叢枝菌根真菌和溶磷細(xì)菌協(xié)調(diào)植物獲取磷素的機(jī)制

高 寧，邢意警，熊 瑞，史文輝

（浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300）

礦質(zhì)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。磷(P)作為碳、氮之外陸地生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)的分配和代謝決定了植物的生長(zhǎng)過(guò)程及生產(chǎn)力水平[1]。低磷環(huán)境在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)普遍存在，土壤總磷庫(kù)80%以上的磷不可移動(dòng)[2]，植物難以吸收利用。同時(shí)，土壤有效磷(Pi)易被鋁離子、鐵離子、鈣離子吸附固定，與氫氧化合物構(gòu)成螯合物[3-5]，因此有效磷濃度隨土壤發(fā)育而下降，導(dǎo)致世界范圍內(nèi)有效磷濃度低于10 μmol·L-1的土壤廣泛存在[6]。

為滿足農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)需求，集約施用磷肥成為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的主要措施。然而，一般磷肥當(dāng)季利用率僅為10%～25%，75%～90%的磷被轉(zhuǎn)化固定成植物難以吸收的形態(tài)[7]，導(dǎo)致磷肥利用率低下。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口劇增，過(guò)度開采和不合理的磷肥經(jīng)營(yíng)管理造成磷礦資源儲(chǔ)備耗竭、水體磷素增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[8-10]。近年來(lái)，關(guān)于土壤磷素循環(huán)研究的不斷深入，揭示了植物進(jìn)化形成的一系列復(fù)雜適應(yīng)性策略[11-12]，并發(fā)現(xiàn)土壤功能微生物對(duì)土壤磷庫(kù)活化和植物營(yíng)養(yǎng)健康有重要影響[13-14]。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)和溶磷細(xì)菌(phosphate-solubilizing bacteria，PSB)在自然界土壤中普遍存在。研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌和溶磷細(xì)菌可以溶解難溶性無(wú)機(jī)磷、礦化有機(jī)磷，兩者直接參與土壤磷素活化與植物磷素獲取過(guò)程，與土壤、植物之間聯(lián)系密切[15-16]，在維持土壤磷養(yǎng)分有效性和生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮重要作用[16-18]。鑒于此，為開發(fā)可持續(xù)土壤磷素高效利用途徑，圍繞植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌共生關(guān)系，詳述了叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌在植物磷養(yǎng)分吸收中的作用，強(qiáng)調(diào)了植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌互作增效對(duì)土壤磷素調(diào)動(dòng)的途徑和機(jī)制。

1 植物獲取和利用磷的策略

維管植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了多樣化的根功能屬性以提高對(duì)土壤磷資源的獲取，維持體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)，包括根形態(tài)和根構(gòu)型屬性的響應(yīng)[11-12,19-20]、根分泌物屬性的調(diào)節(jié)[3,12]、磷素分配與再利用的調(diào)控[21-23]以及與菌根形成緊密的共生關(guān)系[24]。其中，光合碳投入是植物根系功能屬性變化以促進(jìn)高效獲取地下資源的重要驅(qū)動(dòng)力[25]。低磷條件下，植物光合產(chǎn)物優(yōu)先向根系分配，部分作用于根系生長(zhǎng)及其生理活動(dòng)，促進(jìn)根冠比增加[20,26-27]，改變根系特征性狀，表現(xiàn)為根系比根長(zhǎng)與側(cè)根數(shù)量的增加[19,28]、根系生長(zhǎng)角度的調(diào)整[11,19]及根毛長(zhǎng)度與密度的改變[11,29]，從而提高根系與土壤界面的接觸面積。擬南芥Arabidopsisthaliana在低磷水平下通過(guò)抑制主根生長(zhǎng)，增加根系分支數(shù)量，促進(jìn)側(cè)根伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，形成在土壤淺層分布、高度分支的根系結(jié)構(gòu)[19]。在4 種不同根系表型的菜豆Phaseolusvulgaris中根毛與根系生長(zhǎng)角度協(xié)同影響植物的磷素吸收，低磷脅迫下根系表現(xiàn)為長(zhǎng)且密的根毛形態(tài)與淺根型結(jié)構(gòu)，可顯著促進(jìn)植株生物量的積累與磷素的吸收[29]。WEN 等[28]對(duì)16 種不同作物分析發(fā)現(xiàn)：根系直徑與物種的磷養(yǎng)分獲取策略關(guān)系密切，低磷環(huán)境中根系直徑較細(xì)的物種通過(guò)促進(jìn)根系分支、增加根系比根長(zhǎng)和一級(jí)根系長(zhǎng)度獲取磷素，而粗根物種主要依靠叢枝菌根真菌的高定殖率來(lái)彌補(bǔ)低磷環(huán)境下根系形態(tài)表現(xiàn)的缺陷。因此，不同物種、基因型以及根系功能性狀類型對(duì)磷脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)出不同的可塑性。

