achnatherum inebrians)內(nèi)生真菌共生體體系的研究相比，野大麥 – 內(nèi)生真菌共生體的研究較少，主要集中在生理生化方面的抗性研究和對畜牧業(yè)影響的研究，而缺乏在生態(tài)系統(tǒng)等方面探索，需要全面認識野大麥與內(nèi)生真菌的互作機制，充分挖掘其在生態(tài)領域的巨大潛力。因此，為將野大麥 – 內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草在實際中廣泛應用，應關注以下幾點：

第一，加快野大麥育種的步伐。在華北、東北等野大麥廣泛分布的地區(qū)挖掘內(nèi)生真菌資源，篩選優(yōu)良菌株，形成更加優(yōu)良的野大麥–內(nèi)生真菌共生體新品系；第二，優(yōu)良的野大麥–內(nèi)生真菌共生體進行種子擴繁，改善采種困難的現(xiàn)狀，在鹽漬化土壤上可大面積推廣，發(fā)揮巨大的生態(tài)價值；第三，內(nèi)生真菌與抗逆基因結合進一步提高野大麥的抗逆性。目前雖然野大麥抗逆基因的報道較少，但已經(jīng)足夠說明基因對提高抗性具有重要意義，內(nèi)生真菌侵染對其抗性也有積極作用，而內(nèi)生真菌與基因相結合對野大麥抗性的研究還尚未報道，應充分利用二者優(yōu)勢，挖掘內(nèi)生真菌提高野大麥耐受性的基因，推進野大麥–內(nèi)生真菌共生體的研究進程；第四，野大麥–內(nèi)生真菌共生體可以結合農(nóng)藝、工程以及最新研究技術，在具有不施用或少施用化學藥劑、易養(yǎng)護管理、高經(jīng)濟效益等特點的初級生態(tài)草坪的基礎上，建植高質(zhì)量并兼具景觀、生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的高級生態(tài)草坪；第五，內(nèi)生真菌與禾草互作對生態(tài)系統(tǒng)的影響。前人研究發(fā)現(xiàn)昆蟲食物網(wǎng)受禾草內(nèi)生真菌的影響，內(nèi)生真菌限制了植物向消費者的能量傳遞，食物網(wǎng)顯示出在交替營養(yǎng)水平上昆蟲的豐富度減少[81]；因此有必要對野大麥–內(nèi)生真菌共生體與生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用進行探索，了解二者間的作用機制，為合理利用內(nèi)生真菌提供理論基礎。

綜上所述，野大麥內(nèi)生真菌共生體作為生態(tài)草有巨大優(yōu)勢，不僅在提高草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能，保持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，而且與改善人類生存環(huán)境，實現(xiàn)人與自然和諧相處等方面具有重要意義。