菌根真菌與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中不同真菌相互作用研究進(jìn)展

吳佳育，胡 偉，楊智宇，楊洪一，3，李麗麗

（1. 東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；3. 黑龍江省酶與類酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過程中，自然界中的生物體建立了復(fù)雜的體內(nèi)、體外相互作用網(wǎng)絡(luò)，以利于生物的生存及物種穩(wěn)定性的保持。自然界中大部分植物根部都有菌根真菌定殖，菌根真菌可與宿主形成互利共生的關(guān)系，一些植物沒有菌根真菌定殖甚至無法生存。早期研究主要集中于菌根真菌與植物之間的共生互作，近年來菌根真菌與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中其他真菌之間的相互作用也逐漸受到關(guān)注。在真菌相互作用的研究中，人們較多關(guān)注真菌間的拮抗作用，如運(yùn)用菌根真菌來抑制植物病原真菌，真菌間的互惠共生關(guān)系受研究手段限制，相關(guān)研究偏少[1]。已有研究表明，菌根真菌同植物根際土壤真菌間互作利于植物礦質(zhì)元素的吸收及植物生長(zhǎng)發(fā)育[2]，但其互作機(jī)制尚不明晰。因此，對(duì)菌根真菌與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中不同真菌間的相互作用進(jìn)行綜述，以期基于分子生態(tài)學(xué)視角揭示互作機(jī)制，進(jìn)而調(diào)控真菌間的互作，維持植物根際微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 菌根真菌簡(jiǎn)介

菌根是真菌與植物根的共生體。根據(jù)菌根形態(tài)學(xué)及解剖學(xué)特征，可將菌根分為3 類：外生菌根（Ectomycorrhiza，ECM）、內(nèi)生菌根（Endomycorrhiza）和內(nèi)外生菌根（Ectoendomycorrhiza）。上述3 類菌根中的真菌還可細(xì)化為多種類型。目前，國內(nèi)外的研究主要集中于叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）[3?7]上。AMF 可與大多數(shù)植物形成菌根共生體[8]。此外，也有一些關(guān)于專性共生菌根真菌的研究，如杜鵑花類菌根真菌（Ericoid mycorrhizal fungi，EMF）可專性定殖于杜鵑花科植物毛根中[9]。

較多菌根真菌無腐生能力或腐生能力較弱，其生命周期的大部分階段與植物形成菌根共生體存在，與寄主植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[10]?，F(xiàn)有研究表明，菌根真菌能夠提高植物的抗逆性[11?13]，如抗旱性、抗熱性、耐澇性、抗鹽性、抗病性、耐寒性、耐酸性、耐蟲性等。菌根真菌在分解有毒物質(zhì)、修復(fù)退化生境中的應(yīng)用也較普遍[14]。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們注重化肥、農(nóng)藥的施入，卻忽視了菌根真菌等有益微生物的生物學(xué)作用。在未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，菌根真菌生物學(xué)功能具有巨大的應(yīng)用空間。大量研究顯示，菌根真菌對(duì)農(nóng)作物、園藝植物、藥用植物的生產(chǎn)具有十分重要的 作 用[3?7，13?18]。在 藥 用 植 物 方 面，可 通 過 接 種 菌 根真菌調(diào)控藥用植物生長(zhǎng)，增加藥用物質(zhì)含量，提高藥材品質(zhì)。其中，在藥用植物次生代謝方面，黎海靈等[19]研究發(fā)現(xiàn)，接種混合AMF 菌劑可誘導(dǎo)滇重樓次生代謝產(chǎn)物的變化。

菌根真菌不但與植物發(fā)生復(fù)雜的相互作用，與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中其他真菌間也存在復(fù)雜的相互作用，并影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物病原真菌會(huì)與菌根真菌競(jìng)爭(zhēng)寄主植物的光合產(chǎn)物及定殖位點(diǎn)，從而導(dǎo)致菌根真菌定殖率下降[20]。有研究表明，當(dāng)ECM 真菌豐度較低時(shí)，腐生真菌在高磷酸酶活性位點(diǎn)的定殖能力比ECM 真菌強(qiáng)，而土壤中的無機(jī)磷酸鹽主要被腐生真菌吸收，從而影響林木的磷素吸收[21]。因而，解析菌根真菌的生物學(xué)功能，開展菌根真菌與植物及其他微生物之間互作機(jī)制的研究刻不容緩。

