叢枝菌根真菌介導植物磷元素吸收機理的研究進展

吳昀紓，蔡柏巖

(黑龍江大學生命科學學院/黑龍江省寒地生態(tài)修復與資源利用重點實驗室/農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

磷是植物生長發(fā)育必需的主要營養(yǎng)元素之一，在提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量方面有重要作用。土壤中的磷主要包括有機態(tài)磷和無機態(tài)磷，其中有機態(tài)磷可分為植酸類磷、核酸類磷、磷脂類磷，而無機態(tài)磷可分為水溶態(tài)磷、吸附態(tài)磷、礦物態(tài)磷[1－3]。土壤中的無機磷易于被Ca2＋、Al3＋及Fe2＋等金屬陽離子吸附形成難溶物質(zhì)，從而造成土壤有效磷含量下降，抑制植物生長發(fā)育[4，5]。與其他元素相比，雖然土壤中有機磷和無機磷含量較高，但是一般僅有0.02%~0.20%的磷能被植物直接吸收和利用，因此土壤缺磷制約大多數(shù)植物的生長[6]。

缺磷會導致植物體內(nèi)的代謝途徑受阻，致使細胞分化受到影響，最終導致植物的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，如植株矮化、枝葉量減少、葉片暗黃、果實少而小等[7]。若磷素供給不足，植物外部和根系形態(tài)就會發(fā)生變化，生理生化特性也會出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，如根系分泌物不足、酶活性降低等[8，9]。目前為了增加土壤有效磷含量，人們通常施加大量磷肥，同時還有諸多研究表明解磷菌的存在可以有效提高土壤有效磷含量。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一類真菌，叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AMF)在植物根際土壤中的分布很廣泛[10]。AM真菌可以與大多數(shù)高等植物建立共生關(guān)系，這對生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[11]。AM真菌不僅在提高植物對環(huán)境的適應性方面發(fā)揮著巨大作用[12]，同時還能促進磷素吸收，對緩解外部生態(tài)環(huán)境脅迫起到很好作用[13，14]。土壤中解磷菌的存在對于植物生長及養(yǎng)分吸收具有重要影響，解磷菌能與固氮菌、根瘤菌等具有其他功能的微生物發(fā)生協(xié)同作用，促進植物的生長發(fā)育。AM真菌與土壤解磷菌關(guān)系密切，因此，研究AM真菌如何促進土壤解磷菌發(fā)揮作用，介導植物吸收土壤磷素具有重要意義。本文對國內(nèi)外關(guān)于叢枝菌根真菌介導植物磷元素吸收的作用機理進行綜述，并就將來的研究方向進行展望。

1 土壤中解磷菌的種類及解磷機制

1.1 解磷菌種類

土壤中的解磷菌包括細菌、真菌及放線菌，其中解磷細菌種類最多，解磷真菌的解磷能力最強(表1)[15]。

表1 解磷菌種類及優(yōu)勢菌種

1.2 解磷菌的解磷機理

解磷細菌分解無機磷的機理最常見的是解磷細菌分泌有機酸或同化釋放出H＋，降低環(huán)境pH值[16]。不同宿主植物以及不同土壤環(huán)境篩選出來的解磷優(yōu)勢菌不同，不同解磷細菌分泌的有機酸也不同。馮哲葉等[17]從大豆土壤中分離出7種解磷效果較佳的解磷菌，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)能分泌檸檬酸和草酸的解磷菌具有最好的解磷效果。而解磷細菌降解有機磷主要是通過分泌磷酸酶，進而酶解磷酸酯鍵，釋放無機磷酸來實現(xiàn)的。李文紅等[18]在西湖沉積物中分離篩選出兩株具有解有機磷能力的菌株，并發(fā)現(xiàn)解磷機理是酶解作用。陳丹陽等[19]利用平板溶磷圈法篩選出兩株解磷細菌JXJ－11和JXJ－15，發(fā)現(xiàn)其能夠分泌磷酸酶，降解不溶性磷，增加可溶性磷的濃度。

