叢枝菌根在鹽土農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用及前景

王曉麗， 秦 松， 劉正一， 任承鋼

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)菌根生物技術(shù)研究所/青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院，山東青島 266109；2.中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所海岸帶生物資源實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264003)

在全球氣候變暖的背景之下，陸面蒸發(fā)加劇，導(dǎo)致土壤中的可溶性鹽不斷積累，加之人類不當(dāng)?shù)墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，和地形地貌等自然因素一起形成了不適宜作物生長的鹽土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鹽土地面積達(dá)9 913萬hm2[1]，廣泛發(fā)生于干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)。近年來，由于土地資源利用不當(dāng)?shù)膯栴}頻發(fā)，土壤鹽化的問題日趨明顯，已成為制約農(nóng)林業(yè)發(fā)展的主要障礙之一。土壤鹽化不僅對(duì)作物形成脅迫，導(dǎo)致作物減產(chǎn)；同時(shí)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，造成土地資源的巨大浪費(fèi)。如果能對(duì)鹽土進(jìn)行合理的改良和利用，將具有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鹽土改良是指通過生物、物理或化學(xué)手段，修復(fù)鹽化土壤的過程。其中，生物改良被普遍認(rèn)為是最綠色有效的手段，必將成為鹽土治理新技術(shù)的未來發(fā)展方向[2-3]。

菌根是自然界廣泛存在的菌根真菌與植物的共生體[4]，分為外生菌根、內(nèi)生菌根和內(nèi)外兼生菌根三大類型。其中，從枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)在鹽土環(huán)境中分布最為廣泛，因其能在根組織內(nèi)形成叢枝和泡囊等特有的結(jié)構(gòu)，因此被稱為泡囊-叢枝菌根，簡稱叢枝菌根。AM真菌是聯(lián)系土壤與植物關(guān)系最密切的微生物之一，長期在微生物促進(jìn)植物耐鹽的相關(guān)研究中占據(jù)主導(dǎo)地位。一方面，AM真菌在從植物獲取能量的同時(shí)，也促進(jìn)植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，增強(qiáng)植物的耐鹽能力[5]。另一方面，AM真菌可以改良土壤結(jié)構(gòu)，保水保肥，并調(diào)節(jié)土壤微生物菌落[6-8]，最終提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，探討AM真菌在鹽土農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用潛力對(duì)未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展將大有裨益。

1 鹽土對(duì)作物的危害

1.1 鹽脅迫

首先，鹽土以較高濃度的NaCl溶液為主，使土壤水勢降低，導(dǎo)致植物吸水困難，造成生理干旱；同時(shí)作物細(xì)胞液與土壤溶液之間不均衡的滲透勢，使得作物細(xì)胞膜通透性變大、體內(nèi)水分不斷外流，產(chǎn)生滲透脅迫，是作物應(yīng)對(duì)土壤鹽化的第一響應(yīng)[9]。其次，土壤中Na+和Cl-的不斷積累，使作物體內(nèi)正常離子平衡遭到破壞，進(jìn)一步產(chǎn)生離子毒害，排斥了作物根系細(xì)胞對(duì)其他營養(yǎng)離子的吸收，造成營養(yǎng)缺乏。此外，鹽分的脅迫下，活性氧(ROS)水平會(huì)急劇增加。ROS是氧正常代謝的天然副產(chǎn)物，在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和維持體內(nèi)氧化-還原平衡中具有重要作用，但過量ROS對(duì)生物分子(如脂質(zhì)蛋白和核酸等)造成氧化損傷。鹽土含鹽量大，pH值高，對(duì)作物的生長和生態(tài)環(huán)境都有影響，不僅干擾作物正常代謝活動(dòng)[10]，還破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加病蟲害侵染等，不利于作物生產(chǎn)。

