菌根真菌及菌根輔助細(xì)菌對農(nóng)作物發(fā)育的影響研究進(jìn)展

孫 歌，接偉光，胡 崴，張穎智，喬 巍，魏麗娜，姜怡彤，白 莉

（黑龍江東方學(xué)院食品工程學(xué)院，哈爾濱 150066）

0 引言

菌根真菌(Mycorrhizal fungi)是指一種可以侵染植物根系形成菌根的真菌[1]。近年來，關(guān)于菌根真菌與植物間共生關(guān)系的研究較多，植物與菌根真菌間的動(dòng)態(tài)相互作用可以促進(jìn)植物從土壤中對礦物質(zhì)的有效吸收，并對各種環(huán)境脅迫（生物和非生物）提供保護(hù)[2]，但有研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象與研究較少的菌根輔助細(xì)菌（Mycorrhizal helper bacteria，簡稱MHB）同樣密切相關(guān)[3]。MHB是一類能夠與菌根真菌特異性結(jié)合，促進(jìn)菌根真菌對宿主的侵染及促進(jìn)植物生長發(fā)育的特殊根際促生細(xì)菌[4]。研究表明，MHB在通過觸發(fā)植物生長因子促進(jìn)菌根共生的同時(shí)，還可以促進(jìn)根真菌的孢子萌發(fā)、根系定殖、代謝多樣性和土傳疾病的生物防治[5]。菌根真菌與MHB共同作用時(shí)可以促進(jìn)植物生長、降低土傳疾病的發(fā)生以及提高土壤中養(yǎng)分的有效性和植物的吸收率[6-7]。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于菌根真菌及MHB間的協(xié)同作用對農(nóng)作物所產(chǎn)生的影響研究仍有不足。

本文對國內(nèi)外菌根真菌及菌根輔助細(xì)菌間協(xié)同作用的研究成果進(jìn)行了概述，并將其協(xié)同作用對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響進(jìn)行梳理歸納，旨在闡述二者間協(xié)同作用的機(jī)制對農(nóng)作物促生及抗逆性情況、土壤理化性質(zhì)及土壤中微生物多樣性的影響等方面，為進(jìn)一步制備復(fù)合生物菌劑、健康綠色地提高農(nóng)作物產(chǎn)量、修復(fù)受損土壤及降低農(nóng)藥殘留等問題提供理論參考，并分析了該領(lǐng)域今后研究的主要方向。

1 菌根真菌及菌根輔助細(xì)菌

1.1 菌根真菌

菌根是指真菌與植物根系形成的互惠共生體，根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，菌根分為叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza)、外生菌根(ectomycorrhiza)、內(nèi)外生菌根(ectendomycorrhiza)、蘭科菌根(orchid mycorrhiza)、漿果鵑類菌根(arbutoid mycorrhiza)、水晶蘭類菌根(monotropoid mycorrhiza)和歐石楠類菌根(ericoid mycorrhiza)七種類型，其中叢枝菌根、外生菌根、蘭科菌根和歐石楠類菌根是較為常見的4種類型[8]。能夠侵染植物根系形成菌根的真菌叫做菌根真菌。菌根真菌在5億年前就已經(jīng)和陸生植物形成相互有利、互為條件的生理整體，并各有形態(tài)特征的共生體。共生的核心是植物固碳與真菌獲得的養(yǎng)分的雙向交換。菌根真菌菌絲體既可以在土壤內(nèi)部和表層直接或間接地與其他有益生物進(jìn)行相互作用，并且在土壤生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)參與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化吸收、循環(huán)利用過程[9]；在維持大氣成分平衡、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)、增加生物多樣性、穩(wěn)定和保持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)力等方面發(fā)揮作用[10]，又可以通過與寄主植物根系結(jié)合，提高植物對養(yǎng)分及水分的吸收，抗鹽抗病能力，釋放植物激素及酶類促進(jìn)植物生長[11]。