青霉菌和AM真菌是解磷真菌類別中兩類重要菌屬。張林[20]研究發(fā)現(xiàn)AM真菌與解磷細菌為互作關(guān)系，共同作用溶解土壤中的有機磷，提高有效磷濃度。何迪等[21]發(fā)現(xiàn)草酸青霉菌HB1通過分泌H＋，降低pH值實現(xiàn)溶磷作用，并且土壤中磷含量越低，解磷效果越好。劉春菊等[22]在以Ca3(PO4)2為磷源的固體培養(yǎng)基上篩選出一株高效解磷青霉菌株，并發(fā)現(xiàn)其解磷機制是菌株分泌有機酸，進一步溶解土壤中的難溶性磷酸鹽。

張炳火等[23]發(fā)現(xiàn)放線菌JXJ－0136在土壤中通過分泌有機酸(如H2C2O4、C3H6O3等)來溶解難溶性磷，使土壤中的有效磷增多，進而促進植物的生長發(fā)育。李學平等[24]在鹽堿化土壤中篩選出一株高效解磷放線菌F1312，表明在碳氮源為麥芽糖和酵母浸膏粉時，該解磷放線菌長勢最好。目前對解磷放線菌的研究較少，其作用機制仍有待深入研究。

2 AM真菌吸收和轉(zhuǎn)運磷的機理

2.1 AM真菌對解磷菌解磷能力的影響

土壤中存在著大量微生物，其中就包括解磷菌。解磷菌在土壤磷循環(huán)中起著重要作用，土壤中可被植物利用的有效磷也主要依靠解磷菌作用產(chǎn)生。AM真菌能夠?qū)⒅参?%~20%的光合產(chǎn)物運輸并分泌到周圍土壤中，為微生物提供碳源，促進微生物生長。Bharadwaj等[25]利用GC－MS方法測定發(fā)現(xiàn)，AM真菌菌絲分泌物主要包含單糖、有機酸和氨基酸等，而人們對于菌絲分泌物影響土壤微生物的研究較少。竹嘉妮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌顯著增加土壤中解磷細菌數(shù)量以及土壤磷酸酶活性，土壤有效磷含量增加。Zhang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，菌絲分泌物中的果糖和葡萄糖均能夠刺激解磷細菌生長，果糖刺激解磷細菌還能夠增加土壤磷酸酶活性。其主要原因是果糖刺激了解磷細菌磷酸酶基因和分泌系統(tǒng)相關(guān)基因的表達。這也進一步表明，AM真菌對于土壤解磷細菌的解磷具有積極作用。

2.2 AM真菌吸收磷的機理

菌根植物吸收磷元素主要通過以下兩種途徑:其一，植物根系直接從土壤中吸收磷素；其二，植物通過AM真菌共生體的菌根吸收磷素[28，29]。很多研究結(jié)果顯示，菌絲吸收的磷素遠遠高于植物根系吸收的磷素。土壤中的磷具有難溶解性、難遷移性[30]。如果土壤中的磷被植物根系吸收后，磷補充和供給不及時，就容易出現(xiàn)“缺磷區(qū)”。AM真菌以生物營養(yǎng)方式定殖于大多數(shù)植物的根皮層，并形成自由基外菌絲體。AM真菌的根外菌絲可以以植物為中心向四周蔓延，擴大了與土壤的接觸范圍，從而幫助寄主植物獲得水分和養(yǎng)分[31，32]。AM真菌菌絲具有延展性，可向根外磷素充足的區(qū)域延伸11.7 cm，即使AM真菌處在“缺磷區(qū)”，也能源源不斷地吸收土壤其他區(qū)域的磷素。此外AM真菌菌絲還具有以下優(yōu)勢:縮短根系養(yǎng)分吸收距離，提升土壤磷的有效空間。Zheng等[33]研究表明叢枝菌根真菌的菌絲能在土壤空隙中廣泛吸收磷素，并沿著菌絲傳輸給宿主植物。Cardoso等[34]認為AM真菌在土壤中吸收磷的機理與根系相似，但相比于植物根系，AM真菌菌絲的磷親和力更高，吸收的磷素自然就更多，AM真菌菌絲可以在更大的空間內(nèi)有效吸收磷。因此，在“缺磷區(qū)”，AM真菌菌絲吸收的磷素遠遠高于植物根系。