1.1.1 萌發(fā)階段 種子萌發(fā)作為作物生命史的第一階段，對(duì)生長繁衍尤為關(guān)鍵。鹽土條件下土壤溶液滲透壓超過作物體內(nèi)滲透壓，作物根系嚴(yán)重缺水，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)氣孔關(guān)閉，主要受到滲透脅迫和離子毒害作用[11]。在作物生長階段，由于鹽土滿足不了種子萌發(fā)需要充足水分的要求，所以會(huì)抑制胚的發(fā)育，降低種子萌發(fā)率。Kaveh等發(fā)現(xiàn)，鹽分導(dǎo)致發(fā)芽延遲，與發(fā)芽率之間存在顯著的負(fù)相關(guān)[12]。研究表明，無鹽害的種子萌芽率最好，隨著鹽濃度的增加，種子萌芽率逐漸降低，甚至完全不萌發(fā)。苗昊翠等對(duì)錦雞兒種子的研究也證明了鹽濃度越高，對(duì)錦雞兒種子的抑制越明顯[13]。也有試驗(yàn)表明，低鹽能夠促進(jìn)一些種子的萌發(fā)，呈低促高抑現(xiàn)象[14]，如聶江力等發(fā)現(xiàn)，低濃度的NaCl和Na2CO3溶液均對(duì)車前種子的萌發(fā)起促進(jìn)作用，但隨著濃度升高，萌發(fā)明顯被抑制[15]。不難發(fā)現(xiàn)，鹽土首先抑制作物種子萌發(fā)，且濃度越高表現(xiàn)越明顯。

1.1.2 生長階段 光合作用是生長發(fā)育的基礎(chǔ)，葉綠體是進(jìn)行光合作用最重要的細(xì)胞器。對(duì)于大多數(shù)作物，葉綠素是葉綠體中主要的色素，其含量高低直接影響光合作用效果[16]。光合作用產(chǎn)生的能量一部分用于作物生長，另一部分通過加快光合速率來適應(yīng)鹽土[17]，但因鹽分的不斷積累及處理時(shí)間的延長這種適應(yīng)能力會(huì)減弱，而且隨著水分的缺乏，光反應(yīng)過程發(fā)生改變，氣孔導(dǎo)度降低，也減弱了作物葉片對(duì)CO2的吸收和固定，導(dǎo)致總?cè)~綠素含量下降。同時(shí)Na+、Cl-的增加使?fàn)I養(yǎng)離子大量外滲，細(xì)胞控制離子出入的能力降低，與光合作用相關(guān)的膜結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致作物營養(yǎng)失調(diào)，干擾正常的生長代謝，引起葉片發(fā)育不健全，甚至腐爛。在對(duì)杜梨幼苗和紫花苜蓿的試驗(yàn)中都證明了鹽脅迫導(dǎo)致作物葉綠素含量下降，光合作用強(qiáng)度下降，并抑制了生長發(fā)育過程，與正常作物相比更矮小[18-19]。

鹽土影響作物的整個(gè)生長過程，主要表現(xiàn)為個(gè)體組織和器官發(fā)育受到明顯抑制作用。李樹華等研究表明，鹽脅迫對(duì)發(fā)芽期幼苗的主要表現(xiàn)是抑制根和芽的生長，其中根系最早感受逆境脅迫信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)，繼而影響地上部分生長[20]。鹽土產(chǎn)生的脅迫作用于整個(gè)發(fā)育過程，出現(xiàn)葉片萎縮、植株變矮、提前開花和衰亡的現(xiàn)象，縮短營養(yǎng)生長時(shí)期和發(fā)育周期。生長抑制是鹽脅迫對(duì)作物最普遍、最顯著的效應(yīng)，進(jìn)一步造成生物量下降[21]。

1.2 鹽土衍生型脅迫

鹽土不僅對(duì)作物造成鹽脅迫，還同時(shí)伴隨著多種衍生型脅迫。

1.2.1 土壤板結(jié) 鹽分的存在會(huì)對(duì)土壤顆粒產(chǎn)生影響。隨著鹽分含量的積累，一方面，土壤孔隙溶液濃度逐漸升高，黏結(jié)性增強(qiáng)，阻礙了氣體和水分的運(yùn)動(dòng)。另一方面，土壤顆粒會(huì)發(fā)生明顯聚焦，形成大顆粒，從而阻塞土壤的孔隙，使得土壤通透性降低[22]。同時(shí)鹽土溶液中過多的Na+會(huì)通過陽離子交換作用，將土壤中的Ca2+置換出來，Ca2+可引起土壤顆粒的凝聚，Na+則使土粒分散，導(dǎo)致土壤濕時(shí)泥濘、干時(shí)板結(jié)，不利于作物生長[23]。

