叢枝菌根真菌和根瘤菌防控植物真菌病害的研究進展

高 萍， 李 芳， 郭艷娥， 段廷玉

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

植物與微生物共生是自然界中普遍存在的一種生物學現(xiàn)象，根際土壤中的有益微生物與植物相互作用形成共生結構，是決定植物健康的主要因素之一[1]。在這些不同的植物共生物中，叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)真菌和根瘤菌是兩類重要的共生微生物。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，他們發(fā)揮著重要作用，影響植物生長、營養(yǎng)吸收和抗病性等[2]。

叢枝菌根是生態(tài)系統(tǒng)中最廣泛的共生體，AM真菌能夠與超過80%的陸生植物建立叢枝菌根共生關系[3]。在共生體中，AM真菌的內(nèi)生菌絲侵入植物的根皮層，進而發(fā)育為叢枝，成為寄主與AM真菌間進行物質(zhì)與信息交換的主要場所；而外生菌絲則在土壤中不斷發(fā)展，形成龐大的菌絲網(wǎng)絡，幫助宿主從土壤中吸收水分和礦質(zhì)元素，如P、Zn、Cu等，從而改善宿主的營養(yǎng)狀況，提高植物的抗病性和耐病性[4]。根瘤菌是一類廣泛分布于土壤中的革蘭氏陰性細菌，能與相應的豆科植物和少數(shù)非豆科植物形成高度?；墓采P系，侵染植物根部形成根瘤，通過其固氮酶作用，將空氣中N2還原為可被植物吸收利用的銨根離子3，促進植物的生長，同時可產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物或抑菌素抑制植物病原菌，減少植物病害發(fā)生[5-6]。

AM真菌和根瘤菌相互協(xié)調(diào)，可增強植物對養(yǎng)分(尤其是N和P)的吸收，促進植物的生長，進而提高植物的抗病性，但亦可能存在兩類共生微生物對侵染位點的競爭，且兩類共生微生物對植物抗病性的影響和作用機理也不盡相同。如何揚長避短、利用兩類微生物促進植物生長，提高植物抗病性具有重要意義。本文綜述了近年來國內(nèi)外AM真菌和根瘤菌對真菌病害影響的研究進展，總結了AM真菌、根瘤菌與作物真菌病害作用的機理，以期為利用兩類有益微生物防控植物真菌病害提供理論基礎。

1 菌根共生體與植物真菌病害

1.1 叢枝菌根真菌與植物真菌病害

1968年，Safir[7]首次報道了摩西球囊霉(Glomusmosseae)能減少洋蔥(Alliumcepa)紅根腐菌(Pyrenochaetaterestris)對洋蔥根系的侵染，從而減輕紅根腐病的危害，提高植物抗病性。此后，人們開始廣泛關注AM真菌對植物病害的影響。諸多報道指出，AM真菌可提高植物的抗病性，減輕病害的發(fā)生危害。例如，Ozgonen等[8]利用花生(Arachishypogaea)研究AM真菌對由白卷病菌(Sclerotiumrolfsii)引起的莖腐病時發(fā)現(xiàn)，所有接種的AM真菌，包括幼套球囊霉(Glomusetunicatum)、摩西球囊霉、明球囊霉(Glomusclarum)、蘇格蘭球囊霉(Glomuscaledonium)、聚生球囊霉(Glomusfasciculatum)和珍珠巨孢球囊霉(Gigasporamargarita)都能減少植物發(fā)病，在盆栽試驗條件下，病害嚴重度降低37.8%～64.7%，在大田試驗條件下，病害嚴重度降低30.6%～47.2%。賀忠群等[9]采用盆栽試驗研究了接種地表球囊霉(Glomusversiform)對由立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)引起的黃瓜(Cucumissativus)立枯病及抗病相關酶活性的影響，結果表明，黃瓜接種AM真菌可顯著促進黃瓜生長，并能顯著抑制立枯病的發(fā)生，相對防治效果達67.1%。劉先良等[10]研究了溫室條件下2種AM真菌，根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradices)和摩西球囊霉對煙草(Nicotianatabacum)青枯病(Ralstoniasolanacearum)抗病性的影響，結果發(fā)現(xiàn)，與不接種AM真菌的對照相比，接種根內(nèi)球囊霉和摩西球囊霉的煙草青枯病病情指數(shù)和發(fā)病率分別降低9.7%和49.8%。