2 菌根真菌與植物內(nèi)生真菌的相互作用

植物內(nèi)生真菌是生活于健康植物各種組織和器官的細(xì)胞間隙或細(xì)胞內(nèi)的真菌[22]。內(nèi)生真菌可以單獨(dú)或與其他微生物菌群共同定殖于植物體內(nèi)[23]。內(nèi)生真菌的定殖有助于提高植物的生物量及葉綠素含量，還可提高其抗氧化酶活性，增強(qiáng)植物的抗逆性[24]。菌根真菌和內(nèi)生真菌常共存于植物根部，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。菌根真菌與內(nèi)生真菌互作是國內(nèi)外菌根學(xué)研究中最活躍、最具應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一。菌根真菌、內(nèi)生真菌與植物的雙重共生會(huì)更加真實(shí)地反映植物的微生態(tài)系統(tǒng)，因此，探究植物如何與不同真菌建立共生體并從中找到平衡點(diǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值[25]。

內(nèi)生真菌和AMF可發(fā)生復(fù)雜的相互作用，影響寄主植物的生長(zhǎng)發(fā)育[26]。大量研究表明，AMF 與內(nèi)生真菌同時(shí)存在時(shí)，可顯著提高植物的生長(zhǎng)參數(shù)[27?30]。如共同接種AMF 及禾草內(nèi)生真菌，可顯著降低黑麥草葉斑病的發(fā)病率[28]；對(duì)鹽脅迫處理下黑麥草的研究結(jié)果表明，黑麥草內(nèi)生真菌與AM 真菌在不同鹽分處理下均對(duì)黑麥草的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，且兩菌的協(xié)同作用比較明顯[29]；CHARLOTTE 等[30]在黑麥草中單獨(dú)接種AMF 后，其生物量和地上部Na、P、K、Mg 含量與未接種對(duì)照相比均顯著增加，單獨(dú)接種內(nèi)生真菌增加了黑麥草地上部Na 含量，而雙重接種AMF 和內(nèi)生真菌顯著降低了黑麥草地上部Cd含量。

LARIMER 等[31]基于Meta 分析認(rèn)為，AMF 和內(nèi)生真菌是否產(chǎn)生協(xié)同作用取決于植物和內(nèi)生真菌之間的關(guān)系。內(nèi)生真菌感染對(duì)宿主不利時(shí)，AMF 可緩解其不利影響，協(xié)同作用就會(huì)發(fā)生；內(nèi)生真菌對(duì)宿主有利時(shí)，其可能會(huì)抑制AMF 的作用[32]。LIU等[33]的研究結(jié)果表明，AMF 與禾草內(nèi)生真菌互作與植物的磷供給以及可溶性碳水化合物含量均有關(guān)，推測(cè)AMF-植物-內(nèi)生真菌三重互作體系可能由共生向寄生轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換過程與養(yǎng)分、寄主及真菌種類相關(guān)。