1.2.2 根際菌群失調(diào) 土壤鹽化不利于作物根系吸收水分、營養(yǎng)等物質(zhì)，使得土壤與農(nóng)作物之間的養(yǎng)分轉(zhuǎn)換受到阻礙，造成作物根系發(fā)育不良，抑制了根際菌群的生存空間。鹽土不但可以直接通過影響微生物的環(huán)境來抑制微生物的活性[24]，也可以通過改變土壤理化性質(zhì)間接來改變微生物的生活環(huán)境[25]，減少生物多樣性。土壤理化性質(zhì)對(duì)微生物的生存有很大影響，土壤中長時(shí)間鹽分過多會(huì)引起土壤貧瘠，變成不適宜作物生長的土壤，同樣阻礙微生物的活動(dòng)。元炳成對(duì)河西走廊鹽化土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，鹽土中微生物碳含量較低，活性較普通土壤弱[26]。有研究證明，鹽土導(dǎo)致微生物種群、數(shù)量及活性與正常土壤相比有較大差別。

1.2.3 重金屬污染 近年來，隨著工業(yè)化發(fā)展的加快，廢氣排放、污水灌溉及含重金屬農(nóng)藥化肥的過量使用等，導(dǎo)致土壤鹽化和農(nóng)田重金屬累積問題日益凸顯[27]。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國已成為化肥使用大國[28]，使得農(nóng)田土壤受到鹽化和重金屬污染的雙重危害。金屬是建筑物不可或缺的構(gòu)成部分，鹽土遇水形成溶液后對(duì)建筑物具有腐蝕性[29]，溶液中的Cl-會(huì)與金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)，破壞表面膜而產(chǎn)生腐蝕，將其氧化為金屬離子，且濃度越高，腐蝕速度越快，金屬離子也隨之在土壤中積累，產(chǎn)生對(duì)作物生長不利的環(huán)境，造成作物減產(chǎn)。鹽土重金屬污染不僅會(huì)在一定程度上降低作物產(chǎn)量和質(zhì)量，還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在威脅。以各種形式存在的重金屬，一旦進(jìn)入生態(tài)環(huán)境就會(huì)遷移，比如進(jìn)入水中的重金屬不能被分解，而是以生物鏈形式危害各種生物；若進(jìn)入人體會(huì)與酶發(fā)生相互作用，導(dǎo)致酶失活，也可能在器官中累積，造成慢性中毒。

2 叢枝菌根真菌提高耐鹽性

叢枝菌根(AM)是一種真菌與植物互利共生、共同適應(yīng)各種環(huán)境脅迫的生物聯(lián)合體[30]。AM能獲得額外的養(yǎng)分。在對(duì)甜瓜的研究中發(fā)現(xiàn)，AM植株的糖類物質(zhì)含量顯著高于非菌根植株，總體上增加了AM植株的干質(zhì)量[31]。與此同時(shí)，AM真菌生長代謝所需的碳水化合物很大程度上依賴于寄主的自養(yǎng)過程[32]。據(jù)報(bào)道，寄主作物約20%的光合產(chǎn)物被AM真菌消耗[33]，而這種消耗會(huì)反向促進(jìn)光合作用速率，以適應(yīng)脅迫環(huán)境[34]。例如，Muhsin等發(fā)現(xiàn)，鹽處理的菌根植物比非菌根植物的葉綠素含量高，從而增加光合產(chǎn)物，改善鹽土作物生長效應(yīng)[35]。

研究發(fā)現(xiàn)，AM真菌還通過促進(jìn)作物吸收營養(yǎng)元素、調(diào)控水通道蛋白基因表達(dá)、參與體內(nèi)滲透平衡系統(tǒng)、提高系統(tǒng)抗氧化能力和調(diào)節(jié)激素信號(hào)分子等機(jī)制來提高耐鹽性(圖1)。

