林木共生菌系統(tǒng)及其作用機(jī)制
——以楊樹(shù)為例

袁志林,潘雪玉,靳 微

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,杭州 311400

楊樹(shù)廣泛分布于歐、亞和北美地區(qū),多數(shù)種類具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[1-2]。作為重要的用材林和防護(hù)林樹(shù)種,我國(guó)楊樹(shù)人工林面積居世界首位[3]。楊樹(shù)還是造紙業(yè)和生產(chǎn)生物乙醇的重要原材料,具有重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4-5]。

擬南芥、水稻等是研究植物基礎(chǔ)生物學(xué)和生命規(guī)律的模式物種。但樹(shù)木有許多生物學(xué)特性與草本植物不同,如次生木質(zhì)部組織、有規(guī)律的發(fā)育調(diào)控和長(zhǎng)世代周期中需應(yīng)對(duì)的環(huán)境脅迫等[6]。楊樹(shù)具有生長(zhǎng)快、成材早、無(wú)性繁殖體系成熟和易于更新等特點(diǎn)。同時(shí),毛果楊(Populustrichocarpa)和胡楊(P.euphratica)等一批楊樹(shù)基因組圖譜的完成,極大推動(dòng)了林木功能基因組學(xué)和發(fā)育生物學(xué)等基礎(chǔ)研究[7-9]。不僅如此,楊樹(shù)地上和地下部分可與多種微生物類群形成共生關(guān)系。上述生物學(xué)特性足以讓楊樹(shù)成為林木-微生物互惠共生機(jī)制研究的理想材料。

本文主要以楊樹(shù)為例論述共生菌對(duì)林木生產(chǎn)力和適應(yīng)性的重要貢獻(xiàn)。首先詳細(xì)介紹了楊樹(shù)內(nèi)生細(xì)菌(包括固氮菌)、根際促生菌、菌根真菌、內(nèi)生真菌等多種類型共生菌的基礎(chǔ)生物學(xué)特性及其功能,重點(diǎn)介紹了楊樹(shù)-雙色蠟?zāi)?Laccariabicolor)形成的外生菌根發(fā)育分子機(jī)制和卷緣樁菇(Paxillusinvolutus)提高楊樹(shù)非生物脅迫能力的生理機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,對(duì)楊樹(shù)-根際微生物形成的三重互惠關(guān)系(tripartite symbiosis,真菌-細(xì)菌-宿主)的現(xiàn)象與機(jī)理進(jìn)行論述。另一方面,隨著高通量測(cè)序技術(shù)和多組學(xué)分析平臺(tái)的不斷進(jìn)步與完善,植物微生物組(microbiome,即在植物表面或內(nèi)部生活的所有微生物類群遺傳物質(zhì)的總和,一般多指細(xì)菌和真菌)研究領(lǐng)域異?；钴S,對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)有了革命性的進(jìn)步,使傳統(tǒng)的“一種微生物,一種植物”雙元互作體系拓展到“微生物群落-植物”的多元互作體系[10-11]。故此,本文還對(duì)近年來(lái)開(kāi)展的楊樹(shù)微生物組結(jié)構(gòu)特征和組裝機(jī)制等方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié)[12],并對(duì)今后該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)提出一些展望與思考。