植物光合產(chǎn)物的另一流向則是以根系分泌物的形式釋放到根際環(huán)境中，包括高分子量化合物酸性磷酸酶(APase)和低分子量化合物酚類、羧酸鹽以及糖類等多種物質(zhì)[12,30-35]。WANG 等[30]對(duì)擬南芥的研究表明：磷饑餓誘導(dǎo)根系分泌的APases 可以釋放到根際環(huán)境或滯留在根表面，通過(guò)水解有機(jī)磷，提高有效磷濃度。JUSZCZUK 等[31]研究了長(zhǎng)期磷酸鹽饑餓對(duì)豆科Leguminosae 植物根系酚類物質(zhì)分泌量的影響，結(jié)果表明：缺磷植株根系酚類物質(zhì)的分泌量是對(duì)照植株根系的5 倍。HU 等[32]也發(fā)現(xiàn)：兒茶酚、原兒茶酸、咖啡酸等酚類物質(zhì)能夠影響土壤磷有效性。與有機(jī)磷的礦化不同，根系釋放的酚類物質(zhì)主要通過(guò)與土壤中含磷礦物(如閉蓄態(tài)磷，O-P)結(jié)合，促進(jìn)磷的解吸[35]。根系低分子量羧酸鹽的分泌是植物磷吸收的重要策略，羧酸鹽通過(guò)絡(luò)合金屬陽(yáng)離子，并與磷競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)的方式，從磷酸鐵鹽(Fe-P)、磷酸鋁鹽(Al-P)、閉蓄態(tài)磷素(O-P)等難溶性磷酸鹽中釋放有效磷[35]。ALMEIDA 等[34]對(duì)3 種禾本科Gramineae植物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：磷饑餓均會(huì)誘導(dǎo)根系檸檬酸鹽、異檸檬酸鹽和蘋果酸鹽分泌的增加。TOUHAMI等[12]在禾本科和豆科植物的分泌物中則鑒定到更多種類，包括檸檬酸鹽、蘋果酸鹽、丙二酸鹽、乙酸鹽、丙酮酸鹽、乳酸鹽、琥珀酸鹽、富馬酸鹽和莽草酸鹽。伴隨著羧酸陰離子分泌的同時(shí)，根系也會(huì)釋放氫離子(H+)對(duì)根際進(jìn)行酸化[3]，與羧酸陰離子協(xié)同作用于土壤難溶性磷酸鹽[35]，最終促進(jìn)植物對(duì)磷素的吸收利用。此外，低磷導(dǎo)致植物體內(nèi)APase、RNA 酶(RNase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、β-葡萄糖苷酶、ADPG 焦磷酸化酶(AGPase)等內(nèi)源酶促反應(yīng)加劇[36-39]，改變植物磷養(yǎng)分和碳同化物質(zhì)的“庫(kù)—源—流”格局[20,22,39-40]，調(diào)控脅迫條件下根系系統(tǒng)發(fā)育[41]。根系主動(dòng)或被動(dòng)釋放物質(zhì)進(jìn)入根際改變了根際土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，使根際成為植物-微生物、微生物-微生物互作最活躍的熱點(diǎn)區(qū)域[42]，但根系分泌物的種類、分泌量與物種、基因型及植物的營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān)[34]。

2 植物磷素吸收的叢枝菌根真菌協(xié)調(diào)途徑

菌根是自然界最重要的生物互作體系之一，叢枝菌根真菌占整個(gè)菌根群體的72%以上[43]。目前已經(jīng)報(bào)道發(fā)現(xiàn)的叢枝菌根真菌接近300 種[44]，其中球囊霉科Glomeraceae 為優(yōu)勢(shì)叢枝菌根真菌[45]。叢枝菌根真菌通過(guò)增加根圈范圍[46]、表達(dá)高親和力磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[47]、提高土壤磷酸酶活性[48]、分泌有機(jī)酸和糖類物質(zhì)[49-51]等多種方式直接或間接作用于土壤特征及微生物類群，與植物養(yǎng)分吸收利用關(guān)系密切。

從資源經(jīng)濟(jì)角度看，宿主植物為共生關(guān)系的主導(dǎo)者，向叢枝菌根真菌提供滿足生存、生長(zhǎng)的碳水化合物，作為交換，叢枝菌根真菌向寄主植物提供礦質(zhì)養(yǎng)分(如磷)[14]，其資源交換強(qiáng)度隨各自資源分配狀態(tài)而調(diào)整[52]，從而實(shí)現(xiàn)共生關(guān)系的雙向控制。同時(shí)，叢枝菌根真菌、宿主植物的遺傳背景以及土壤磷有效性影響植物-叢枝菌根真菌相互作用的成本與收益[53-56]。