1.2 根瘤菌與植物真菌病害

早在1980年，Tu[11]研究根瘤菌對苜蓿(Medicagosativa)根腐病(Fusariumoxysporum)的發(fā)病率和越冬的影響時，發(fā)現(xiàn)苜蓿根瘤菌(Rhizobiummeliloti)能夠減少由大豆疫霉菌(Phytophthoramegasperma)和尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)引起的苜蓿根腐病的發(fā)病率。之后，各國學者就根瘤菌對植物病害的防效及其抗性機制展開了極為廣泛與深入的研究。Chakaraborty等[12]通過對大豆(Glycinemax)用根瘤菌進行種子處理和根部接種，研究根瘤菌對大豆根的保護作用，結果表明，用大豆根瘤菌(Rhizobiumjaponicum)進行種子處理能顯著減輕由大豆炭腐病菌(Macrophominaphaseolina)引起的炭腐病。同樣，Hussain等[13]研究發(fā)現(xiàn)，用根瘤菌對種子進行處理，能夠抑制由大豆炭腐病菌引起的向日葵(Helianthusannuus)和綠豆(Vignaradiata)的炭腐病。

2 叢枝菌根真菌減輕真菌病原菌的機理

2.1 寄主植物營養(yǎng)狀況的改善

AM真菌能夠提高植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，改善體內(nèi)營養(yǎng)狀況，增強植物的抗病性和耐病性。大量研究已經(jīng)證明，AM真菌能顯著促進植物對土壤中P、Zn、Cu、K、N、Mg、S和Ca的吸收[14]。Marschner等[14]研究得出，根外菌絲對吸收礦質(zhì)元素P、N、K、Zn和Cu的貢獻率分別為80%，25%，10%，25%和60%。發(fā)病植株經(jīng)常表現(xiàn)B、N、Fe、Mg、Zn的匱缺。目前，關于P在AM真菌提高植物抗病性過程中所起的作用尚不明確，國際上仍存在爭議。Linderman[15]認為，AM真菌增強植物對礦質(zhì)元素的吸收，尤其是P元素，可以明顯減輕植物根部病害。然而，West[16]認為，菌根在改善P元素對病害癥狀或病原物群體數(shù)量方面無減輕作用，可能還存在其他機制，需要進一步的研究。

2.2 補償作用

AM真菌可通過對由病原菌(包括線蟲和真菌[17])引起的根生物量或者功能的損失的補償，來增強寄主對病原菌的耐病性[15]。AM真菌依靠菌根的形成，促進根系的生長，擴大根系吸收面積，從而影響根細胞代謝[17]。這些誘導性的補償代謝可增加植物對病原菌的抵抗能力。

2.3 根系形態(tài)的改變

AM真菌的接種能夠誘發(fā)大量的側根產(chǎn)生[18]。菌根化影響植物根系形態(tài)變化，導致其表面積增加。根系形態(tài)結構的改變最終將影響到其他微生物的響應。菌根化植物呈現(xiàn)較強的維管系統(tǒng)，可增加營養(yǎng)的運輸，增強機械強度，從而減少病原菌對植物的破壞程度[19]。Dehne等[19]的研究證實，菌根化植株根系木質(zhì)化能阻止尖孢鐮刀菌對寄主植物的侵染。Matsubara[20]也研究發(fā)現(xiàn)，當茄子(Solanummelongena)黃萎病菌(Verticilliumdahliae)存在時，在茄子上接種幼套球囊霉和珍珠巨孢球囊霉，與非菌根植物相比，菌根植物一級和二級根系木質(zhì)素濃度更高。

2.4 侵染位點和寄主光合產(chǎn)物的競爭

Smith[21]發(fā)現(xiàn)，AM真菌和土傳植物病原菌占據(jù)同一根系組織，如果兩者的侵染發(fā)生在同一時間，可能直接導致空間上的競爭。在一定條件下，AM真菌和病原菌相互作用在侵染區(qū)并抑制對方的侵染。劉潤進等[22]通過對AM真菌和病原菌不同順序、時間和部位的接種處理，結果表明：AM真菌和病原菌對根系侵染位點存在競爭作用。Cordier等[17]發(fā)現(xiàn)在摩西球囊霉侵染和鄰近的未被侵染的根系統(tǒng)內(nèi)，煙草疫霉菌(Phytophthoranicotianae)較少，并且病原菌不會侵入含有叢枝的細胞。Vigo[23]也研究發(fā)現(xiàn)，雖然番茄的根系的分枝不受接種摩西球囊霉的影響，但是黑脛病菌的侵染位點減少了。Azcón[24]研究發(fā)現(xiàn)當AM真菌優(yōu)先得到光合產(chǎn)物時，會抑制病原菌的生長。