1 楊樹(shù)內(nèi)生細(xì)菌及根際促生細(xì)菌

早在1951年,研究人員就發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌與植物組織之間存在共生現(xiàn)象[13],當(dāng)時(shí)這類細(xì)菌被普遍認(rèn)為是病原物,但后來(lái)發(fā)現(xiàn)與細(xì)菌共生的植物并未表現(xiàn)出病癥,且部分宿主的抗逆性有所增強(qiáng)。因此,這類棲息在健康植物組織內(nèi)卻不使宿主表現(xiàn)出任何病癥的細(xì)菌被定義為內(nèi)生細(xì)菌[14]。另外,Kloepper和Schroth首次提出了植物根際促生細(xì)菌(plant growth promoting rhizosphere bacteria,PGPR)的概念[15],即生活在土壤或附生于根系的一類可促進(jìn)植物生長(zhǎng)及礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收,并能提高植物抗逆能力的一類細(xì)菌。PGPR主要通過(guò)溶解礦物質(zhì)、分泌植物激素以及抑制病原微生物來(lái)發(fā)揮功能。可見(jiàn)內(nèi)生細(xì)菌及根際促生菌是兩類植物重要的有益細(xì)菌類群[16]。而開(kāi)展楊樹(shù)內(nèi)生細(xì)菌功能和應(yīng)用基礎(chǔ)研究對(duì)楊樹(shù)培育和土壤污染治理技術(shù)有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1.1 內(nèi)生細(xì)菌提高楊樹(shù)抗病性及土壤污染修復(fù)能力

在楊樹(shù)葉片、莖皮和根系組織中均有大量?jī)?nèi)生細(xì)菌棲息繁衍[5,17-18],特殊生境下的楊樹(shù)如胡楊可能存在更豐富新穎的細(xì)菌種類[19]。然而,這些龐大的菌群扮演怎樣的生態(tài)學(xué)功能,目前的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。通常認(rèn)為,內(nèi)生細(xì)菌可以控制宿主病害發(fā)生。楊樹(shù)水泡型潰瘍病(由病原菌Botryosphaeriadothidea引起)是楊樹(shù)的常見(jiàn)病害之一,多危害大苗和幼樹(shù)。胥麗娜等分離到一株楊樹(shù)內(nèi)生枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis),其發(fā)酵液能有效抑制B.dothidea菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā),并引起菌絲形態(tài)異常[20]。陳越渠等從楊樹(shù)枝條中也分離到一株B.subtilisNS3,能夠抑制13種常見(jiàn)的植物病原菌的生長(zhǎng),對(duì)楊樹(shù)爛皮病(由病原菌Cytosporachrysosperma引起)和潰瘍病的防治效果最好,具有一定的應(yīng)用前景[21]。這些研究表明楊樹(shù)內(nèi)生細(xì)菌能產(chǎn)生活性較高的抑菌物質(zhì),從而能夠直接減少病害發(fā)生程度。但這些細(xì)菌能否誘導(dǎo)楊樹(shù)產(chǎn)生系統(tǒng)抗性(induced systemic resistance,ISR)仍不清楚。

楊柳科樹(shù)種在土壤修復(fù)中表現(xiàn)出的優(yōu)越性能已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。不僅如此,研究發(fā)現(xiàn)分離自楊樹(shù)根、莖和葉片的多種內(nèi)生細(xì)菌可有效降解單環(huán)芳香烴(BTEX)、三氯乙烯(TCE)和2,4,6-三硝基甲苯等多種污染物[22-24],在內(nèi)生細(xì)菌中也檢測(cè)到了與硝基芳香化合物降解相關(guān)的基因[25]。該項(xiàng)研究成果為建立高效林木-內(nèi)生細(xì)菌的原位土壤聯(lián)合修復(fù)模式提供了重要思路。

1.2 楊樹(shù)根際促生細(xì)菌(PGPR)功能

有關(guān)PGPR對(duì)農(nóng)作物、模式草本植物生長(zhǎng)和抗性的調(diào)控機(jī)制研究已有海量文獻(xiàn),在此不再贅述。與內(nèi)生細(xì)菌類似,楊樹(shù)根際細(xì)菌也具有土壤重金屬修復(fù)能力[26]。一株源于胡楊根際土壤的葉桿菌(Phyllobacteriumsp.)對(duì)重金屬脅迫具有較強(qiáng)的耐性,并能促進(jìn)Zn2+從根部轉(zhuǎn)移至地上部分,從而減緩重金屬對(duì)植株的傷害。楊樹(shù)還可與廣譜性根際細(xì)菌建立共生關(guān)系,如采集于松樹(shù)根際土壤的多噬伯克霍爾德氏菌(B.multivorans)菌株WS-FJ9接種NL-895楊(Populus×euramericanacv. Nanlin 895)后增強(qiáng)了植株的光合效率,具有良好的開(kāi)發(fā)前景[27]。