2.1 叢枝菌根真菌促進(jìn)植物獲取磷素的作用機(jī)制

菌根植物可以通過(guò)2 種途徑從土壤中獲取磷素，即通過(guò)根表皮細(xì)胞和根毛進(jìn)行吸收的直接途徑以及通過(guò)叢枝菌根真菌菌絲進(jìn)行吸收的菌絲途徑，同時(shí)養(yǎng)分吸收的內(nèi)部分工更加“社會(huì)化”[55-58]。由于植物體內(nèi)外磷酸鹽濃度差巨大，直接途徑的養(yǎng)分吸收速度慢、碳資源投入大[55-59]，而叢枝菌根真菌菌絲體存在高親和力磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，并具有誘導(dǎo)植物體內(nèi)產(chǎn)生高親和力磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的能力[47,55-56]，是磷脅迫條件下植物磷素供應(yīng)的主要途徑[56,60-61]。因此，菌絲途徑的低碳成本以及吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的高效率使其成為植物獲取和利用磷素的優(yōu)勢(shì)途徑。

菌絲途徑中，叢枝菌根真菌通過(guò)纖細(xì)的菌絲和廣泛的分支網(wǎng)絡(luò)改善宿主植物磷養(yǎng)分狀態(tài)。外生菌絲在土壤中廣泛生長(zhǎng)，可延伸到離根表11.7 cm 處，進(jìn)入比根毛更小的土壤孔隙，增加吸收面積[46]。在擴(kuò)大吸收范圍的同時(shí)，叢枝菌根真菌菌絲體向菌絲際環(huán)境分泌多種有機(jī)物。TOLJANDER 等[49]通過(guò)核磁共振光譜法分析了菌絲分泌液的組成物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)菌絲分泌物主要為甲酸、乙酸、葡萄糖和淀粉類似物；而LUTHFIANA 等[62]在2 種磷水平下收集了明根孢囊霉Rhizophagusclarus和異形根孢囊霉Rhizophagus irregularis的菌絲分泌液，發(fā)現(xiàn)除碳水化合物和大量有機(jī)酸外，還包括氨基酸、核酸、脂肪酸、植物激素等物質(zhì)。外生菌絲的H+分泌在體外培養(yǎng)條件下被證實(shí)[63]，當(dāng)H+分泌時(shí)，菌絲際土壤發(fā)生酸化，菌絲際環(huán)境pH 降低。此外，接種叢枝菌根真菌能夠顯著提高土壤磷酸酶活性[48,64-65]，與有機(jī)酸和其他菌絲分泌物共同作用影響菌根際、菌絲際過(guò)程，促進(jìn)土壤有機(jī)磷礦化和難溶性磷酸鹽(如Fe-P、Al-P、OP)溶解，并表現(xiàn)出其他促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用[48-49,65]。

菌根植物磷養(yǎng)分吸收的直接途徑和菌絲途徑相互作用[66]，形成了菌根植物的綜合磷吸收系統(tǒng)[55]。目前，采用磷的放射性同位素示蹤方法[56,60]解釋植物在菌絲途徑和直接途徑間的平衡選擇。磷養(yǎng)分供應(yīng)充足條件下，叢枝菌根真菌的定殖和生長(zhǎng)發(fā)育程度較低，直接途徑在菌根植物的磷素獲取途徑中占據(jù)優(yōu)勢(shì)；磷養(yǎng)分匱乏條件下，叢枝菌根真菌的定殖和生長(zhǎng)發(fā)育被促進(jìn)，菌根植物偏好于通過(guò)菌絲途徑從土壤中獲取磷素，但菌絲途徑的磷素貢獻(xiàn)受到叢枝菌根真菌發(fā)育程度、土壤有效磷條件以及物種差異性等因素的影響[55-57]。SAWERS 等[15]發(fā)現(xiàn)：根外菌絲長(zhǎng)度與植物磷攝取量相關(guān)，并影響菌絲途徑的磷素貢獻(xiàn)；ZHANG 等[55]的研究發(fā)現(xiàn)：土壤無(wú)機(jī)磷供給水平顯著影響菌絲途徑對(duì)植物磷素吸收的貢獻(xiàn)率，而地上部磷需求可能決定了植物對(duì)2 種吸收途徑的權(quán)衡選擇。此外，也有研究表明：植物種類、基因型和叢枝菌根真菌種類的差異也會(huì)影響菌絲途徑的磷素貢獻(xiàn)率[56-57,67]，導(dǎo)致不同叢枝菌根真菌-植物組合在植物磷吸收、生長(zhǎng)方面的響應(yīng)具有功能上的差異。