1.2 菌根輔助細(xì)菌

Garbaye[4]通過對菌根內(nèi)細(xì)菌的分離、鑒定及共生作用的分析，首次提出了MHB的概念。MHB通過根系對真菌的感受性、根際土壤的改良和真菌繁殖體萌發(fā)等方式作用于菌根。目前，在外生菌根的研究中，MHB可通過產(chǎn)生生長因子、解毒拮抗物質(zhì)、抑制競爭對手，來促進(jìn)孢子萌發(fā)和菌絲生長。菌絲生長變化代表了MHB對真菌的適應(yīng)性優(yōu)勢以及真菌與寄主植物密切的聯(lián)系[12]。MHB可以提高外生菌根真菌對植物幼苗的侵染率，增強(qiáng)其定殖狀況，進(jìn)而促進(jìn)植物生長[13-14]。MHB分兩類：第一類是通過產(chǎn)生分解孢子壁的酶類、以及其他揮發(fā)性物質(zhì)如萜類化合物等，進(jìn)而促進(jìn)孢子的萌發(fā)及形成細(xì)菌[15]；第二類則是通過改變了菌根真菌對無機(jī)鹽的吸收影響孢子萌發(fā)，建立共生系統(tǒng)[16-17]。目前，已經(jīng)分離鑒定的MHB主要包括農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)、伯克霍爾德氏菌屬(Burkholderia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、類芽孢桿菌屬(Paenibacilus)以及放線菌鏈霉菌屬(Streptomyces)等[18]。

2 菌根真菌與MHB協(xié)同作用對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響

2.1 對農(nóng)作物的促生作用的影響

菌根真菌與MHB的接觸是產(chǎn)生協(xié)同作用的必要條件，而且菌根真菌及MHB之間的相互作用是特定的，植物根系及根際微生物的存在會(huì)影響其協(xié)同作用[19-21]。MHB主要通過以下兩種方式促進(jìn)菌根真菌侵染及菌絲生長，增強(qiáng)對植物根部的定殖狀況，從而對植物起到促生作用[22-23]。

（1）MHB直接促進(jìn)菌根真菌侵染及菌絲生長，增強(qiáng)對植物根部的定殖狀況。MHB能促進(jìn)羥脯氨酸等酚類化合物的產(chǎn)生，增強(qiáng)真菌共生體的侵襲性。Elisa等[24]發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)可以促進(jìn)AMF在番茄植株根部進(jìn)行定殖，且接種熒光假單胞菌后，顯著增加植物葉片磷含量及植物礦質(zhì)營養(yǎng)，對番茄植株生長起到促進(jìn)作用。Xie等[25]研究中發(fā)現(xiàn)，淀粉液化桿菌(Liquefaciens starch)也可促進(jìn)AMF在植物中定殖，且接種淀粉液化桿菌后，較好地提升了白花苜蓿和野豌豆的質(zhì)量和光合效率。此外，蒙氏假單胞菌(Pseudomonas monteiliiHR13)能夠促進(jìn)彩色豆馬勃(Pisolithussp.)菌絲的徑向生長，增強(qiáng)外生菌根真菌侵染率，更好地保障了其在金合歡根部定殖的促進(jìn)效果，從而使其對金合歡的生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響[26]。由此可見，MHB通過提高菌根真菌侵染率及定殖情況，對植物生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響。

（2）MHB作為媒介促進(jìn)菌根真菌菌絲生長，增強(qiáng)對植物根部的定殖狀況。MHB會(huì)向真菌孢子中注入分子、細(xì)菌產(chǎn)生揮發(fā)物以及真菌細(xì)胞壁的降解，從而促進(jìn)菌絲生長，增強(qiáng)其在植物根部的定殖狀況[27]。蜂房類芽孢桿菌(Bacdllus aiaei)可以通過較強(qiáng)的幾丁質(zhì)酶合成能力將環(huán)境中的纖維素降解為N-乙酰葡萄糖氨，促進(jìn)菌根定殖。此外，Shinde[28]發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌SBW25與雙色蠟?zāi)?Laccaria bicolor)的協(xié)同作用促進(jìn)了楊樹根的菌根化，并且可以抑制楊樹根的抗真菌防御反應(yīng)，提高了雙色蠟?zāi)⑴c楊樹根形成外生菌根互作的能力。此外，還發(fā)現(xiàn)花粉識別傳感器整合多種環(huán)境信號來下調(diào)花粉化相關(guān)基因簇，與整合來自根際的信息下調(diào)根中抗真菌防御反應(yīng)基因相類似，而且植物根部對MHB活性的潛在分子機(jī)制是與花粉識別傳感器同源的蛋白質(zhì)。由此可見，花粉識別傳感器適合作為根中抗真菌防御反應(yīng)基因的預(yù)測機(jī)制。此外，熒光假單胞菌與長柄蠟?zāi)?Laccaria trichodermophora)間的協(xié)同作用使得蒙松的菌根率高達(dá)93.5% ～98.5%，且表現(xiàn)出較高的生物量積累和鉀含量[29]。由此可見，MHB可以降解環(huán)境中部分物質(zhì)、代謝具有抑菌作用產(chǎn)物及提高根際微生物活性等多方面促進(jìn)菌絲生長增強(qiáng)定殖狀況，豐富植物土壤微生物多樣性，對植物生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響。