2.5 根際微生物區(qū)系的變化

菌根根際(mycorrhizosphere)是植物根系、AM真菌、其他生物和土壤四者互相作用的微生物系統(tǒng)。AM真菌共生體會引起根際微生物種群數(shù)量的變化，由此產(chǎn)生新的微生物平衡可能會影響植物的生長和健康，這些變化可能是由于AM真菌誘導根系分泌方式的改變[25]而產(chǎn)生的。AM真菌侵染的植物根系與無菌根化的植物根系相比，前者在根際的微生物群落組成方面不同，導致這些差別的原因可能是因為菌根化植物根系的細胞膜透性、分泌物、滲出物(如氨基酸、有機酸等)的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生變化，以及菌根周圍環(huán)境產(chǎn)生物理或化學的變化，使得根際pH值和根際內(nèi)微生物區(qū)系發(fā)生變化[26]。菌根根際形成的獨特微生物區(qū)系保護層，是防治病原物入侵的最外層防御體系[27]。Secilia等[27]研究表明，由聚生球囊霉的侵染的植物根際中抵抗腐皮鐮刀菌(Fusariumsolani)和青枯假單胞菌(Pseudomonassolanacearum)的放線菌數(shù)量明顯高于非菌根化的對照。顧向陽等[28]研究了AM真菌對棉花(Gossypiumspp.)整個生長期內(nèi)根區(qū)微生物生物量及數(shù)量變化的影響，結果表明：在植株的整個生長期中，菌根植株根系真菌的數(shù)量一直低于對照，植株根系真菌數(shù)量的減少使其受病原菌侵染的幾率隨之降低。

利用AM真菌的防御能力，與其他可以抵抗病原真菌的根際微生物相結合，可以作為生物防治劑[15]。已知具有拮抗病原菌的根際微生物中，真菌有木霉(Trichodermaspp.)、粘帚霉(Gliocladiumspp.)和鏈霉菌(Sterptomycesspp.)等，細菌有假單胞桿菌(Pseudomonas)、芽孢桿菌(Bacillus)、根瘤菌、解磷細菌、固氮菌和放線菌等，AM真菌與這些有益微生物之間的相互促進作用，可間接抵抗病原物的侵染[29]。

2.6 激活寄主防御機制

植物體內(nèi)獨有的抗性防御系統(tǒng)會在受到病毒或其他病原物侵染時啟動。在AM真菌與植物根系建立共生關系的過程中能誘導植物啟動防御反應，使植物防御有關的化合物，如生長素、植保素、苯丙烷代謝途徑的酶、幾丁質(zhì)酶、β-1,3-葡聚糖酶、病程相關蛋白、胼胝質(zhì)和酚類物質(zhì)數(shù)量增加。Dugassa[30]通過研究根內(nèi)球囊霉對亞麻(Linumusitatissimum)感染尖孢鐮刀菌后健康的影響，發(fā)現(xiàn)AM真菌提高了植物對病菌的抗性，菌根植物莖尖生長素和赤霉素以及根內(nèi)乙烯的濃度和含量均高于非菌根植物，AM植物葉中游離甾醇的含量和成分也發(fā)生很大程度的改變。

植保素是植物受病原菌侵染產(chǎn)生的一類低分子量抗病原菌的化合物，其產(chǎn)生的速度和積累的量與植物抗病性有關。Harrison等[31]報道，在AM真菌侵染蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)初期，蒺藜苜蓿植保素水平瞬時升高，但在共生體發(fā)育的晚期階段，又降到很低的水平。苯丙烷類代謝的酶系可以作為植物抗病性的一個生理指標，在酶系中研究最多的是代謝途徑的關鍵酶—苯丙氨酸氨基裂解酶。Hanne[32]對苜蓿接種根內(nèi)球囊霉，發(fā)現(xiàn)其根系苯丙氨酸銨基裂解酶mRNA的相對量以及苯基苯乙烯酮異構酶mRNA的相對水平均比對照要高，表明真菌能夠激活宿主PAL酶，提高宿主植物的抗病性。

幾丁質(zhì)酶是能夠水解許多病原菌細胞壁的主要成分之一，在高等植物中普遍存在。在病原菌侵染植物時，酶活性迅速增強，對病原菌的幾丁質(zhì)進行水解破壞，因此起到自身防護作用。Dumas等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在AM真菌侵染寄主的過程中，幾丁質(zhì)酶也被少量的瞬時誘導。β-1,3-葡聚糖酶是一類能夠水解以β-1,3-葡聚糖連接的葡聚糖酶系，他廣泛存在于高等植物體內(nèi)。由于葡聚糖是真菌細胞壁的主要成分之一，故β-1,3-葡聚糖酶具有一定的抗病性。Lambais等[34]報道，在菌根發(fā)育的某些特殊階段，β-1,3-葡聚糖酶的活性有所下降。這些研究結果表明在AM共生體形成時，植物防御反應會受到系統(tǒng)抑制。