2.1 促進(jìn)礦質(zhì)元素吸收

鹽土中Na+和Cl-的不斷積累，抑制了作物對(duì)氮(N)、磷(P)、鉀(K)等礦質(zhì)元素的吸收[36]，導(dǎo)致根系和地上部的營養(yǎng)生長不足，造成產(chǎn)量下降。AM菌絲有強(qiáng)大的吸收和運(yùn)輸能力，其長度還可以無限生長，當(dāng)作物受到侵染后，能夠擴(kuò)大根系吸收的空間[37]，增強(qiáng)寄主對(duì)P、N、K等營養(yǎng)元素的吸收，營養(yǎng)物質(zhì)得到積累，利于作物在鹽土上生長。P元素是作物生長必需的大量元素之一，而鹽脅迫會(huì)降低其體內(nèi)含量。試驗(yàn)表明，AM真菌菌絲體通過產(chǎn)生的小分子有機(jī)物，可以加速物質(zhì)的溶解，促進(jìn)作物對(duì)磷酸鹽和其他無機(jī)鹽的吸收，進(jìn)而提高寄主作物對(duì)P元素的吸收能力和對(duì)難溶性磷酸鹽的利用能力，特別是在P元素匱乏的生境下[38]，從而對(duì)生長起到促進(jìn)作用。AM真菌可以同時(shí)還影響作物對(duì)其它有益營養(yǎng)元素的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，與未接種AM真菌相比，鹽土條件下，接種AM真菌后礦質(zhì)元素元素的含量明顯提高(表1)，有利于改善生長狀況。

表1 鹽脅迫下AM真菌提高作物礦質(zhì)元素的含量

2.2 調(diào)控水通道蛋白

AM真菌菌絲可以深入到作物根系無法到達(dá)的土壤縫隙，增加水分吸收范圍，同時(shí)也能通過提高基因表達(dá)來改善作物相對(duì)含水量。高等作物的質(zhì)膜和液泡膜上存在著大量的水通道蛋白(aquaporins，AQPs)，AQPs是一種跨膜通道間的內(nèi)在性蛋白。作物在鹽土中生存通常伴隨著干旱脅迫，這一過程中AQPs起著維持水分滲透平衡的作用，調(diào)節(jié)水分的跨膜快速流動(dòng)，有效緩解鹽土帶給作物的脅迫影響；但AQPs的表達(dá)受鹽分調(diào)節(jié)[46]，鹽脅迫會(huì)使液泡膜和質(zhì)膜的AQPs基因轉(zhuǎn)錄水平降低，導(dǎo)致表達(dá)下調(diào)。相反在鹽土條件下接種AM真菌后，與非AM植株相比，作物根系水通量增加，研究證明這種效應(yīng)是因?yàn)锳M真菌表達(dá)上調(diào)AQPs基因，使寄主獲取更多水分，改善生理干旱導(dǎo)致的水分脅迫。賀忠群等對(duì)番茄進(jìn)行0.5%和1.0%濃度的NaCl鹽處理，并接種AM真菌摩西球囊霉，檢測到質(zhì)膜水通道蛋白基因(LeAQP2)表達(dá)上調(diào)[47-48]。Ouziad等也發(fā)現(xiàn)在鹽分處理下接種AM真菌的番茄葉片中，構(gòu)成某些AQPs基因的信使RNA增加，從而調(diào)節(jié)番茄體內(nèi)的水分情況[49]。這說明AM真菌能夠通過加強(qiáng)水通道蛋白表達(dá)來促進(jìn)寄主對(duì)水分的吸收利用，改善生長狀況，以此來提高作物的耐鹽性。

2.3 維持滲透平衡

處于鹽土條件下的作物，由于土壤環(huán)境的低滲透勢導(dǎo)致作物細(xì)胞不斷失水，干擾細(xì)胞正常的生長代謝。在這種情況下，需要通過降低細(xì)胞內(nèi)滲透勢來對(duì)植物細(xì)胞進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[50]。鹽分處理下，AM真菌可以通過調(diào)節(jié)無機(jī)離子和合成有機(jī)滲透物質(zhì)2種方式維持作物滲透平衡，是作物適應(yīng)鹽土的主要機(jī)制[51]。

Na+作為一種有毒的陽離子會(huì)造成作物細(xì)胞損傷，而K+作為無機(jī)營養(yǎng)成分和滲透調(diào)節(jié)劑對(duì)作物調(diào)節(jié)作用至關(guān)重要[52]。隨著作物在鹽土中生長的時(shí)間越來越長，引起體內(nèi)Na+積累、K+減少，Na+/K+離子平衡遭到破壞，對(duì)細(xì)胞質(zhì)酶活性、光合作用和生長代謝等都會(huì)產(chǎn)生不利影響[53]，因此需要降低作物細(xì)胞中Na+濃度，緩解鹽土對(duì)作物的危害。研究表明，作物接種AM真菌能使Na+吸收降低、K+吸收增加[54]。例如，接種AM真菌后的大豆葉片中K+含量明顯升高，K+/Na+比例也較未接種AM真菌時(shí)提高，促進(jìn)了植株生長[55]；AM真菌在Na+進(jìn)入根系前能將其排除或者分隔在根細(xì)胞液泡中[56]，降低Na+等毒害離子的吸收[57]，控制鹽離子向地上部分運(yùn)輸，幫助寄主重新建立新的離子平衡[58]。