2.2 對農(nóng)作物抗病抗逆性的影響

菌根真菌與MHB的協(xié)同作用不僅可以提高菌根真菌的侵染率及定殖狀況，而且可以在協(xié)同過程中MHB會(huì)代謝出具有抗菌作用的代謝產(chǎn)物，對植物土傳病原菌進(jìn)行防治，在促進(jìn)菌根真菌侵染的同時(shí)，降低植物患病的危險(xiǎn)性[30]。此外，菌根真菌也可作為殺菌劑作用在植物根部，增強(qiáng)對病原真菌的抗性，降低病害。根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)可作為殺菌劑抑制尖刀鐮孢菌的生長，降低黃萎病的危害，并增強(qiáng)對該病原真菌的抗性[31]。蜂房類芽孢桿菌通過代謝會(huì)產(chǎn)生具有抑菌作用的毒性蛋白質(zhì)、抗菌肽，抑制土壤中其它病原微生物的生長，這兩種方式均利于美味牛肝菌(Boletus edulis)生長及菌根合成，顯著提高了黑松松苗生物量[32]。此外，熒光假單胞菌在與外生菌根真菌雙色蠟?zāi)⒐餐饔闷陂g，會(huì)產(chǎn)生間苯三酚、奮乃嗪、吡咯啉和吡羅氮等抗菌代謝物，這幾種代謝產(chǎn)物對植物土傳病原菌都有防治作用，可以抑制根病原真菌生長[33-35]，促進(jìn)植株生長發(fā)育，提高植物抗病性。侯亮亮等[36]研究發(fā)現(xiàn)MHB的代謝產(chǎn)物中有抑制菌根際周邊病原菌的活性成分，對由絲核菌(Rhizoctonia)引起的黑松猝倒病有顯著的抑制作用。不僅如此，既接種AMF又接種蒙特利假單胞菌(Pseudomonas Monterey)的毛喉鞘蕊花在為期2年的大田試驗(yàn)條件下，大幅度降低根腐病和枯萎病的發(fā)生率，提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)植株生長[37]。Reis等[38]研究發(fā)現(xiàn)外生菌根真菌紅菇菌(Russulasp.)與伯克霍爾德菌(Burkholderia)，二者間協(xié)同作用對干旱環(huán)境中的具有重要的可持續(xù)作用，對于氣候變化的恢復(fù)能力發(fā)揮重要作用。由此可見，菌根真菌及MHB在協(xié)同作用代謝的抗菌代謝物，可以顯著降低土傳病原菌的侵害，提高作物產(chǎn)量，增強(qiáng)作物抗病性，促進(jìn)作物生長發(fā)育而且可以通過提高植株抗逆性，增加植株生物量。

3 菌根真菌及MHB對土壤性質(zhì)的影響

土壤質(zhì)量是指土壤在一定生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)支持生物的生產(chǎn)能力，凈化環(huán)境能力，促進(jìn)動(dòng)植物及人類健康的能力。土壤質(zhì)量是由多種化學(xué)、物理和生物因素及其相互作用決定的[39-40]。微生物活動(dòng)有助于植物適應(yīng)性和土壤質(zhì)量，對可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵問題有所幫助[41]。MHB與菌根真菌間的協(xié)同作用通過促進(jìn)菌絲生長，增強(qiáng)定殖情況改良根際土壤[42]。

在引起炭腐病的殼球孢菌(Macrophomia phaseolina)以及砷(As)污染土壤的存在下[43]，AMF 通過菌根共生，顯著增加大豆植株生物量，顯著降低As在植物組織中的濃度，菌根化降低了As和病原菌的氧化損傷。MHB促進(jìn)AMF菌絲生長，增強(qiáng)定殖狀況，二者的協(xié)同作用會(huì)有效提高作物產(chǎn)量。接種檸檬色短小桿菌(Curtobacterium citreum)及AMF后發(fā)現(xiàn)，接種植株礦質(zhì)營養(yǎng)較好，且土壤中Ca/Mg比值較高且金屬元素遷移率較低，顯著提高了莎草的干重，并證實(shí)這些差異與檸檬色短小桿菌促進(jìn)菌根定殖呈正相關(guān)[27]。此外，AMF與伯克霍爾德菌二者共同作用時(shí)促進(jìn)根定植或菌絲、孢子生長減少微塑料度土壤的污染[45]。屈慶秋[46]研究發(fā)現(xiàn)同一柴油濃度下，接種外生菌根真菌絨粘蓋牛肝菌(Suillus tomentosus)及惡臭假單胞菌處理柴油降解效率顯著高于單接種絨粘蓋牛肝菌。土壤質(zhì)量與農(nóng)作物的種植息息相關(guān)，菌根真菌-MHB的協(xié)同作用不僅可以對受污染的土壤叢林進(jìn)行修復(fù)，而且可以降低土壤污染帶給農(nóng)作物生長發(fā)育的損失、增長土壤的肥力、提高土地質(zhì)量以及加大農(nóng)作物吸收土壤中有益元素的效率，使土地中的營養(yǎng)最大程度的被農(nóng)作物吸收。