PGPR與內(nèi)生細(xì)菌在概念上不易區(qū)分,很多PGPR也能侵染根系組織內(nèi)部而成為內(nèi)生細(xì)菌。但研究發(fā)現(xiàn)PGPR與內(nèi)生細(xì)菌在功能上還是表現(xiàn)出差異。對(duì)楊樹(shù)根際和根內(nèi)生環(huán)境中19株熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)基因組比較分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)生熒光假單胞菌的溶磷能力、促生效應(yīng)和蛋白水解酶活力等性狀要優(yōu)于根際熒光假單胞菌,因此可能對(duì)楊樹(shù)表型的調(diào)控能力更強(qiáng)[28]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),雖然接種內(nèi)生熒光假單胞菌可改變楊樹(shù)根系構(gòu)型和葉片表型性狀,卻不能提高苗木光合效率和生物量積累,表明內(nèi)生細(xì)菌可能只影響宿主碳水化合物的分配而對(duì)碳固定無(wú)明顯貢獻(xiàn)[29]。

由于細(xì)菌基因組較小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展及成本的降低使得大樣本細(xì)菌基因組精細(xì)圖譜及比較基因組分析成為可能,這為深入解析楊樹(shù)-細(xì)菌互惠機(jī)制提供了豐富的信息[30]。更重要的是,細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷擴(kuò)容,有助于快速推測(cè)楊樹(shù)內(nèi)生、根際細(xì)菌具有的功能(如激素、抗生物質(zhì)、侵染能力和分泌系統(tǒng)等)和代謝途徑,為實(shí)現(xiàn)在菌種資源庫(kù)中“挑兵選將”、構(gòu)建協(xié)同增效的功能菌群提供了有效途徑[31]。

1.3 楊樹(shù)內(nèi)生聯(lián)合固氮菌系統(tǒng)

森林土壤的可利用氮含量一般偏低[32],但研究發(fā)現(xiàn)很多樹(shù)種可以通過(guò)與根瘤菌或放線菌形成根瘤結(jié)構(gòu)來(lái)將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成植物可利用的形式,從而在氮含量匱乏的生境中迅速生長(zhǎng)。目前已知根瘤菌和弗蘭克氏菌等能與多種豆科與非豆科樹(shù)種形成共生固氮體系,對(duì)提高林木氮素吸收意義重大。

在北美地區(qū),毛果楊通常生長(zhǎng)在氮含量極低的沙質(zhì)土壤中,推測(cè)可能存在一種氮素高效利用模式[33]。雖未發(fā)現(xiàn)根瘤結(jié)構(gòu),但乙炔還原活性(acetylene reduction assay,ARA)測(cè)定結(jié)果表明在楊樹(shù)中存在生物固氮現(xiàn)象。華盛頓大學(xué)Doty博士研究團(tuán)隊(duì)在溫室培養(yǎng)的雜交楊中分離到具有固氮作用的內(nèi)生熱帶根瘤菌(Rhizobiumtropici)[32]。隨后該研究團(tuán)隊(duì)在原生境采集的楊樹(shù)樣本中分離出多種具有固氮作用的內(nèi)生細(xì)菌。將分離所得菌株侵染番茄、玉米和水稻后,植株可在低氮培養(yǎng)基質(zhì)中正常生長(zhǎng)[34],說(shuō)明這些固氮菌宿主范圍較廣。同樣,將野生楊樹(shù)群體中的內(nèi)生固氮細(xì)菌接種雜交楊后,雜交楊的葉綠素含量及根系氮素水平均有所增加,且能提高雜交楊的抗旱性[35]。上述研究成果表明楊樹(shù)內(nèi)生固氮菌能促進(jìn)非宿主植物的生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及抗逆性[36-37]。15N同位素示蹤試驗(yàn)表明：在內(nèi)生細(xì)菌侵染的楊樹(shù)中,65%的氮元素來(lái)自于空氣,且在楊樹(shù)扦插條中檢測(cè)到高濃度的15N同位素,這為明確楊樹(shù)內(nèi)生細(xì)菌固氮作用提供了最直接的證據(jù)[38]。由于內(nèi)生固氮菌在楊樹(shù)組織器官中分布不均,導(dǎo)致枝條間固氮效率有差異,但在莖和葉片組織中均檢測(cè)出豐富的nifH基因[38]。根據(jù)生物固氮三種類型(共生固氮、自身固氮和聯(lián)合固氮)的定義,可將楊樹(shù)內(nèi)生固氮?dú)w于聯(lián)合固氮這一類型[39]。