病程相關蛋白(Pathogenesis-related proteins，PR蛋白)是植物體內(nèi)受病原體或其他外界因子的脅迫而誘導表達的一類蛋白質(zhì)，在植物抵御疾病、響應外界壓力以及適應不良環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[35]。劉潤進等[36]報道AM真菌和大麗輪枝菌(Verticilliumdahliae)均是侵染植物根系的真菌，同樣能誘導棉花合成PR蛋白，這些PR蛋白的量和種類的變化，可能反映了AM真菌對感病品種的誘導抗性與發(fā)病率和病情指數(shù)的降低有關。Shaul[37]研究發(fā)現(xiàn)，菌根的形成能夠降低煙草葉片的病情嚴重度，抑制PR-1和PR-3蛋白表達。

3 根瘤菌減輕真菌病害的機理

3.1 寄主生理生化的變化

早在1967年，Roslycky[38]報道根瘤菌能夠產(chǎn)生抗菌素。根瘤菌可以促進植物產(chǎn)生過敏性壞死反應，當病原菌浸入宿主植物后，宿主以侵染點為中心形成組織壞死斑，使病原菌的生長受抑制，從而阻止病斑擴大；在未侵染的細胞中形成植保素阻止病原菌繼續(xù)擴展。Breil[39]研究發(fā)現(xiàn)，根瘤菌可以產(chǎn)生具有抗菌活性的木樨毒素來抑制病原菌。

3.2 根系形態(tài)的改變

根瘤菌可增加豆科植物的結瘤數(shù)，根瘤除了保護植物抵制病原菌的侵染外，還能增強植物的生長活力[40]。當植物長出根毛后，根瘤菌受根毛分泌的凝集素的刺激和吸引，大量聚集到根際和根表。根毛與根瘤菌接觸后，首先是變軟，發(fā)生根毛卷曲，然后是細胞壁內(nèi)陷，根瘤菌隨之侵入根毛，直至根的皮層，根瘤菌在皮層大量繁殖并轉變?yōu)轭惥w，此時根部皮層大量增生，形成瘤狀組織，最后突出根部形成根瘤。根瘤是根瘤菌生存和固定氮的場所[41]。

3.3 激活寄主防御機制

用根瘤菌處理植物后可以觀察到植保素的積累[6,42]。Arfaoui[42]報道，根瘤菌能夠誘導防御相關的基因表達，如植保素的合成可使植物對病原菌侵染做好預防。Chakraborty[43]研究發(fā)現(xiàn)，無論是單接種腐皮鐮孢菌，還是用豌豆根瘤菌(Rhizobiumleguminosarum)與腐皮鐮孢菌混合接種，在豌豆的上胚軸均可產(chǎn)生2種植保素：豌豆素和4-羥基-2,3,9-三氧甲基-紫檀烷，且2種接種條件下豌豆素的含量變化不大；但在混合接種的情況下，4-羥基-2,3,9-三氧甲基-紫檀烷的含量是單獨接種的2倍。Pueppke[6]從感染茄皮腐鐮孢菌的豌豆胚中分離出3種抗真菌的紫檀素，通過光譜學和降解技術的結合，這3種物質(zhì)被鑒定為：(1)4-羥基-2,3,9-三氧甲基(4-hydroxy-2,3,9-trimethoxy)；(2)3-羥基-2,9-二氧甲基(3-hydroxy-2,9-dimethoxy)；(3)2,3,9-三氧甲基-紫檀烷(2,3,9-trimethoxy-pterocarpan)。

根瘤菌亦可促進植物幾丁質(zhì)酶的增加[44]。如Xie[44]用大豆慢生根瘤菌(Bradyrhizobiumjaponicum)、根瘤菌(Rhizobiumsp. NGR234)和摩西球囊霉3種微生物接種大豆，發(fā)現(xiàn)同時接種3種微生物后根瘤內(nèi)幾丁質(zhì)酶活比不接種和僅接種菌根真菌的酶活高7倍，經(jīng)分析4種同工酶中CHI和CH3是經(jīng)過誘導產(chǎn)生的。