4 菌根真菌及MHB對土壤微生物多樣性的影響

微生物對溫度、pH、滲透壓和大氣壓等的適應(yīng)范圍極廣，使得土壤中存在大量微生物。MHB與菌根真菌間的協(xié)同作用，在促進(jìn)菌根真菌生長的同時(shí)，產(chǎn)生具有抗性的代謝產(chǎn)物，將土壤中有害微生物進(jìn)行殺滅，提高有益微生物所占比例，豐富土壤中微生物多樣性。豐富的土壤環(huán)境不僅提高土壤肥力，改善土壤質(zhì)量，而且可以促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高產(chǎn)量[47]。在綠色屋頂?shù)难芯恐?，同時(shí)接種AMF及MHB后，較淺基質(zhì)中的菌群生物量有增加的趨勢，在含有更多碎混凝土的淺地和含有更多碎磚的深地中發(fā)現(xiàn)真菌生物量增加[48]。接種AMF及根管球囊菌(Coccidiosis of root canal)后土壤內(nèi)微生物指標(biāo)值有顯著增加[49]。Sigrid等[50]研究結(jié)果表明，土壤微生物群落組成，受植物生長因子組成和非生物土壤性質(zhì)的影響大于植物物種豐富度本身的影響。土壤中大部分的微生物對作物生長發(fā)育是有益的，它們對土壤的形成發(fā)育、物質(zhì)循環(huán)和肥力演變等均有重大影響。由此可知，菌根真菌與MHB產(chǎn)生協(xié)同作用后，對土壤微生物的物種多樣性及功能多樣性有著積極的影響，可以更好地豐富土壤中微生物菌群的種類，提高土壤中微生物的數(shù)量[51]。

5 展望

近年來，人們對綠色種植、保護(hù)土壤環(huán)境、農(nóng)作物安全及產(chǎn)量等問題越發(fā)注重，微生物菌肥這一新型綠色無污染的高效肥料愈發(fā)引起人們關(guān)注。大量研究表明，菌根真菌、菌根輔助細(xì)菌及農(nóng)作物，三者之間形成了一個(gè)密集、活躍的細(xì)菌群落，MHB促進(jìn)菌根真菌的發(fā)育和功能，提高菌根真菌對作物根系的侵染率，二者相輔相成、相互促進(jìn)，對農(nóng)作物的生長發(fā)育、抗病性、土壤質(zhì)量及土壤微生物多樣性具有積極的影響。然而，利用二者間協(xié)同作用所開展的研究及微生物菌肥的開發(fā)研究進(jìn)展較緩慢的原因有以下幾個(gè)問題：（1）由于菌根真菌及MHB的種類較多，所制備的微生物菌肥還未能夠全面投入到農(nóng)作物的種植過程中；（2）菌根真菌與MHB間協(xié)同作用過程中具體的信號通路、分子機(jī)制仍不清楚；（3）菌根真菌與MHB間協(xié)同作用對農(nóng)作物生長發(fā)育是否有其他影響等許多問題也有待進(jìn)一步探索。

目前，利用菌根真菌及MHB協(xié)同作用制作的微生物菌肥已經(jīng)成為代替曾經(jīng)化學(xué)肥料的重要途徑。農(nóng)作物的產(chǎn)量與人民生活息息相關(guān)，中國人口眾多，在如今這樣的工業(yè)化時(shí)代，中國大部分土壤都被濫用的化肥和農(nóng)藥所污染，而利用菌根真菌及MHB間協(xié)同作用的微生物菌肥，不僅可以在保護(hù)環(huán)境的前提下提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善土壤質(zhì)量并且修復(fù)受損土壤，而且可以使微生物菌肥在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中將發(fā)揮巨大的作用。關(guān)于菌根真菌及MHB間的協(xié)同作用、分子機(jī)制及基礎(chǔ)應(yīng)用方面都應(yīng)進(jìn)行更加深入的研究。