叢枝菌根真菌影響植物病害的研究進(jìn)展

馬俊 李珊 顧鵬程 王其傳 吳亞勝

摘 要 叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）廣泛存在于自然界中，在提高植物抵抗病害脅迫中起到積極作用。為進(jìn)一步加快農(nóng)業(yè)投入品的減量增效步伐，提高生物防治在農(nóng)作物種植中的應(yīng)用比例，總結(jié)了近年來國內(nèi)外在叢枝菌根真菌對植物病害的影響及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展，同時(shí)展望了叢枝菌根真菌的進(jìn)一步研究及應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞 叢枝菌根真菌；植物病害；抗病機(jī)制；次生代謝物

中圖分類號：S476.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.02.009

叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一種活體營養(yǎng)型的土壤真菌，從屬于球囊菌門（Glomeromycota），能與約80%的陸生植物根系形成互利共生關(guān)系[1]。AMF通過侵染植物根系與植物建立共生關(guān)系，并顯著改善植物礦質(zhì)營養(yǎng)和水分吸收及運(yùn)輸，對植物的生長起到促進(jìn)作用。這種作用類似于豆科植物與根瘤菌的共生關(guān)系，但又具有其獨(dú)特性，如可以在植物抵抗非生物和生物脅迫過程中起到積極的作用。農(nóng)作物在生長過程常受到病蟲害的影響，產(chǎn)量出現(xiàn)嚴(yán)重下降。傳統(tǒng)利用殺菌劑處理病蟲害的方式不僅會引起農(nóng)藥殘留問題，而且嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，迫切需要一種替代性的安全措施。AMF可作為植物病害的潛在生物防治劑，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可作為化學(xué)農(nóng)藥的有效替代品，有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性，助力解決化學(xué)農(nóng)藥殘留對人們健康的危害問題。

1 AMF對植物病害的影響

叢枝菌根真菌在植物病害中的作用已有大量研究。SAFIR等首次發(fā)現(xiàn)洋蔥接種AMF能降低由洋蔥粉色根腐病菌（Pyrenochaeta terrestris）引起的粉色根腐病的發(fā)生率[2]。已有大量文獻(xiàn)證實(shí)預(yù)先接種AMF的寄主植株可以增強(qiáng)植物對病害的抗性，且菌根侵染率與植物發(fā)病率有直接關(guān)系[3]。AMF可以減輕一些病害的嚴(yán)重程度，如真菌病原物、病毒、細(xì)菌及線蟲等。接種AMF能夠顯著促進(jìn)植株生長，增強(qiáng)其對土傳病原菌的抗性，改善連作土壤環(huán)境，從而減輕蘋果連作障礙，對西瓜立枯病、水稻稻瘟病、草莓枯萎病、茅蒼術(shù)根腐病害等也有效果[4-8]。AMF與其他有益菌的聯(lián)合對病害的防治效果也有廣泛研究，目前普遍認(rèn)為AMF與其他微生物聯(lián)用可以有效提高植物的抗病性[9]。

2 AMF影響植物病害的作用機(jī)制

植物-叢枝菌根真菌相互作用的研究主要集中在植物營養(yǎng)-碳交換的生理機(jī)制和控制上。人們對菌根提供非營養(yǎng)益處的機(jī)制還不是很清楚，如抑制土傳疾病和增強(qiáng)植物對病害的抗性機(jī)制。有研究認(rèn)為AMF對植物抗病能力的提高作用主要是因?yàn)楦纳屏酥仓甑牡V質(zhì)營養(yǎng)狀況，但一般認(rèn)為AMF提高寄主植物抗病性的機(jī)制包括改善根系形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高植物營養(yǎng)吸收能力、提高其競爭能力、改善根際微生物環(huán)境、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性等[10]。