目前已發(fā)現(xiàn)的楊樹(shù)固氮細(xì)菌主要包括：從毛果楊中分離得到的Azospirillumbrasilense、Bradyrhizobiumsp.、Burkholderiavietnamiensis、Rhodospirillumrubrum、Rhodobactercapsulatus、Nostocpunctiforme、Methanococcusmaripaludis、Methanosarcinaacetivorans；從美洲黑楊(P.deltoids)中分離得到的B.vietnamiensis[40-42]。

2 楊樹(shù)菌根

菌根是真菌侵染植物根尖后分化形成的一種特殊共生結(jié)構(gòu)[43]。菌根真菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在改善植物營(yíng)養(yǎng)吸收能力、增強(qiáng)植物適應(yīng)性方面起重要作用[44-46]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在菌根真菌資源調(diào)查、生態(tài)生理功能及菌根真菌在育苗造林和食用菌生產(chǎn)等方面已取得大量成果,帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以中國(guó)林科院花曉梅研究員為代表的科學(xué)家領(lǐng)銜實(shí)施了林木菌根生物技術(shù)工程,在提高苗木質(zhì)量及造林成活率等方面發(fā)揮了重要作用[47]。本章節(jié)內(nèi)容介紹了楊樹(shù)兩種主要菌根類型(外生菌根和叢枝菌根)的研究現(xiàn)狀,對(duì)楊樹(shù)外生菌根發(fā)育分子機(jī)制及外生菌根真菌提高楊樹(shù)耐鹽性生理機(jī)制等方面進(jìn)行詳細(xì)評(píng)述。

2.1 楊樹(shù)外生菌根真菌分布特征及生物多樣性

外生菌根(ectomycorrhizas,ECM)的最主要特征就是真菌菌絲在植物根部皮層細(xì)胞間隙發(fā)育形成哈蒂氏網(wǎng)(Hartig net)并圍繞根尖形成菌套(mantle)等結(jié)構(gòu)[48]。外生菌根真菌影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定,一些針葉樹(shù)種(如松樹(shù))和闊葉樹(shù)種(如櫟類)在自然狀態(tài)下嚴(yán)格依賴外生菌根真菌,否則難以存活[49-50]。在北美、歐洲和亞洲地區(qū)均開(kāi)展過(guò)楊樹(shù)外生菌根資源調(diào)查研究,調(diào)查的樹(shù)種主要包括銀白楊(P.alba)、黑楊(P.nigra)、美洲山楊(P.tremuloides)、小葉楊(P.simonii)、毛果楊和美洲黑楊等及相關(guān)的雜交楊品種。楊樹(shù)外生菌根真菌(ectomycorrhizal fungi,ECMF)在分類地位上以擔(dān)子菌居多,主要包括鵝膏菌科(Arnanitaceae)、絲膜菌科(Cortinariaceae)、紅菇科(Russulaceae)、牛肝菌科(Boletaceae)、口蘑科(Tricholomataceae)和網(wǎng)褶菌科(Paxillaceae)等,少數(shù)物種屬于子囊菌,如柔膜菌目(Helotiales)和盤(pán)菌科(Pezizaceae)[43]。楊樹(shù)外生菌根真菌種類及相關(guān)信息詳見(jiàn)表1[51-65]。值得一提的是,雙色蠟?zāi)⑹悄壳把芯孔钔笍氐臈顦?shù)外生菌根真菌,其全基因組信息已公布[66],這將有助于加深認(rèn)識(shí)外生菌根形成、發(fā)育調(diào)控及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等科學(xué)問(wèn)題。