4 叢枝菌根真菌和根瘤菌的互作

叢枝菌根真菌-豆科植物-根瘤菌三者形成的共生體，是植物與微生物共生中的一種特殊類型[45]。1974年，Crush發(fā)現(xiàn)并證實了AM真菌可以促進豆科植物的生長、結瘤和固氮，之后各國學者開始關注他們之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌的植株根部AM真菌侵染顯著高于不接種根瘤菌的植株，與此同時接種AM真菌的植株的根瘤數(shù)也明顯多于不接種AM真菌的植株，而且在試驗中并沒有發(fā)現(xiàn)根瘤菌和AM真菌之間競爭定殖位點，反而發(fā)現(xiàn)兩者同時接種有協(xié)同增效作用[46-47]。Singh[46]在盆栽試驗條件下，采用15N標記技術，評估AM真菌和根瘤菌雙接種對木豆(Cajanuscajan)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，聚生球囊霉和根瘤菌雙接種，尤其在同時外施50 kg·hm-2P5O2和20 kg·hm-2N時，木豆的結瘤數(shù)、籽產(chǎn)量、莖干重、N2固定量以及外施氮肥的利用率都顯著提高。丁效東等[47]在溫室條件下，采用石英砂盆栽試驗研究了大豆接種摩西球囊霉與大豆根瘤菌對根瘤的形成、分布以及磷素吸收效率的影響，發(fā)現(xiàn)AM真菌的侵染改變了根瘤在大豆根系上的分布，根瘤數(shù)量、分布與結瘤的側根上AM真菌的侵染強度存在正相關關系。

AM真菌與根瘤菌不僅在正常生長條件下相互促進，而且在一些逆境脅迫條件下也可以互利共生。吳福勇等[48]利用溫室盆栽試驗研究水分脅迫(設置土壤相對含水量65%和35%)下接種AM真菌和根瘤菌對沙打旺(Astragalusadsurgens)生長和養(yǎng)分吸收的影響，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫顯著抑制沙打旺AM真菌侵染率(P<0.05)，而接種根瘤菌在2種水分條件下均顯著促進摩西球囊霉對沙打旺根系的侵染(P<0.05)；接種AM真菌不僅顯著提高沙打旺對磷的吸收(P<0.05)，而且明顯促進根瘤的生長。無論是在干旱條件下或是在正常供水條件下，雙接根瘤菌與摩西球囊霉處理對沙打旺生長及養(yǎng)分吸收的效應顯著高于單接種處理，植株的地上、地下部分生物量以及N、P、K等吸收量均為最大。

利用AM真菌和根瘤菌雙接種的協(xié)同增效作用，兩者結合可作為生物生長促進劑和生物防治劑，可以提高植物的耐病性和抗病性。Rabie[49]在蠶豆(Viciafaba)上雙接種摩西球囊霉和豌豆根瘤菌，研究對蠶豆褐斑病(Bothytisfabae)的嚴重度和發(fā)病率影響，結果發(fā)現(xiàn)，雙接種可以提高植物總氮含量、根瘤數(shù)和營養(yǎng)物質(zhì)積累量，以及增加植物組織中的酚類物質(zhì)、鈣、鎂和鋅的濃度。

5 結語

草地農(nóng)業(yè)在保障國家食物安全、改善居民食物結構中的作用日益凸顯。紫花苜蓿和沙打旺等豆科牧草種植面積持續(xù)擴大，但根腐病、褐斑病、霜霉病和白粉病等發(fā)生嚴重，逐漸成為限制牧草生產(chǎn)的重要因素。鑒于牧草病害防治不宜使用化學農(nóng)藥，生物防治作為一項關鍵技術而受到廣泛重視。

AM真菌既可促進植物生長，改善植物健康狀況，亦可增強植物對生物和非生物脅迫的抗性。根瘤菌以內(nèi)生、共生的方式與豆科植物共同進化，具有與豆科共生固氮的特殊功能。利用AM真菌和根瘤菌可以增加N和P的吸收，從而減少農(nóng)藥的使用。目前，AM真菌對植物病害防控的機理較為清楚，但有關AM真菌和根瘤菌聯(lián)合誘導抗病的機理尚不明確。有研究發(fā)現(xiàn)，AM真菌與根瘤菌的混合接種比單接種可以得到更好的抗病效果，但也僅僅是探索了雙接種對植物營養(yǎng)元素吸收的影響，未對兩類微生物與植物病害互作機理進行深入研究，今后應加強對該領域的探索。在全球市場上，已有超過80種病害生物防治產(chǎn)品，但含有AM真菌、根瘤菌的制劑較少。盡管大量研究表明，AM真菌和外生菌根真菌能控制許多植物病害，但菌根真菌多作為植物生長促進劑，還沒有形成注冊的商品。我國菌根真菌資源豐富，如何發(fā)掘和利用我國菌根真菌資源，利用AM真菌和根瘤菌雙接種防治植物病害，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，應是后期需要深入研究的領域。