2.2 叢枝菌根真菌-植物共生體的養(yǎng)分交流

菌絲途徑的磷養(yǎng)分吸收是以公平公正、互惠互利為原則的“貿(mào)易交換”過(guò)程[25,68]。叢枝菌根真菌在宿主皮層細(xì)胞形成叢枝結(jié)構(gòu)(叢枝周膜-真菌細(xì)胞壁-真菌細(xì)胞膜)的養(yǎng)分交換場(chǎng)所[57]，外生菌絲則以H+-ATP 酶為驅(qū)動(dòng)力在土壤界面吸收磷酸鹽，經(jīng)體內(nèi)轉(zhuǎn)化為多聚磷酸鹽后，通過(guò)細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)運(yùn)輸至共生界面并釋放[24,57,69]。作為交換，宿主植物以糖、脂肪酸等形式向真菌提供植株4%～20%的凈光合產(chǎn)量[54,70]。

高共生質(zhì)量的叢枝菌根真菌-植物共生關(guān)系會(huì)發(fā)生頻繁的養(yǎng)分交換行為。叢枝菌根真菌與宿主植物的資源交換由宿主主導(dǎo)，植物通過(guò)選擇性分配碳資源，主動(dòng)選擇合作伙伴，并以減少根系碳分配的方式對(duì)表現(xiàn)不佳的叢枝菌根真菌進(jìn)行制裁[71-72]，而叢枝菌根真菌也會(huì)選擇向提供更多碳水化合物的根系增加養(yǎng)分轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的合作關(guān)系[52]。

植物-叢枝菌根真菌共生關(guān)系的形成是共生體間養(yǎng)分交流的基礎(chǔ)，在菌根植物系統(tǒng)性磷響應(yīng)中，植物信號(hào)的釋放影響植物-叢枝菌根真菌的合作關(guān)系，調(diào)控叢枝菌根真菌的發(fā)育。研究表明：獨(dú)腳金內(nèi)酯在磷缺乏下受到顯著誘導(dǎo)，調(diào)控地上部生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的同時(shí)，作為根際信號(hào)，刺激叢枝菌根真菌的菌絲分支[73-75]。SHI 等[76]發(fā)現(xiàn)：植物-叢枝菌根真菌共生關(guān)系的形成需要植物磷饑餓響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子(PHRs)的參與，PHRs 通過(guò)P1BS 元件介導(dǎo)叢枝菌根真菌共生相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而影響植物-叢枝菌根真菌的共生質(zhì)量。此外，miR399 在菌根植物葉片的表達(dá)增加，也被提出作為植物調(diào)節(jié)叢枝菌根真菌共生的信號(hào)分子，但高磷水平下過(guò)表達(dá)miR399 無(wú)法恢復(fù)叢枝菌根真菌定殖[77]，可能還涉及其他機(jī)制[57]。

3 植物磷素吸收的溶磷細(xì)菌協(xié)調(diào)途徑

溶磷細(xì)菌作為土壤微生物的重要群體，約占土壤細(xì)菌總體的1%～50%[17]，多屬于芽孢桿菌屬Bacillus、假單胞菌屬Pseudomonas和歐文氏菌屬Erwinia，在土壤磷素的生物循環(huán)中發(fā)揮重要作用[13]。多數(shù)研究表明：溶磷細(xì)菌對(duì)磷酸鐵鹽(Fe-P)、磷酸鋁鹽(Al-P)或磷酸鈣鹽(Ca-P)和磷酸鉛鹽(Pb-P)等難溶性磷酸鹽[78-81]具有良好的活化作用。由于其分布狀態(tài)與群落結(jié)構(gòu)存在顯著的區(qū)域特異性、時(shí)空變異性和根際效應(yīng)性[18,82-85]，不同類群溶磷細(xì)菌的溶磷效能、種群分布及其在土壤磷素活化過(guò)程中的微生物互作機(jī)制可能因環(huán)境、宿主變化產(chǎn)生顯著差異[85-89]。

3.1 溶磷細(xì)菌促進(jìn)植物磷素獲取的作用機(jī)制

酸解是難溶性磷酸鹽(包括Fe-P、Al-P、Ca-P、Pb-P、O-P 等)在土壤中溶解的主要方式。類似于植物和叢枝菌根真菌，細(xì)菌也能夠分泌釋放低分子量有機(jī)酸或伴隨呼吸、銨根離子(NH4+)同化釋放H+，影響土壤pH[90-93]，而分泌物的種類、分泌量可能受到菌株類型、基因型的影響。SONG 等[94]發(fā)現(xiàn)：洋蔥伯克霍爾德菌株BurkholderiacepaciaDA23 釋放的有機(jī)酸主要為葡萄糖酸；而呂俊等[95]發(fā)現(xiàn)：在馬尾松Pinusmassoniana根際土中分離得到的洋蔥伯克霍爾德菌株則大量分泌檸檬酸、丙二酸等有機(jī)酸，表明細(xì)菌外分泌性有機(jī)酸種類存在差異，但有機(jī)酸的解離和H+的釋放最終均會(huì)改變土壤磷素的有效性。