表1 楊樹(shù)外生菌根真菌主要類群、調(diào)查方法及分布

本表格只列出每種楊樹(shù)鑒定出的主要外生菌根真菌類群,低豐度物種尚未列出

2.2 楊樹(shù)外生菌根發(fā)育的分子機(jī)制

在外生菌根形成發(fā)育過(guò)程中,宿主與真菌之間存在多種雙向信號(hào)交流與響應(yīng)機(jī)制。楊樹(shù)-雙色蠟?zāi)⒐采w系是研究林木外生菌根發(fā)育分子機(jī)制的理想模型。研究發(fā)現(xiàn),雙色蠟?zāi)⒖煞置谀承]發(fā)性倍半萜類小分子物質(zhì),在接觸根系前就已經(jīng)對(duì)楊樹(shù)根系構(gòu)型產(chǎn)生明顯的調(diào)控效應(yīng),如導(dǎo)致次生根數(shù)量增加從而擴(kuò)大楊樹(shù)的根養(yǎng)分吸收表面積,這十分有利于雙色蠟?zāi)母捣置谝褐蝎@取更多的碳水化合物[67]。

在蛋白質(zhì)參與的信號(hào)通路中,有一類被稱為效應(yīng)子(effectors)的小分子蛋白受到關(guān)注,即通常小于250個(gè)氨基酸、攜帶有分泌信號(hào)模塊(secretion signal motif),可在另一有機(jī)體中引起表型和生理變化的小分泌蛋白家族(small secreted proteins,SSPs)[68]。雙色蠟?zāi)⒒蚪M被破解之后[66],證實(shí)該菌存在大量編碼SSPs的基因。Plett等[69]率先在雙色蠟?zāi)⒅需b定出對(duì)菌根形成和發(fā)育不可或缺的效應(yīng)子MiSSP7(Mycorrhizal induced Small Secreted Protein 7,MiSSP7)。MiSSP7受根系信號(hào)刺激后通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入宿主細(xì)胞并定位在細(xì)胞核中,從而誘導(dǎo)宿主相關(guān)基因表達(dá)。Plett 等通過(guò)酵母雙雜交方法鑒定出與MiSSP7互作的楊樹(shù)PtJAZ6蛋白(茉莉酸信號(hào)通路抑制子)[70]。PtJAZ6在冠菌素(coronatine,與茉莉酸類化合物JAs具有相似的環(huán)戊烷結(jié)構(gòu),與JAs功能類似)存在下與茉莉酸受體蛋白 PtCOI1相結(jié)合,導(dǎo)致PtJAZ6發(fā)生泛素化而降解[71]。病原菌和從枝菌根真菌一般是通過(guò)激活茉莉酸信號(hào)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)在根部細(xì)胞的成功侵染；而雙色蠟?zāi)⑼ㄟ^(guò)分泌MiSSP7與PtJAZ6的結(jié)合避免了PtJAZ6降解從而阻斷茉莉酸信號(hào)通路相關(guān)的防御基因的表達(dá),使菌絲順利地在皮層細(xì)胞質(zhì)外體空間定殖,最終發(fā)育形成哈蒂氏網(wǎng),表明ECMF進(jìn)化形成一套獨(dú)特的侵染機(jī)制[70]。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)毛果楊同樣會(huì)分泌SSPs,這些特異性SSPs可進(jìn)入雙色蠟?zāi)⒕z,在其細(xì)胞核中積累并誘導(dǎo)雙色蠟?zāi)⒌哪承┕δ芑虮磉_(dá),影響菌絲生長(zhǎng)和形態(tài),從而調(diào)節(jié)楊樹(shù)-ECMF共生關(guān)系[68]。這表明SSPs的雙向傳輸可能是維持菌根共生體正常發(fā)育并發(fā)揮功能的重要機(jī)制之一。