與未接種AMF植株相比，菌根植物會產(chǎn)生防御相關(guān)的分子物質(zhì)，如酚類物質(zhì)（Phenolics）、獨(dú)腳金內(nèi)酯（Strigolactone，SL）等生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)在植物防御反應(yīng)體系中起到重要作用。研究認(rèn)為，AMF可促進(jìn)植物產(chǎn)生大量的植物抗毒素（Phytoalexins）、苯丙烷類代謝途徑酶（Enzymes of the phenylpropanoid pathway）、幾丁質(zhì)酶（Chitinases）、β-1，3-葡聚糖酶（β-1，3-glucanases）、過氧化物酶（Peroxidases）、致病相關(guān)蛋白（Pathogenesis-related proteins）、胼胝質(zhì)（Callose）、富羥脯氨酸糖蛋白（Hydroxyproline-Rich Glycoproteins，HRGP）和酚類物質(zhì)（Phenolics）[11-12]。菌根植物對根際病原菌有更強(qiáng)的耐受性，配合育種技術(shù)可以使植物具有更強(qiáng)的抗病性。AMF在侵染過程中與病原菌競爭侵染位點(diǎn)和能源物質(zhì)，根系表皮在遭到病原菌入侵時(shí)，細(xì)胞壁不斷木質(zhì)化、硅質(zhì)化，加大了病原菌的入侵難度，從而提高植物抗病性[13]。

2.1 AMF對植物生長的影響

AMF與植物形成共生關(guān)系，在寄主植物根系中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)植物對土壤中氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素的吸收，使植物更具有活力，從而增強(qiáng)植物抗性，彌補(bǔ)了病原體引起的植物生物量和功能的損失。如當(dāng)與寄主葡萄的根系形成共生關(guān)系后，AMF可以起到有效的促生作用，這可能與AMF增加了植株的氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素含量、促進(jìn)植物光合作用有關(guān)；接種AMF的葡萄組培苗根系活力及根系磷酸酶活性顯著增強(qiáng)，根系中礦質(zhì)養(yǎng)分顯著提高，光合作用效率得到提高，同化產(chǎn)物積累增加，有效提高幼苗移栽成活率[14]。

2.2 AMF對植物代謝物質(zhì)的影響

酚類是植物重要的次生代謝產(chǎn)物，如類黃酮、酚酸和單寧等，這些物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上具有一定的共性，即芳香環(huán)上氫原子被羥基或其他功能基團(tuán)所取代。這些物質(zhì)參與植物逆境防御，并起到重要作用，AMF與植物根系建立互利共生關(guān)系后，對植物的次生代謝物質(zhì)的合成也具有重要影響。

李建福和王明元在研究中發(fā)現(xiàn)，接種AMF后，在植物根系形成菌根的過程中會誘導(dǎo)植物產(chǎn)生酚類物質(zhì)，如黃酮醇、咖啡酸、槲皮黃酮、對羥基苯甲酸和類黃酮等[15]。酚類物質(zhì)在AMF-寄主植物共生體中可能的作用機(jī)制主要包括AMF可以影響植物體內(nèi)酚類物質(zhì)的產(chǎn)生，酚類物質(zhì)也對AMF的生長繁殖產(chǎn)生影響，如孢子的萌發(fā)、菌絲的分枝，酚類物質(zhì)還可能具有加強(qiáng)AMF與寄主植株的共生關(guān)系等作用。

有研究證明，AMF共生改善了葡萄對柱孢屬和蜜環(huán)菌屬等根系真菌性病原菌的耐受性，還提高了對體外寄生的土壤根結(jié)線蟲和劍線蟲的抗性[9，16-18]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同葡萄品種接種AMF后，在霜霉病和灰霉病侵染時(shí)，芪類化合物活躍成分含量上升，芪類化合物合成途徑中的苯丙氨酸酶（PAL）、芪合酶（STS）和白藜蘆醇-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶（ROMT）基因表達(dá)上調(diào)[19]。接種AMF可以增強(qiáng)葡萄接觸空氣部分的防御反應(yīng)能力以應(yīng)對活體和死體的病菌，而且受到基因種類、植物栽培種和病毒類型不同的強(qiáng)烈影響[20]。

AMF增加植物次生代謝物質(zhì)具有以下特點(diǎn)：1）不同AMF菌種對植物次生代謝產(chǎn)物的影響不同；2）AMF對植物不同部位的次生代謝產(chǎn)物影響程度不同；3）AMF對植物次生代謝產(chǎn)物的影響受到環(huán)境條件限制；4）混合接種效果要好于單獨(dú)接種；5）接種時(shí)植物的生長狀態(tài)也會對植物次生代謝物質(zhì)含量產(chǎn)生影響；6）添加適量的氮、磷、鐵等礦質(zhì)元素能夠促進(jìn)次生代謝產(chǎn)物的積累[20]。