脯氨酸(proline，Pro)作為一種參與抵抗鹽脅迫的主要有機(jī)滲透物，是衡量作物滲透調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)之一[59]，其含量的積累是作物面對(duì)鹽土的一種自我保護(hù)性措施。據(jù)報(bào)道，接種AM真菌顯著增強(qiáng)作物體內(nèi)的Pro含量[60]，進(jìn)而緩解滲透脅迫。張璐等發(fā)現(xiàn)，低AM真菌處理紫花苜蓿從無鹽至高鹽葉片游離脯氨酸的含量增加了2.9倍，保護(hù)膜系統(tǒng)少受傷害[61]。有報(bào)道表明，參與Pro合成表達(dá)的P5CS基因與耐鹽性有密切聯(lián)系[62]。Jahromi等在研究中發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌的作物提高了P5CS基因的表達(dá)量，從而積累Pro的含量來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡，改善作物在鹽土中的生長特性，提高作物耐鹽性[63-64]。

2.4 保護(hù)抗氧化系統(tǒng)

正常情況下，作物在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)處于動(dòng)態(tài)平衡，而在受到鹽分等逆境脅迫時(shí)，會(huì)誘發(fā)作物體內(nèi)發(fā)生次級(jí)脅迫即氧化脅迫，動(dòng)態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致ROS過多積累，若作物自身防御機(jī)制不能及時(shí)將其清除，ROS會(huì)對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和膜脂等生物大分子產(chǎn)生氧化損傷[65]，干擾細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)功能，最終抑制作物生長或死亡[66]。作物細(xì)胞清除ROS的抗氧化系統(tǒng)體系分為抗氧化酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)?？寡趸阜肿酉到y(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)和谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)，對(duì)清除過量ROS、保護(hù)作物起著重要作用；非酶系統(tǒng)抗氧化分子主要有抗壞血酸(ascorbic acid，AsA)和谷胱甘肽(glutathione，GSH)，其作用主要是清除ROS產(chǎn)生的毒性副產(chǎn)物[67]。

AM真菌主要通過2個(gè)途徑來達(dá)到提高作物抗氧化能力的目的。一是AM真菌本身能夠編碼合成抗氧化酶分子。Palma等已從AM真菌球狀巨孢子囊霉(Gigasporamargarita)上分離并鑒定了關(guān)于編碼Cu/Zn超氧物歧化酶(GmarCuZnSOD)的全長基因，發(fā)現(xiàn)它與提高菌根化作物的耐鹽能力有關(guān)[68]。二是AM真菌侵染作物后會(huì)增強(qiáng)寄主的抗氧化酶活性。已有研究發(fā)現(xiàn)，鹽土條件下作物體內(nèi)過多的ROS會(huì)氧化，損傷酶的活性，使其降低或喪失，從而影響作物的正常生長[69]。也有研究表明，接種AM真菌能增強(qiáng)寄主抗氧化酶的活性，提高抗氧化力[70]，從而恢復(fù)ROS的動(dòng)態(tài)平衡，在遇到鹽脅迫時(shí)減少環(huán)境對(duì)作物的傷害[71]。各種研究表明，在不同鹽濃度下用AM真菌侵染作物，抗氧化酶活性均得到不同程度的提高。王英男等對(duì)接種AM真菌的羊草進(jìn)行 0～200 mmol/L的鹽分處理，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)SOD、POD、CAT和APX的活性明顯增強(qiáng)，提高了作物體內(nèi)氧自由基的清除能力[72]；許平輝等對(duì)茶樹進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，其SOD、POD和CAT的活性得到增強(qiáng)，GSH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到上升[73]；Abdel Leted等發(fā)現(xiàn)，菌根導(dǎo)致辣椒體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的活性提升，代表作物耐鹽能力的提高[74]。