土壤有機(jī)磷的礦化與溶磷細(xì)菌外分泌性植酸酶、磷酸酶活性密切相關(guān)[96-99]，大約30%～40%的可培養(yǎng)土壤微生物產(chǎn)生植酸酶并利用植酸(如酵母菌將植酸作為唯一的利用磷源)[97-98]。不可培養(yǎng)的微生物中雖然也存在大量植酸酶，但受限于技術(shù)手段，目前研究較少[24]。溶磷細(xì)菌普遍具有分泌磷酸酶礦化土壤有機(jī)磷的能力。HNAMTE 等[99]對(duì)休耕和耕種2 種土壤分離鑒定得到的44 株溶磷細(xì)菌，莊馥璐等[89]在蘋果Maluspumila根際土壤中分離純化得到的10 株溶磷細(xì)菌，均能產(chǎn)生磷酸酶，但不同菌株生產(chǎn)磷酸酶能力呈現(xiàn)差異。此外，LIU 等[100]在水稻Oryzasativa根際土壤中分離得到的3 種巨大芽孢桿菌Bacillusmegaterium均能合成鐵載體，螯合Fe3+，表現(xiàn)出解磷能力。因此，溶磷細(xì)菌在土壤磷素資源的活化過(guò)程中具有相當(dāng)貢獻(xiàn)，而不同菌株種類和基因型差異可能導(dǎo)致溶磷細(xì)菌的解磷機(jī)制存在差異。

3.2 溶磷細(xì)菌-植物互作過(guò)程

溶磷細(xì)菌作為土壤與植物根系間磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)因子，受土壤環(huán)境因素影響的同時(shí)，與植物生長(zhǎng)和生理代謝之間具有顯著交互作用。包括植物根系在內(nèi)的植物組織器官為土壤微生物提供能量，刺激其生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)[101]，釋放碳水化合物、有機(jī)酸以及酶等化合物，為土壤微生物群體提供碳源[102]。相反，溶磷細(xì)菌通過(guò)合成植物激素[99-100,103]，刺激根系生長(zhǎng)，增加根系與磷素的接觸面積以及細(xì)菌與植物根際的接觸幾率[103-105]。KUDOYAROVA 等[103]研究表明：溶磷菌株P(guān)aenibacillusillinoisensisIB 1087 和PseudomonasextremaustralisIB-Ki-13-1A 可合成生長(zhǎng)素(IAA)，刺激根系生長(zhǎng)；LIU 等[100]發(fā)現(xiàn)：溶磷細(xì)菌BacillusmegateriumDD-2、BacillusaryabhattaiDD-3 和BacillussubtilisDD-4 均能產(chǎn)生IAA 與赤霉素(GA)，對(duì)植物的根系生長(zhǎng)產(chǎn)生積極作用。溶磷細(xì)菌合成植物激素刺激根系生長(zhǎng)的同時(shí)也會(huì)刺激根系分泌物的產(chǎn)生，從而為細(xì)菌的生長(zhǎng)、生存提供更多碳源[104]。

接種溶磷細(xì)菌可顯著改善植株光合作用，增加碳固定。PANHWAR 等[106]發(fā)現(xiàn)：水稻接種Bacillussp.可顯著促進(jìn)水稻光合作用；譙天敏等[107]在核桃Juglanssigllata上接種溫哥華假單胞菌Pseudomonas vancouverensisPAN4，發(fā)現(xiàn)植株凈光合速率和葉綠素含量均會(huì)增加，增幅隨接種濃度增高而增大。此外，溶磷細(xì)菌能夠抑制植株病原菌生長(zhǎng)，降低病害發(fā)生。MENDES 等[108]在甘蔗Saccharum officinarum中分離得到的洋蔥伯克霍爾德菌株可以產(chǎn)生抗真菌的代謝物。ETMINANI 等[109]發(fā)現(xiàn)：防御假單胞菌PseudomonasprotegensPb78 對(duì)植物病原菌Pseudomonassyringaepv.syringaePss20 和PseudomonastolaasiiPt18 具有強(qiáng)烈的抑制作用。然而，植物與根際微生物的互作過(guò)程可能影響根部擴(kuò)散屏障的形成，作用于根內(nèi)生細(xì)菌群落和根際微生物群落組成[110]，從而影響植物中礦質(zhì)養(yǎng)分的平衡[111]以及脅迫的耐受性[83]。