在AMF對植物次生代謝物質(zhì)合成產(chǎn)生影響的同時(shí)，AMF侵染植物根系的分泌物也可以從不同程度上影響土壤中微生物組成。在AMF侵染對葡萄在連作土壤中生長研究中，接種AMF的葡萄扦插幼苗，其地上、地下部分生理指標(biāo)及根系分泌物種類與含量均受到菌根的積極作用，如提高葡萄地上及地下生長量，提高葉片抗氧化酶及根系活力，并且改善根系分泌物質(zhì)及土壤環(huán)境[21]。

3 AMF誘導(dǎo)植物抵抗病害的作用機(jī)制

AMF在侵染植物根系后可以激發(fā)植物病害防御系統(tǒng)，這與菌根誘導(dǎo)抗性（Mycorrhiza-Induced Resistance，MIR）有關(guān)。CAMERON等提出，MIR對寄主植物提供了廣泛的系統(tǒng)保護(hù)作用，并與病原菌侵染后的系統(tǒng)獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）和非病原菌侵染后的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）具有相同的特征[22]。在AMF侵染根皮層時(shí)，根系會分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯，而植物體對AMF的反應(yīng)與活體營養(yǎng)病原體引起的防御反應(yīng)相似，植物天然免疫系統(tǒng)識別真菌的微生物相關(guān)分子模式（MAMPs），觸發(fā)免疫并產(chǎn)生信號抑制，由此誘導(dǎo)SAR啟動(dòng)。

AMF引起的防御激素水平調(diào)節(jié)被認(rèn)為是啟動(dòng)植物增強(qiáng)病原菌防御的重要因素。在共生關(guān)系建立的早期，植物內(nèi)源水楊酸（SA）水平升高導(dǎo)致植物防御基因表達(dá)量升高，但這些基因隨后被抑制，從而導(dǎo)致AMF成功定殖。植物的一些激素變化可以限制AMF的定殖，而另一些則促進(jìn)AMF的侵染。如AMF促進(jìn)植物激素脫落酸（ABA）的產(chǎn)生，ABA在抗病反應(yīng)中的作用是復(fù)雜的，取決于互作的階段和性質(zhì)。有研究認(rèn)為ABA能夠抑制SA依賴型防御生物病原菌的作用，并在早期通過如微生物相關(guān)分子模式（MAMP）誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉、活性氧和細(xì)胞壁增強(qiáng)起到防御作用[23]。盡管ABA作為系統(tǒng)性MIR信號的潛在作用可能是短暫的，但其在植物木質(zhì)部和韌皮部的移動(dòng)性，使得該激素可能成為一個(gè)作為補(bǔ)充長距離MIR信號的候選激素，并引發(fā)細(xì)胞壁防御機(jī)制。

AMF在植物根系定殖后期，SA水平回落，宿主植物感知菌根分泌物傳遞的信號后形成ISR，產(chǎn)生茉莉酸（JA）和乙烯（ET）進(jìn)行防御，由此激活JA途徑，因此JA很可能是通過ISR對MIR產(chǎn)生影響，但是JA能否作為ISR的內(nèi)源信號尚待進(jìn)一步研究。AMF與植物的共生體可以通過表達(dá)MIR保護(hù)植物免受病原菌攻擊，雖然MIR的作用機(jī)制尚不完全清楚，但MIR的確會增加防御酶活性或介導(dǎo)病程相關(guān)蛋白表達(dá)升高。

4 展望

我國是農(nóng)業(yè)大國，減少化肥和農(nóng)藥等農(nóng)用人工化學(xué)品的使用，需要輔以有效的生物防治和生物肥料等措施。目前，我國對AMF的研究仍局限于實(shí)驗(yàn)室階段，雖然已經(jīng)有大量研究證明了AMF可以對植物生長過程起到有效調(diào)節(jié)作用，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的病害逆境脅迫中也起到積極作用，但是AMF在農(nóng)作物栽培中的應(yīng)用仍然不足。除了AMF的培養(yǎng)技術(shù)需要進(jìn)一步探索，還需要利用已經(jīng)建立的AMF菌種庫資源，在設(shè)施栽培蔬菜、果樹林木、大田農(nóng)作物、藥用植物等植物上的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐探索，進(jìn)一步系統(tǒng)地研究AMF提高植物抗病作用機(jī)制，并綜合考慮與其他有益菌群的配合作用。

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（責(zé)任編輯：張春雨）