2.5 調(diào)節(jié)激素信號(hào)分子

生長素(auxin，IAA)、赤霉素(gibberellins，GA)、脫落酸(abscisic Acid，ABA)、茉莉酸(jasmonic acid，JA)等是重要的植物激素，作為一類信號(hào)分子，能夠廣泛參與作物生長發(fā)育和應(yīng)對(duì)逆境的系統(tǒng)性脅迫響應(yīng)過程。研究證明，鹽脅迫可通過改變作物體內(nèi)生長激素的含量來調(diào)控作物的生長發(fā)育活動(dòng)，導(dǎo)致細(xì)胞分化的作用被抑制，促進(jìn)作物提前休眠。Luo等研究發(fā)現(xiàn)，鹽處理下的灰楊與對(duì)照相比，其IAA含量明顯降低[75]；羅玉婕等對(duì)2種海棠進(jìn)行不同濃度鹽脅迫處理，發(fā)現(xiàn)葉片中的ABA含量均高于對(duì)照，導(dǎo)致寄主生長受到抑制[76]。

激素信號(hào)分子已經(jīng)被證實(shí)在AM真菌與作物互作過程中扮演重要角色。已有研究發(fā)現(xiàn)，在被AM真菌侵染的作物根系中GA和IAA濃度與對(duì)照相比顯著升高[77]；趙方貴等對(duì)煙草接種AM真菌后也發(fā)現(xiàn)體內(nèi)的IAA含量增加，IAA/ABA比值提高[78]。以上內(nèi)容說明鹽脅迫能加快生長周期，使作物提前成熟衰落，此時(shí)的植株發(fā)育不健康，長勢較弱；AM真菌通過調(diào)控它們的含量來改善作物的生長效應(yīng)，促使枝芽生長，延緩葉片衰老，增強(qiáng)作物的耐鹽性。試驗(yàn)證明，茉莉酸類化合物(jasmonates，JAs)能有效地介導(dǎo)作物對(duì)病原菌、食草動(dòng)物及非生物脅迫等的防御反應(yīng)，誘導(dǎo)一系列防御反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的合成及基因的表達(dá)，在調(diào)節(jié)作物響應(yīng)鹽脅迫方面扮演者著重要角色。鹽土條件下，接種AM真菌能激活JA信號(hào)途徑，誘導(dǎo)信號(hào)物質(zhì)茉莉酸等的形成[79]，通過積累JAs的含量使作物更有利于抵御鹽脅迫[80]。Isayenkov等發(fā)現(xiàn)，對(duì)蒺藜苜蓿接種AM真菌后，丙二烯氧化環(huán)酶(茉莉酸類物質(zhì)生物合成途徑中的關(guān)鍵酶)的表達(dá)增強(qiáng)，從而積累了植株體內(nèi)JA的含量，進(jìn)一步提高了植株的抗鹽性[81]。

綜上，AM真菌在寄主作物根部定殖形成的互惠共生體，不僅能夠改善鹽土對(duì)作物構(gòu)成的威脅，通過建立新的離子平衡、緩解水分虧缺和增強(qiáng)抗氧化能力等機(jī)制來降低作物對(duì)鹽土的拮抗作用，增強(qiáng)抗鹽能力，展示出AM真菌在鹽土改良中的巨大潛力，還可以充分利用鹽土資源來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。因此，AM真菌作為一種作物生物技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都被廣泛關(guān)注，特別是在鹽土農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 AM真菌在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

AM真菌增強(qiáng)寄主耐鹽性的研究已經(jīng)比較深入。作為一種生態(tài)友好的生物技術(shù)，AM真菌對(duì)鹽土引起的其他脅迫也有改善的作用。研究表明，AM真菌能夠吸附重金屬來修復(fù)被污染土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物抗病害能力以及增加產(chǎn)量等，對(duì)鹽土農(nóng)業(yè)具有調(diào)節(jié)作用，并進(jìn)一步使之形成一個(gè)可以自持的、平衡的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中扮演重要角色(圖2)。

3.1 改善土壤物理性質(zhì)

菌根真菌在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成及穩(wěn)定和土壤孔隙度保持等方面具有重要作用[82]，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。研究證明，AM真菌能在土壤中分泌一種糖蛋白——球囊霉素相關(guān)蛋白(glomalin-related soil protein，GRSP)，具有重要的生態(tài)功能[83]：一是GRSP通過在菌絲表面形成保護(hù)層來防止水分和養(yǎng)分流失[84]，抑制其他微生物對(duì)菌絲的傷害，促進(jìn)菌絲伸長擴(kuò)大，對(duì)寄主產(chǎn)生有利影響。同時(shí)完善的菌絲網(wǎng)絡(luò)又對(duì)土壤具有保護(hù)作用，更好地抵抗風(fēng)雨的侵蝕，避免土壤肥力流失[85]。二是GRSP被稱作“超級(jí)膠水”，能對(duì)土壤顆粒產(chǎn)生黏結(jié)作用，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，改善物理性狀，為作物生長提供良好的水滲透率和通氣狀況[86]。