此外，AM真菌一旦有機會和宿主植物構(gòu)建共生體系，就可通過菌根釋放根系分泌物，也可誘導宿主植物釋放根系分泌物，如有機酸、磷酸酶等，對土壤中的有機磷進行礦化處理，提高磷酸酶的活性，為植物創(chuàng)造更有利的生長環(huán)境，提升植物體的磷吸收效率，促進植物體的生長發(fā)育[35，36]。孫金華等[37]認為AM真菌是通過水解無機磷和礦化有機磷兩個途徑來提高土壤磷的有效性。AM真菌能將無機固定態(tài)磷和有機磷轉(zhuǎn)化為有效磷，從而增加土壤有效磷含量[38]。AM真菌借助胞外菌絲，將磷元素吸收至真菌細胞質(zhì)中，通過細胞運輸將吸收的磷轉(zhuǎn)化為多聚磷，然后借助胞間菌絲將多聚磷分解為小分子，從而促進宿主植物的吸收利用[39，40]。

在低磷環(huán)境下，接種AM真菌的植物根系可以通過提高特異性磷酸酶活性，加快有機酸的產(chǎn)生，如HCOOH、C6H8O7、C3H6O3等，同時還能有效提高植物生長發(fā)育速度和磷素吸收效率[41，42]。然而磷濃度超過特定界限時，反而會對AM真菌生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用。Xu等[43]通過添加不同濃度的KH2PO4，發(fā)現(xiàn)菌根磷吸收與根系定殖存在顯著相關(guān)性。雖然在試驗研究中磷源一般都是以鉀、鈣形態(tài)結(jié)合的，但在現(xiàn)實環(huán)境中，叢枝菌根一般都是從土壤中吸收利用占總磷含量1/2到1/5的有機磷，土壤中的有機磷不能直接被植物根系所吸收，需要將其水解為更易吸收的可溶性磷酸鹽。宋勇春等[44]以紅三葉草為供試植物，發(fā)現(xiàn)在接種AM真菌后，紅三葉草堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性整體呈現(xiàn)升高趨勢，添加外源有機磷后，植物磷含量和酸性磷酸酶活性顯著升高，外源有機磷的利用率提升40%以上[45]。

2.3 AM真菌轉(zhuǎn)運磷的機理

磷酸轉(zhuǎn)運蛋白對磷具有較強親和能力和結(jié)合能力，能通過AM真菌根外菌絲體胞外膜的流動性和膜容性，對土壤中的游離態(tài)磷進行富集，并經(jīng)胞飲胞吞等胞外轉(zhuǎn)運作用，將磷吸收至外菌絲體細胞環(huán)境中，并借由磷酸酶和氧化酶等，將游離態(tài)磷轉(zhuǎn)化為活性磷酸鹽。磷酸鹽在胞內(nèi)電化學電位梯度的作用下，會轉(zhuǎn)化為多聚磷酸鹽，并被包納儲存于AM真菌的胞內(nèi)液泡中[46，47]。根內(nèi)菌絲體能將多聚磷酸鹽再次轉(zhuǎn)化為低聚集小分子狀態(tài)的磷酸鹽，并釋放到根系細胞間，由植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白將磷酸鹽轉(zhuǎn)運至植物體的其他部位，參與植物體的代謝循環(huán)[48]。寄主植物吸收磷的范圍、深度和空間體積，因為菌絲結(jié)構(gòu)體參與，同正常植物根系相比，都得到了擴大和拓展。受定殖菌絲的影響，寄生根的磷酸鹽親和力更強，即使在土壤環(huán)境中磷素處于生境脅迫水平時，通過根部所聚集吸收的磷也能保證主體植物正常生命活動所需[49]。

目前，已經(jīng)從AM真菌中檢測出3種不同的磷酸轉(zhuǎn)運蛋白(GvPT、GiPT、GmosPT)，當植物處于缺磷狀態(tài)時，根外菌絲會表達磷酸轉(zhuǎn)運蛋白基因，將菌根攝取的磷向宿主植株有序傳輸[50]。經(jīng)過菌絲轉(zhuǎn)運，磷元素會進入?yún)仓毎麅?nèi)，AM真菌誘導宿主植物Pht1家族部分成員表達，以提升植物體的磷素吸收率。