2.3 以卷緣樁菇(Paxillus involutus)為例論述外生菌根真菌增強(qiáng)楊樹(shù)非生物脅迫能力的生理機(jī)制

外生菌根真菌增強(qiáng)楊樹(shù)非生物脅迫(鹽、干旱和重金屬等)生理機(jī)制探索是近年的研究熱點(diǎn),已取得重要進(jìn)展。MAJ和NAU分別是分離自楊樹(shù)和櫟樹(shù)的外生菌根真菌-卷緣樁菇的兩個(gè)耐鹽菌株。MAJ菌株具有拒鹽能力(salt-excluder),而NAU菌株在鹽脅條件下具有更高的養(yǎng)分吸收能力(吸鹽型)(salt-includer)[72]。MAJ接種銀灰楊(P.canescens)后可形成正常的菌套和哈蒂氏網(wǎng),鹽脅迫會(huì)促使皮層細(xì)胞形成H2O2且激發(fā)過(guò)氧化反應(yīng)；Na+亞細(xì)胞定位表明,MAJ形成的菌套不能作為一個(gè)物理屏障來(lái)有效保護(hù)過(guò)量鹽分造成的傷害,故MAJ菌株只是在一定程度緩解而非阻止鹽分對(duì)苗木的傷害[73-74]。

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)NAU菌株接種灰楊后不能形成典型的外生菌根結(jié)構(gòu),MAJ與NAU接種鹽敏感銀灰楊后皆可增強(qiáng)植株Ca2+和K+的吸收,而Ca2+可以調(diào)節(jié)鹽脅迫下的K+/Na+平衡。其中MAJ主要通過(guò)改善宿主礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收、調(diào)節(jié)滲透壓及葉片脂肪酸組成來(lái)減緩葉片傷害[75]；接種NAU菌株的根系在鹽脅迫下呈現(xiàn)長(zhǎng)期持續(xù)釋放Ca2+的現(xiàn)象,減少宿主在鹽脅條件下的K+損失并阻止Na+在根部細(xì)胞的積累,從而維持K+/Na+平衡[76-77]。在干旱脅迫下,MAJ菌株雖不能與胡楊形成外生菌根,但可加快胡楊可溶性糖的積累,提高了滲透壓從而協(xié)助其耐旱[78]。在鉛脅迫下,具有耐鉛能力的卷緣樁菇菌株(非NAU和MAJ菌株)可促進(jìn)宿主灰楊生長(zhǎng)并增加其鉛固定能力[79]。在鎘脅迫下,MAJ菌株接種灰楊后促進(jìn)Cd2+涌入根部細(xì)胞,同時(shí)也誘導(dǎo)了與Cd2+吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒過(guò)程相關(guān)的基因表達(dá)并改善了灰楊的營(yíng)養(yǎng)吸收,從而增強(qiáng)宿主的鎘耐受性[80-81]。從應(yīng)用角度看,進(jìn)一步挖掘外生菌根真菌資源增強(qiáng)林木抗逆性,對(duì)推進(jìn)鹽堿地、重金屬污染地區(qū)及干旱地區(qū)的生態(tài)修復(fù)造林工程有重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