3.2 拮抗病原菌

接種AM真菌作為防止農(nóng)作物病蟲害的一種手段，已經(jīng)得到了不同研究的證明。Safir在1968年首次發(fā)現(xiàn)AM真菌對(duì)病害的拮抗作用，研究中接種AM真菌的洋蔥降低了由土棘殼孢(Pyrenochaetaterrestris)引起的根系紅腐病發(fā)病率[87]，隨后各國學(xué)者普遍展開AM真菌與作物病害關(guān)系的研究。各種現(xiàn)象表明，接種AM真菌對(duì)由土傳病原物引起的病害有很好的抵抗作用，包括各種真菌、細(xì)菌、放線菌、線蟲等病害。黃京華等對(duì)玉米接種AM真菌發(fā)現(xiàn)，由真菌引起的紋枯病出現(xiàn)率大大降低[88]。不少研究證明，AM真菌能降低線蟲對(duì)寄主的侵染率，限制它的增殖[89]，從而提高抗病性。如果病原物入侵時(shí)作物與AM真菌已形成完善的共生體系，那么AM真菌可提前進(jìn)入防御體系，減輕寄主病害程度。Ratti等將一種AM真菌接種到薄荷后15 d再接種南方根結(jié)線蟲，線蟲在體內(nèi)的分布密度較同步接種時(shí)顯著降低[90]。晉治波等對(duì)同一番茄品種進(jìn)行不同AM菌種處理[Rhizophagusintraradices(Ri)、Acaulosporamellea(Am)]及菌種組合Rhizophagusintraradices+Acaulosporamellea(Ri+Am)發(fā)現(xiàn)，感病蒙特卡羅品種上接種Ri+Am混合菌種的處理效果優(yōu)于接種單一菌種，而抗線蟲仙客1號(hào)品種上接種單一菌種Ri的效果更優(yōu)[91]。這說明復(fù)合菌種的使用效果對(duì)抑制土傳病害表現(xiàn)更好，但不能盲目復(fù)合，要根據(jù)菌種的生長習(xí)性一步步篩選。

3.3 修復(fù)重金屬污染土壤

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的推進(jìn)，農(nóng)藥、化肥和大氣污染物等導(dǎo)致的重金屬不能完全被土壤中的微生物分解，過量積累而造成重金屬污染，對(duì)作物產(chǎn)生氧化損傷，有些會(huì)通過食物鏈的方式以有害濃度形式進(jìn)入人體內(nèi)，造成慢性中毒。一方面，菌根不僅能夠在重金屬污染的土壤中生存，而且AM真菌在寄主根系所形成的菌絲和孢子能吸附土壤中大量的重金屬元素，起到凈化修復(fù)作用，從而減輕作物體內(nèi)的毒害作用[92]。另一方面，菌根通過AM真菌提高寄主對(duì)重金屬脅迫的耐受性來實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)[93]。由于AM共生體很大程度上增加根系吸收面積，使作物更好地吸收P等營養(yǎng)元素和水分，改善內(nèi)源代謝，增強(qiáng)光合作用等，顯著促進(jìn)作物生長[94]，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量。研究分析發(fā)現(xiàn)，AM真菌對(duì)根系的侵染可以使作物增產(chǎn)約20%[95]，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)品質(zhì)。

3.4 穩(wěn)定土壤生態(tài)系統(tǒng)

菌根是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物量最大、分布最廣、功能最齊全、占據(jù)最大生態(tài)位的超有機(jī)體[96]。在地下形成的龐大菌絲網(wǎng)絡(luò)可以將多種微生物與作物共同聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞等功能。AM真菌通過聯(lián)系作物群落結(jié)構(gòu)、動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)以及土壤微生物來影響生態(tài)系統(tǒng)，且這4個(gè)過程相互產(chǎn)生作用。菌根作為媒介將地下部分與地上部分彼此聯(lián)系，同種和不同種間都可以通過根系細(xì)長的菌絲聯(lián)系起來，對(duì)作物種群的生長互作產(chǎn)生作用，實(shí)現(xiàn)能量、信息、養(yǎng)分的高效利用，從而保護(hù)生物多樣性。一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物種組成越豐富，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，生產(chǎn)能力越高，抵抗自然災(zāi)害的能力也越高，因此AM真菌提高了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，使之處于一個(gè)完整有序的正反饋良性循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，AM真菌作為一種生物肥料[97]，形成的菌根存在于農(nóng)田、果園、牧區(qū)等多種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，無污染毒害，可以降低對(duì)農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品的需求，不僅有利于改善自然生態(tài)環(huán)境，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展也起推進(jìn)作用，是維持生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)生物新技術(shù)。