4 植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌的協(xié)同作用

4.1 叢枝菌根真菌外生菌絲與溶磷細(xì)菌的相互作用

雖然溶磷細(xì)菌和叢枝菌根真菌協(xié)調(diào)植物養(yǎng)分獲取的過(guò)程存在一定差異，但溶磷細(xì)菌和叢枝菌根真菌在調(diào)控植物對(duì)土壤磷素的吸收和利用過(guò)程中并不孤立[17]，存在積極的相互作用。叢枝菌根真菌缺少有機(jī)磷礦化相關(guān)基因，依賴溶磷細(xì)菌從有機(jī)復(fù)合物中釋放磷素[112-113]，而溶磷細(xì)菌的種類及豐度影響土壤有機(jī)磷庫(kù)的礦化進(jìn)程，可能決定了叢枝菌根真菌對(duì)土壤有機(jī)磷庫(kù)的磷素獲取能力[24,113-114]。與根際微生物群落不同，叢枝菌根真菌可能具有高效溶磷菌株篩選的潛力，菌絲際菌群更具獨(dú)特性、功能性[51]。NUCCIO 等[115]通過(guò)根室和菌絲室分隔的雙室培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：厚壁菌門Firmicutes 類群對(duì)何氏球囊霉Glomushoi有積極響應(yīng)，而放線菌門Actinobacteria 和叢毛單胞菌科Comamonadaceae 類群對(duì)何氏球囊霉呈消極反應(yīng)；ANDRADE 等[116]對(duì)球囊霉屬Glomus叢枝菌根真菌的菌絲際菌群鑒定發(fā)現(xiàn)：菌絲際菌群以芽孢桿菌屬和節(jié)桿菌屬Arthrobacter為主，根際以假單胞菌屬為主，且不同叢枝菌根真菌處理菌絲際群落的多樣性和豐度也存在差異；而WANG 等[117]發(fā)現(xiàn)：在異形根孢囊霉Rhizophagusirregularis菌絲定殖的產(chǎn)堿假單胞菌Pseudomonasalcaligenes能夠表現(xiàn)出溶磷功能，可能反映了叢枝菌根真菌菌絲對(duì)土壤微生物類群招募的選擇性和對(duì)資源獲取的需求性。

叢枝菌根真菌為細(xì)菌的移動(dòng)提供物理結(jié)構(gòu)和生存資源。叢枝菌根真菌外生菌絲在土壤中形成廣泛的菌絲網(wǎng)絡(luò)，溶磷細(xì)菌可以沿著菌絲表面水膜游動(dòng)[118]到達(dá)根系表面和不同土壤空間，進(jìn)而改變根際細(xì)菌群落[119]。然而由于土壤空間資源有效性時(shí)空斑塊的存在，細(xì)菌群落的建立往往受到資源限制。叢枝菌根真菌通過(guò)外生菌絲體分泌植物光合產(chǎn)物，吸引和富集有益微生物[117]。ZHANG 等[120]發(fā)現(xiàn)：叢枝菌根真菌可以分泌果糖吸引溶磷細(xì)菌富集，刺激細(xì)菌生長(zhǎng)。JIANG 等[118]也發(fā)現(xiàn)：菌絲分泌物刺激溶磷細(xì)菌數(shù)目的增加，但也有研究[121]認(rèn)為：低磷條件下，溶磷細(xì)菌活性不受叢枝菌根真菌分泌物的刺激，同時(shí)存在磷養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

4.2 叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌對(duì)植物的影響

叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌間的協(xié)同作用介導(dǎo)植物的生長(zhǎng)表現(xiàn)[122-123]。在南方紅豆杉Taxuschinensisvar.mairei根系同時(shí)接種草木樨中華根瘤菌SinorhizobiummelilotiCHW10B 與縮球囊霉Glomus constrictum可以改變根際微生物組的群落結(jié)構(gòu)及豐度，促進(jìn)南方紅豆杉的生長(zhǎng)[124]；在玉米Zeamays根系接種鏈霉菌Streptomycessp.W94 和異形根孢囊霉時(shí)，異形根孢囊霉根外菌絲體的發(fā)育被促進(jìn)，從而促進(jìn)植株的根系生長(zhǎng)和磷的吸收[125]；同時(shí)，也有研究表明：在紅三葉草Trifoliumpratense根系同時(shí)接種摩西斗管囊霉Funneliformismosseae和假單胞菌Pseudomonassp.時(shí)，兩者的協(xié)同作用不僅對(duì)紅三葉草的生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收無(wú)積極影響，而且不利于叢枝菌根真菌侵染植物根系[126]。因此，叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌間的協(xié)同作用對(duì)植物生長(zhǎng)表現(xiàn)的影響具有高度的物種特異性，其中菌根的形成及其作用的發(fā)揮可能是影響植物生長(zhǎng)表現(xiàn)的主要因素之一。