2.4 楊樹(shù)叢枝菌根

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)是球囊菌門(mén)(Glomeromycota)真菌菌絲定殖在根部細(xì)胞內(nèi)部形成具有泡囊、叢枝等結(jié)構(gòu)的共生體。叢枝菌根基本的營(yíng)養(yǎng)交換方式通常認(rèn)為是叢枝菌根真菌(AMF)向植物供給礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)而植物將光合作用形成的碳水化合物提供給真菌利用。但最新的研究成果顛覆了上述傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)：AMF更能利用宿主的脂肪酸類物質(zhì),即存在一種“揩油”行為[82]。有關(guān)楊樹(shù)AMF多樣性的研究報(bào)道在此不一一列舉,此章節(jié)重點(diǎn)介紹楊樹(shù)AM菌根的一些最新進(jìn)展。

與其他AMF功能類似,接種根內(nèi)球囊霉(Rhizophagusirregularis)和地表球囊霉(Glomusversiforme)能促進(jìn)加拿大楊(P. ×canadensis)的生長(zhǎng)和生理活性[83]。但也有例外,如Rooney等研究表明接種4種AMF真菌卻抑制了楊樹(shù)生長(zhǎng)和磷素吸收[84]。在干旱脅迫下,根內(nèi)球囊霉能提高加拿大楊滲透物質(zhì)(如脯氨酸)含量、抗氧化水平并調(diào)節(jié)質(zhì)膜多種水通道蛋白(plasma membrane aquaporins,PIPs)基因表達(dá)[85]。在鹽脅迫條件下,根內(nèi)球囊霉也能增強(qiáng)青楊(P.cathayana)的抗氧化能力,但這種效應(yīng)可能依賴于楊樹(shù)性別：雄株對(duì)菌根的依賴性比雌株高,接種后的雄株芽形態(tài)生長(zhǎng)優(yōu)于雌株[86]。在干旱條件下,叢枝菌根真菌可增強(qiáng)青楊抗氧化系統(tǒng)并促進(jìn)雄株芽、根的生長(zhǎng)和生物量的積累,而對(duì)雌株的生長(zhǎng)及生理代謝則無(wú)明顯影響[87]。在重金屬脅迫實(shí)驗(yàn)中,也證實(shí)存在菌根效應(yīng)的楊樹(shù)性別差異；接種根內(nèi)球囊霉會(huì)促進(jìn)美洲黑楊雄株根系的鎘富集能力,且能夠阻礙金屬離子向地上器官輸送,但在雌株根系中該生物學(xué)效應(yīng)卻不明顯[88]。木本被子植物中有很多種類是雌雄異株的,如杜仲科、楊柳科、大戟科等[89],因此從基因、分子水平解析這種與楊樹(shù)性別有關(guān)的菌根效應(yīng)的決定機(jī)制,對(duì)于深入認(rèn)識(shí)林木菌根的生態(tài)學(xué)功能具有重要的科學(xué)意義。目前只在AM中發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象,在ECM中是否也存在類似生物學(xué)行為有待進(jìn)一步探究。

楊樹(shù)AM營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)理論研究偏少,AM共生體氮素的吸收、代謝和運(yùn)輸機(jī)制是重要研究方向之一?；诨プ鬓D(zhuǎn)錄組測(cè)序(dual RNA-seq)方法,發(fā)現(xiàn)氮素缺乏會(huì)導(dǎo)致根內(nèi)球囊霉中有關(guān)細(xì)胞生長(zhǎng)、生物膜合成和細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分相關(guān)的基因高度富集,而且菌絲中負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)銨鹽、硝酸鹽和磷酸鹽等的蛋白被激活；相反,無(wú)論在高氮還是低氮條件下,根內(nèi)球囊霉都能誘導(dǎo)毛果楊中上述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的高表達(dá)。因此AM菌根對(duì)提高楊樹(shù)氮素有效性(nitrogen availability)及利用效率發(fā)揮著重要功能[90]。