4 展望

土壤鹽化是我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要問題之一，造成作物低產(chǎn)，嚴(yán)重降低土地利用率。通過提高作物耐鹽性來解決鹽土問題的生物措施，具有二次污染少、生態(tài)環(huán)保的優(yōu)勢[98]。國內(nèi)外研究已經(jīng)表明AM真菌可以通過各種生理生化機(jī)制緩解鹽脅迫，增強(qiáng)寄主抗鹽能力。而且，AM真菌作為一項(xiàng)生物技術(shù)，在減少農(nóng)藥和化肥使用的同時(shí)促進(jìn)作物健康生長，利用菌絲吸附多余重金屬來修復(fù)、改善土壤物理性狀等緩解鹽土引起的其他脅迫危害。因此，AM真菌在鹽土改良中有很大的應(yīng)用前景。AM真菌作為一種生物肥料和生物防護(hù)劑，對(duì)作物抗病、提高作物品質(zhì)等方面發(fā)揮著積極作用，基于其在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和提高生物多樣性的重要作用，毋庸置疑在以后會(huì)有大的發(fā)展。AM真菌生物技術(shù)還未在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用，存在著諸多限制因素。其中幾個(gè)方面的研究亟須深入開展：

(1)加強(qiáng)優(yōu)良AM真菌的鑒定和篩選。AM真菌的多樣性影響著作物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，且不同作物接種AM真菌以及接菌生長后的不同部位響應(yīng)也不同，所以需要對(duì)不同的AM真菌進(jìn)行鑒定，加強(qiáng)應(yīng)用于不同目的(抗逆、抗病、增加產(chǎn)量等)的菌種的篩選，針對(duì)作物-AM真菌的最適組合要繼續(xù)深入。目前菌根共生體的研究大多是在培養(yǎng)室或者人工模擬條件下完成的，自然鹽土下AM真菌與作物共生機(jī)制是否與人工培養(yǎng)作用機(jī)制一致需要進(jìn)一步研究。

(2)加強(qiáng)分子生物學(xué)領(lǐng)域的研究。對(duì)于通過AM真菌提高作物耐鹽性來改良鹽土的研究主要集中在生理水平，涉及到的分子層面只局限在少數(shù)基因，比如AQPs基因、P5CS基因、Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等，今后需多加利用DNA測序技術(shù)、RT-PCR技術(shù)和CRISPR/Cas9基因編輯等現(xiàn)代技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)抗氧化系統(tǒng)酶基因的分離與鑒定，以及滲透平衡物質(zhì)基因合成的研究，進(jìn)一步研究作物抗逆蛋白表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)理，以此推動(dòng)AM真菌分子特征、多樣性等研究，促進(jìn)深入挖掘及利用AM真菌資源，加快研究到應(yīng)用進(jìn)程。

(3)加強(qiáng)AM真菌在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的利用。AM真菌可以替代部分化肥和農(nóng)藥的作用，避免農(nóng)產(chǎn)品上農(nóng)藥殘留，從而減少農(nóng)業(yè)污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但是在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，接種AM真菌后大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)都會(huì)影響其生長和活性，比如某些耕作措施(輪作、耕作、間作)或者耕作強(qiáng)度等都會(huì)影響AM真菌菌絲的分布和損傷，從而降低AM真菌對(duì)作物的侵染率，降低農(nóng)作物產(chǎn)量。免耕是近世紀(jì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的進(jìn)步技術(shù)，可在適宜情況下作為研究使用AM真菌的配套農(nóng)業(yè)措施，從而有效的保護(hù)土壤環(huán)境。不同的農(nóng)業(yè)耕作措施會(huì)不同程度影響AM真菌的生長發(fā)育和分布，在以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以通過不同措施的結(jié)合，與AM-植物共生體積極作用相互聯(lián)系，在維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮作用。