菌根輔助菌即對(duì)叢枝菌根真菌孢子萌發(fā)或菌絲生長(zhǎng)發(fā)揮積極作用的菌絲際細(xì)菌[51,127]，主要包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、類芽孢桿菌屬Paenibacillus、紅球菌屬Rhodococcus和鏈霉菌屬Streptomyces[123,125,127-130]，能夠通過(guò)促進(jìn)叢枝菌根真菌的定殖與發(fā)育影響植物性能表現(xiàn)，幫助叢枝菌根真菌與植物建立共生關(guān)系并將根際轉(zhuǎn)變?yōu)榫H。叢枝菌根真菌定殖過(guò)程中菌根輔助菌產(chǎn)生的IAA 及其誘導(dǎo)的基因表達(dá)有助于菌根定殖期間的表型變化，進(jìn)而促進(jìn)定殖[131]，而叢枝菌根真菌的成功定殖也會(huì)誘導(dǎo)植物激素水平[132]和根系分泌物化學(xué)成分[128]的改變，從而引起根系形態(tài)、結(jié)構(gòu)的改變，同時(shí)在分泌物的數(shù)量和質(zhì)量上影響根際微生物種群，使植物可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同過(guò)程，靈活地做出響應(yīng)。

4.3 植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌間的信號(hào)交流

植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌協(xié)同互作進(jìn)行物質(zhì)交流以適應(yīng)養(yǎng)分脅迫環(huán)境的同時(shí)，也產(chǎn)生一系列信號(hào)交流，調(diào)控植物和微生物相關(guān)基因的表達(dá)[74,133]，進(jìn)而可能推動(dòng)微生物群落與植物的協(xié)同進(jìn)化。植物、叢枝菌根真菌和溶磷細(xì)菌之間以叢枝菌根真菌為連接媒介，通過(guò)叢枝界面和菌絲際界面進(jìn)行微調(diào)通信，菌絲際溶磷細(xì)菌影響植物-叢枝菌根真菌共生界面叢枝結(jié)構(gòu)上碳-磷交換相關(guān)基因(MtPT4、MtHA1、STR)的表達(dá)水平[134]，菌絲際界面溶磷細(xì)菌分泌磷酸酶和葡萄糖酸，礦化有機(jī)磷，溶解難溶性無(wú)機(jī)磷[121,135]，增加叢枝菌根真菌對(duì)有效磷的吸收和運(yùn)輸，進(jìn)一步增強(qiáng)叢枝菌根真菌流向植物的磷通量以及植物向叢枝菌根真菌提供的碳通量。叢枝菌根真菌獲得的碳，一部分用于叢枝菌根真菌自身生長(zhǎng)發(fā)育，另一部分被叢枝菌根真菌外生菌絲轉(zhuǎn)移到菌絲際環(huán)境招募溶磷細(xì)菌[117]，同時(shí)形成特定的菌絲際菌群[113]。WANG等[136]在不同氣候區(qū)實(shí)地采樣，并利用受控盆栽實(shí)驗(yàn)證明了菌絲際微生物組雖然受到環(huán)境因素的顯著影響，但存在以α 變形菌綱Alphaproteobacteria、放線菌門Actinobacteria 和γ 變形菌綱Gammaproteobacteria為主的核心成員，且相對(duì)豐度與磷酸酶活性顯著相關(guān)。因此，菌絲分泌物因其獨(dú)特性可能極大地塑造了特定菌絲際細(xì)菌的定殖和功能，可能是驅(qū)動(dòng)溶磷細(xì)菌與叢枝菌根真菌之間選擇的有效信號(hào)。同時(shí)，叢枝菌根真菌通過(guò)提供不穩(wěn)定碳源增加細(xì)菌的數(shù)量和活性，其中果糖可能是叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌界面的一種信號(hào)分子[121,135]。溶磷細(xì)菌可以通過(guò)響應(yīng)叢枝菌根真菌分泌的果糖調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分泌系統(tǒng)，刺激磷酸酶基因的表達(dá)以及磷酸酶釋放到生長(zhǎng)介質(zhì)中的速率[136]。也有研究表明[137]：溶磷細(xì)菌在響應(yīng)叢枝菌根真菌分泌物的同時(shí)也會(huì)刺激菌絲表面磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)。