深色有隔內(nèi)生真菌（Dark septate endophyte，DSE）是研究最廣泛的內(nèi)生真菌之一，為植物內(nèi)生真菌的主要類群[34]。DSE廣泛地存在于健康植物根的表皮、皮層甚至維管束組織的細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙，能夠在植物細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙形成微菌核，但不會(huì)在根組織內(nèi)出現(xiàn)由病原菌所引起的病理學(xué)特征。DSE 在脅迫生態(tài)系統(tǒng)（如干旱、低溫等）植物根系中定殖率較高[35]。當(dāng)前，已在較多植物根中發(fā)現(xiàn)了DSE 和AMF 共存[36?38]。不同根部微生態(tài)系統(tǒng)中菌根真菌和DSE 的定殖研究結(jié)果表明，DSE 可能與菌根真菌一樣豐富[39]。NEWSHAM 等[40]的研究發(fā)現(xiàn)，DSE 在極地比菌根真菌更常見。BUENO DE MESQUITA 等[41]的研究表明，在氮磷含量較低的低海拔地區(qū)，AMF 定殖率較高；在有機(jī)氮含量較高的地區(qū)，DSE 定殖率較高，推測(cè)DSE 在有機(jī)氮礦化中具有重要作用。DSE 能提高植物形成叢枝菌根的比例，并促進(jìn)新根的發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收[42]。在高緯度、高海拔、高寒環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)礦化慢，DSE 的促生作用更明顯[43]。也有報(bào)道表明，DSE對(duì)植物無促生作用或產(chǎn)生不利影響，這可能與養(yǎng)分、菌株或植物種類有關(guān)[43?44]。此外，試驗(yàn)條件下滅菌基質(zhì)中缺少其他真菌的競(jìng)爭(zhēng)，因而易造成DSE 過度增殖，對(duì)植物產(chǎn)生不利影響。一些研究認(rèn)為，DSE可能具有類似菌根真菌的功能[45]，作為菌根真菌的備份體系，在特定條件下發(fā)揮菌根真菌的功能。在山毛櫸林中，低pH 值條件下，AMF 可能會(huì)被DSE 和內(nèi)生真菌替代[46]。LUGO等[38]的研究表明，叢枝結(jié)構(gòu)與DSE 定殖呈正相關(guān)關(guān)系。此外，也有報(bào)道表明，AMF 與DSE 定殖呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[47]。這可能是AMF與DSE 競(jìng)爭(zhēng)碳源、定殖位點(diǎn)，或其產(chǎn)生的可溶性、揮發(fā)性次級(jí)代謝產(chǎn)物影響了其他真菌的定殖所致。內(nèi)生真菌產(chǎn)生代謝產(chǎn)物并分泌到土壤中，影響AMF的定殖，甚至內(nèi)生真菌菌絲體死亡后，其在土壤中殘存的代謝產(chǎn)物仍會(huì)影響AMF的定殖[48]。

研究表明，DSE 也可與EMF 共定殖于杜鵑花科植物毛根中[49?50]。GORZELAK 等[51]的研究表明，隨海拔升高，越橘毛根可培養(yǎng)真菌優(yōu)勢(shì)種由DSE 向EMF 轉(zhuǎn)變。VOHNíK 等[52]報(bào)道了DSE 和EMF 共定殖于杜鵑毛根中，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并推測(cè)與緯度、海拔相關(guān)，且二者可能存在功能上的互補(bǔ)。已有的研究主要聚焦于DSE與EMF在不同環(huán)境、不同植物種類中的分布，關(guān)于二者共定殖的生物學(xué)功能則鮮有報(bào)道。VOHNíK 等[53]首次報(bào)道了DSE、EMF對(duì)杜鵑營養(yǎng)吸收及生長(zhǎng)的影響，認(rèn)為DSE、EMF 對(duì)杜鵑的促生作用與菌株種類有關(guān)。DSE 和EMF 定殖率較低，推測(cè)其主要功能是礦化有機(jī)N、P，利于植物吸收，而非其直接吸收養(yǎng)分。YANG 等[54]的研究結(jié)果也表明，不同地域越橘毛根中EMF與DSE的定殖呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且高通量測(cè)序結(jié)果中EMF、DSE所對(duì)應(yīng)的Read之間也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在杜鵑花科植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中，DSE、EMF可共定殖于杜鵑花科植物毛根中，但不同組織中的豐度可能不同。杜鵑花科植物根尖區(qū)域?yàn)槲捶只?xì)胞的聚集體，DSE 可在根尖內(nèi)定殖。由于缺乏表皮細(xì)胞，EMF 不能在杜鵑花科植物根尖區(qū)域定殖。在成熟根中，EMF 可能為優(yōu)勢(shì)菌[54]。DSE 也能定殖于成熟根，并侵入不同組織。植物可能通過一些特定策略，如通過次級(jí)代謝產(chǎn)物、養(yǎng)分等來調(diào)控EMF與DSE 的平衡。在成熟根中，表皮層消失，皮層細(xì)胞膨大成為根的最外層，DSE 可定殖于此區(qū)域，吸收衰老細(xì)胞養(yǎng)分并轉(zhuǎn)運(yùn)給其他細(xì)胞[54]。DSE可能是EMF的備份系統(tǒng)，在一些極端環(huán)境條件下當(dāng)EMF無法定殖或發(fā)揮功能時(shí)，DSE 則大量定殖并發(fā)揮分解、吸收養(yǎng)分及抗逆等功能。EMF 與DSE 共定殖于杜鵑花科植物毛根可能對(duì)植物的生長(zhǎng)是有利的[2]。總體來看，DSE 在杜鵑花科植物毛根中的生態(tài)學(xué)功能尚不確切，關(guān)于DSE 與EMF 的互作機(jī)制也未見報(bào)道。