3 磷從菌絲到植物根系的遷移轉(zhuǎn)化路徑

磷從菌絲到植物根系的遷移轉(zhuǎn)化過程具體如下:首先磷主動從土壤中向AM真菌遷移，然后向菌絲和根系的臨界面遷移，最后磷從菌絲和根系的臨界面向根系遷移。宿主植物吸收多少磷取決于AM真菌菌絲和根毛之間磷傳遞速率[51，52]，AM真菌與宿主植物磷含量的差值決定磷的遷移方向和速率，菌絲和根系的磷濃度梯度決定磷的被動傳輸[53]。

Jiang等[54]研究發(fā)現(xiàn)，有機磷的富集和礦化作用及解磷細菌在有機磷斑塊中的遷移和轉(zhuǎn)運，能通過AM真菌胞體外菌絲得到刺激和加強。解磷細菌必須借以菌絲分泌物形式存在的有機酸類作為能源供給，完成向有機磷斑塊中的遷移運動。同時還利用真菌體外培養(yǎng)試驗，對AM真菌菌絲分泌物影響解磷細菌的生理途徑和活動模式相關(guān)方面進行研究，發(fā)現(xiàn)在真菌菌絲邊緣形成的厚水膜中，解磷細菌存在大量運動軌跡。

4 同位素示蹤技術(shù)研究植物吸收磷

同位素標記能夠通過AM真菌檢測和量化土壤和植物之間的養(yǎng)分通量。借助同位素示蹤技術(shù)(isotopic tracer technique)可以在AM真菌、宿主植物的礦質(zhì)養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運的研究方面取得更深入的進展。如依托于32P、33P示蹤技術(shù)研究植物吸收磷素情況，可以發(fā)現(xiàn)菌根途徑的作用不容忽視[55]。而且對比于非菌根營養(yǎng)植物而言，接種AM真菌后，菌根營養(yǎng)植物的磷素攝取量更高，同時還能將磷轉(zhuǎn)運給宿主植物。Cruz-Paredes等[56]將含磷標記的土壤進行分隔培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在菌根植物根中，磷轉(zhuǎn)運蛋白可能完全失活，吸收磷幾乎完全歸因于菌根途徑。Yang等[57]將32P示蹤技術(shù)應用于白車軸草試驗中，同樣證實接種AM真菌的植物對磷素的吸收更強。Ardakani等[58]借助32P示蹤技術(shù)進一步研究了接種AM真菌植物對磷素的吸收情況，結(jié)果顯示植物獲取磷素的多少取決于菌根吸收效率的高低。

5 展望

植物根系只有從土壤中吸收足夠量的鉀、鈉、銨等磷酸鹽，才能滿足其正常的生長發(fā)育需求。不可否認，土壤磷素匱乏已然成為現(xiàn)階段影響糧食作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。為了提高土壤磷素利用效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提升人們的生活質(zhì)量，推廣AM真菌接種生物技術(shù)勢在必行。近年來，叢枝菌根與植物磷素供給途徑方面的研究受到越來越多的關(guān)注，目前絕大部分研究僅局限于對其現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和推理，極少涉及到代謝途徑和有關(guān)機理的實現(xiàn)過程，未來應在以下幾個方面進一步深度研究:①注重目前現(xiàn)有試驗結(jié)果和發(fā)現(xiàn)機理與大田試驗進行關(guān)聯(lián)分析和深化研究，推導二者之間存在的數(shù)學關(guān)系與邏輯聯(lián)系，達到科學研究、實踐推廣的核心目的，并將種植模式[59－61]和施肥技術(shù)[62－64]等經(jīng)典農(nóng)學方法相互結(jié)合；②雖然在植物磷攝取、轉(zhuǎn)運中磷轉(zhuǎn)運蛋白起著至關(guān)重要的作用，但由于研究的滯后性，無論是基于形態(tài)學機制還是基于分子學機制而言，關(guān)于磷轉(zhuǎn)運蛋白的研究還有待深入。③深化研究根際土壤微生物，利用組織化學分析、分子生物學技術(shù)、同位素標記等多元化方法，全方位多層次地展開研究，力求使AM真菌和根際微生物間達到最佳的作用效果。隨著對其相互作用機理研究的不斷深入，AM真菌與根際微生物的研究有望在生態(tài)學上取得突破，這對于提高植物根系磷的吸收速率和土壤磷素利用率具有重要意義。