細(xì)菌利用自身的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)響應(yīng)菌絲分泌物信號(hào)。雙元信號(hào)系統(tǒng)(TCS)是細(xì)菌普遍存在且非常保守的感知和響應(yīng)外界刺激的調(diào)節(jié)組分，也是重要的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)[138]。DUAN 等[139]分析了水拉恩氏菌RahnellaaquatilisTCS 中參與碳傳感和營(yíng)養(yǎng)傳感的16 個(gè)基因以及參與調(diào)控?zé)o機(jī)、有機(jī)磷活化的8 個(gè)基因的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)TCS 在識(shí)別菌絲分泌物和菌絲際營(yíng)養(yǎng)信號(hào)中起關(guān)鍵作用，有效地調(diào)控菌絲際磷素活性。此外，ZHANG 等[140]發(fā)現(xiàn)：叢枝菌根真菌可能通過(guò)刺激參與細(xì)菌三羧酸(TCA)循環(huán)中檸檬酸合成酶基因(gltA)的表達(dá)，影響溶磷細(xì)菌三磷酸腺苷的生成水平，進(jìn)而影響溶磷細(xì)菌的代謝。然而，由于基因的遺傳冗余、共生體系培養(yǎng)方式及原位分析技術(shù)手段的限制，植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌共生體系間的信號(hào)交流在很大程度上仍然未知。

5 總結(jié)與展望

高效的磷養(yǎng)分循環(huán)是土壤、植物、微生物多界面互作的系統(tǒng)過(guò)程，磷養(yǎng)分脅迫下叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌增強(qiáng)植物磷素獲取能力的作用對(duì)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)至關(guān)重要。根系作為植物吸收養(yǎng)分的主要器官，將地上和地下連為一體，控制著植物-土壤-微生物系統(tǒng)間的碳物質(zhì)流動(dòng)以在脅迫環(huán)境中招募叢枝菌根真菌、溶磷細(xì)菌定殖，并在土壤中形成以叢枝菌根真菌為紐帶的“植物-根系-根際-叢枝菌根真菌-菌絲際-溶磷細(xì)菌”高度動(dòng)態(tài)的根際生命共同體。菌絲際界面內(nèi)叢枝菌根真菌與溶磷細(xì)菌的相互作用，提高了溶磷細(xì)菌礦化土壤有機(jī)磷和溶解難溶性無(wú)機(jī)磷的能力，促進(jìn)了叢枝菌根真菌對(duì)土壤有效磷的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而調(diào)控了植物對(duì)磷養(yǎng)分的獲取、利用過(guò)程?，F(xiàn)有研究探討了受控條件下叢枝菌根真菌、溶磷細(xì)菌接種對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn)的改善，多數(shù)研究局限于植物-叢枝菌根真菌、叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌等單一性組合的作用結(jié)果，通常忽略了依賴于物種差異性、區(qū)域特異性以及時(shí)空變異性對(duì)植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌相互作用的功能產(chǎn)生的影響。

未來(lái)可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深度研究：①叢枝菌根真菌在植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌互作體系中發(fā)揮關(guān)鍵作用，菌根屬性是預(yù)測(cè)和理解生態(tài)系統(tǒng)磷養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵因素[141]。為深入了解菌根屬性在植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌互作體系中的作用，破譯互作體系作用機(jī)制，未來(lái)研究應(yīng)在三者共生體系的基礎(chǔ)上關(guān)注菌根形態(tài)、生理或物候特征與其功能屬性的聯(lián)系。②植物碳投入與收益間的平衡策略對(duì)深入理解植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌物質(zhì)交換機(jī)制及其調(diào)控途徑尤為重要，關(guān)注碳驅(qū)動(dòng)下植物-根系-根際-叢枝菌根真菌-菌絲際-溶磷細(xì)菌體系的能量流動(dòng)，分析、鑒定互作體系下植物、叢枝菌根真菌、溶磷細(xì)菌代謝物的組成及其潛在功能，對(duì)于豐富植物-根系-根際-土壤-微生物多界面互作增效，提高養(yǎng)分效率的相關(guān)理論基礎(chǔ)具有重要意義。③在自然生態(tài)系統(tǒng)中大量的生物或非生物脅迫作用于植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌互作體系，進(jìn)而影響其功能屬性，使得田間條件下植物-叢枝菌根真菌-溶磷細(xì)菌互作增效作用機(jī)制持續(xù)成為一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。未來(lái)可深化土壤環(huán)境因素、土壤微生物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、生物菌劑施用對(duì)土壤微生物群落構(gòu)建及其功能組裝的影響研究，深入探討人工合成菌群互作機(jī)制等途徑，系統(tǒng)剖析可持續(xù)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的根際工程。