3 菌根真菌與植物病原真菌的相互作用

化學(xué)防治在植物病害防治中的應(yīng)用日趨受限，菌根真菌作為可能的生物防治措施引起了人們的密切關(guān)注。菌根真菌可與植物病原真菌產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，影響病原真菌定殖，提高植物對(duì)病原真菌的抗性[55]。菌根真菌的作用機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)[56?58]：菌根真菌在植物根外部形成菌絲屏障，在植物根內(nèi)部誘導(dǎo)根系形態(tài)改變，增加機(jī)械強(qiáng)度，阻止病原物的侵入；菌根真菌與病原真菌競(jìng)爭(zhēng)侵染位點(diǎn)、養(yǎng)分和空間，限制了病原真菌侵染植物組織，從而減弱病原真菌的致病能力，增強(qiáng)根部對(duì)病原真菌的耐病性；一些菌根真菌具有重寄生作用，可直接破壞病原真菌菌絲體結(jié)構(gòu)，影響病原菌的正常生理代謝活動(dòng)；菌根真菌能夠改變植物根圍的微生物區(qū)系，增強(qiáng)具有拮抗病原菌作用的根際微生物的活性，間接抵抗病原真菌的侵染；菌根真菌能夠誘導(dǎo)植物合成保護(hù)酶，激活寄主的防御機(jī)制，進(jìn)而增強(qiáng)植物的抗病性。此外，已有的研究表明，菌根真菌在植物間可形成菌絲橋，并可在植物受到病原菌侵襲時(shí)傳遞抗病信號(hào)，從而增強(qiáng)植物對(duì)病原菌的防御[59]。

菌根真菌與病原真菌之間的關(guān)系較復(fù)雜，并隨環(huán)境等相關(guān)因子的變化而變化。菌根真菌與病原真菌之間的關(guān)系可概括為無效應(yīng)、正效應(yīng)以及負(fù)效應(yīng)3 種[60]：菌根真菌與病原真菌之間互不影響即為無效應(yīng)；菌根真菌對(duì)病原真菌具有拮抗作用，促使植物抗病性的提高即為正效應(yīng)；菌根真菌增加了植物對(duì)病原真菌的敏感性，加重植物病害即為負(fù)效應(yīng)[61?64]。

植物根腐病、黃萎病、潰瘍病、紋枯病等病害的病原均為真菌。目前，人們已對(duì)黃瓜[60]、小麥[63]、香蕉[65]、棉花[66]、青楊[67]等不同種類植物菌根真菌-病原真菌的相互作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下菌根真菌能夠起到抵御病原真菌侵染、減輕病害的作用，但AMF 對(duì)胡椒病原真菌的防治效果不佳[68]。一些研究也表明，病原真菌侵入后降低了菌根真菌的侵染率[66]?？傮w來看，菌根真菌的抑菌效應(yīng)往往受植物種類及品種、病原菌生理小種、環(huán)境等多重因子的共同影響[69]。

4 菌根真菌與植物根際土壤真菌的相互作用

土壤被稱為微生物大本營，土壤中微生物種類繁多，影響植物根際微環(huán)境，研究土壤真菌與菌根真菌間的相互作用具有重要生產(chǎn)實(shí)踐意義。菌根真菌可提高根際微生物的多樣性，并使根際微環(huán)境趨于穩(wěn)定[70?71]。TORRES等[72]的研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF后，葡萄園土壤中子囊菌和接合菌的相對(duì)豐度增加，子囊菌可參與有機(jī)質(zhì)的分解，接合菌可抑制土壤中的植物病原體，因而接種AMF可能有利于控制或減輕葡萄病害。

菌根真菌可通過調(diào)節(jié)根際微生物群落結(jié)構(gòu)來影響植物，同時(shí)根際土壤真菌又可影響菌根真菌的定殖。 FRACCHIA 等[73]研究了土壤酵母（Rhodotorula mucilaginosaLBA）對(duì)AMF 的影響后發(fā)現(xiàn)，土壤酵母的分泌物促進(jìn)了AMF 菌絲生長(zhǎng)，菌絲長(zhǎng)度隨土壤酵母分泌物的增多而增長(zhǎng)。向豆科植物接種土壤酵母后再接種AMF，可顯著提高AMF的定殖率。宰學(xué)明等[74]利用摩西球囊霉（Glomus mosseae）、毛霉（Mortierellasp.）分別單接種、混合接種檳梅后發(fā)現(xiàn)，接種的3 種菌劑均可增強(qiáng)低磷環(huán)境下檳梅對(duì)磷素的吸收，同時(shí)促進(jìn)了插條生根以及植株生長(zhǎng)；混合接種時(shí)，AMF 侵染率最高，且對(duì)植株的促生效應(yīng)最顯著。

近年來，人們對(duì)土壤中廣泛存在的木霉菌與菌根真菌接種組合進(jìn)行了廣泛研究。在溫室條件下，聯(lián)合接種AMF 和生防真菌綠色木霉（Trichoderma viride）可以改善洋蔥的生長(zhǎng)參數(shù)（植株鮮質(zhì)量、植株干質(zhì)量、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、葉面積），增加總?cè)~綠素、類胡蘿卜素和葉中總色素含量；接種綠色木霉提高了AMF 的 定 殖 率[75]。 哈 茨 木 霉（Trichoderma harzianum）有利于AMF 侵入非寄主的十字花科植物根部，并提高植物的生產(chǎn)力。POVEDA 等[76]的研究表明，雙接種哈茨木霉T34 及AMF 顯著提高了擬南芥和油菜的產(chǎn)量，而單接種AMF植物的角果產(chǎn)量較低?？傮w來看，一些木霉菌株可促進(jìn)AMF 的定殖，菌根真菌與木霉菌聯(lián)合接種能充分發(fā)揮二者的生防作用[77?79]，降低植物的發(fā)病率。

然而，自然條件下植物根際土壤微環(huán)境復(fù)雜多樣，如何在不同環(huán)境條件下利用不同菌種/菌株來促進(jìn)菌根真菌的定殖，并較大程度發(fā)揮促生作用，尚需進(jìn)一步研究。

5 展望

綜上所述，近年來國內(nèi)外關(guān)于菌根真菌與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中不同真菌之間相互作用的報(bào)道較多，研究主要是圍繞著養(yǎng)分轉(zhuǎn)換、病害防控、真菌互作對(duì)植物的影響等方面展開的。菌根真菌與土壤真菌、內(nèi)生真菌共存于植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中，可能是在環(huán)境壓力下植物與微生物共進(jìn)化過程中的優(yōu)化選擇，這種共存模式對(duì)植物的生長(zhǎng)是有利的?？傮w來看，不同真菌在植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)學(xué)功能尚不確切，對(duì)于真菌之間如何相互作用、如何被宿主植物遺傳學(xué)和環(huán)境條件等因素改變、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的具體影響等尚不清楚。在互作過程中，不同真菌之間吸收的養(yǎng)分是否可互相利用、是否具有協(xié)同增效作用、是否存在著分子對(duì)話（Cross talk）、如何對(duì)話等問題也亟需探明。此外，已有的雙接種研究多數(shù)是基于特定菌種/菌株進(jìn)行的互作分析，混合多菌種/菌株的接種較少。事實(shí)上，自然條件下是不同類別真菌間的多重互作、多菌種/菌株共同對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及生理狀態(tài)產(chǎn)生影響。

基于此，有必要基于分子生態(tài)學(xué)視角，在以下方面開展系統(tǒng)研究：（1）菌根真菌與植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中不同真菌之間的互作關(guān)系解析。結(jié)合代謝產(chǎn)物分析、分泌蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，分析特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)生機(jī)制及功能；基于宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)解析植物與真菌、真菌與真菌間基因互作網(wǎng)絡(luò)，了解不同環(huán)境條件下不同真菌相互作用關(guān)系及其對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。（2）菌根真菌及植物根部微生態(tài)系統(tǒng)中不同有益微生物的應(yīng)用研究。大規(guī)模篩選具有促生效應(yīng)、生防作用的優(yōu)良菌種/菌株及組合，重點(diǎn)關(guān)注真菌定殖后的穩(wěn)定性及接種的長(zhǎng)期效應(yīng)。并以此為基礎(chǔ)，制備包含菌根真菌、內(nèi)生真菌及其他根際益生菌的復(fù)合生物菌劑，以期促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加抗逆性，減少化學(xué)藥劑的使用。