需要指出的是,在一定環(huán)境下楊樹(shù)如大齒楊(P.grandidentata)、窄葉楊(P.angustifolia)和美洲山楊(P.tremuloides)等根系可同時(shí)形成AM和ECM。研究表明樹(shù)齡、土壤深度和土壤濕度等生物因子和環(huán)境因子對(duì)AM和ECM的分布格局和相對(duì)豐度有較大影響[91-92]。一般認(rèn)為在楊樹(shù)形成混合菌根條件下,ECM對(duì)楊樹(shù)的增益作用可能優(yōu)于AM[93]。Chen等較為系統(tǒng)地比較了AMF和ECMF單獨(dú)和混合接種對(duì)桉樹(shù)生長(zhǎng)的差異,也證明ECMF在接種后期占據(jù)優(yōu)勢(shì),而且對(duì)根系生長(zhǎng)調(diào)控和苗木生物量積累要比AMF顯著[94-95]。

3 楊樹(shù)內(nèi)生真菌及生物學(xué)功能

內(nèi)生真菌(endophytic fungi)分布極其廣泛,指生活在健康植物組織(根、莖、葉、花、果實(shí)等多種器官)內(nèi),不表現(xiàn)出明顯病癥的一類真菌。與松樹(shù)、櫟樹(shù)等菌根發(fā)達(dá)的樹(shù)種相比,楊樹(shù)在多數(shù)生境下形成菌根的能力相對(duì)較弱,這間接反映了內(nèi)生真菌對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)及環(huán)境適應(yīng)性的重要意義。楊樹(shù)根系內(nèi)生真菌物種高度的遺傳多樣性支持了該假設(shè)[12]。內(nèi)生真菌的分布特征、物種多樣性、傳播方式和作用機(jī)制等均有別于菌根真菌或其他共生菌。近年來(lái)?xiàng)顦?shù)內(nèi)生真菌生理生態(tài)功能研究越來(lái)越受到學(xué)者關(guān)注。

我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了美洲黑楊雜種無(wú)性系NL-80351楊(P.deltoides‘harvard’×P.deltoidescv. ‘lux’)、美洲黑楊無(wú)性系(P.deltoides)和歐美楊(P.euranericana)休眠芽、葉片、樹(shù)皮和枝條等組織內(nèi)生真菌分離培養(yǎng)和鑒定工作[96-99],發(fā)現(xiàn)某些菌株對(duì)楊樹(shù)爛皮病病原菌殼囊孢(Cytosporasp.)有一定的拮抗作用。Yan等利用ITS2基因序列和二級(jí)結(jié)構(gòu)揭示了楊樹(shù)葉片優(yōu)勢(shì)內(nèi)生真菌-假尾孢菌(Pseudocercosporaspp.)的遺傳多樣性[100]。德國(guó)學(xué)者對(duì)我國(guó)胡楊葉片內(nèi)生真菌也有初步研究[101]。分離自毛果楊莖皮的一株禾本紅酵母(Rhodotorulagraminis)和毛果楊美洲黑楊雜種(P.trichocarpa×P.deltoides)莖皮的粘質(zhì)紅酵母(R.mucilaginosa)可以促進(jìn)苗木生長(zhǎng)和插條生根[41,102]。Martín-García 等基于ITS序列分析比較了西班牙北部黑楊和歐美楊無(wú)性系I-214細(xì)枝內(nèi)生真菌群落結(jié)構(gòu)[103]。目前對(duì)楊樹(shù)根系內(nèi)生真菌物種多樣性和功能的研究比較深入[104-106]。嗜根小紡錘菌(Atractiellarhizophila)是最近發(fā)表的分離自美洲黑楊根系的一個(gè)真菌新種,在分類地位上隸屬于擔(dān)子菌的柄銹菌亞門(mén)(Pucciniomycotina)[105]。研究還發(fā)現(xiàn)A.rhizophila在全球分布廣泛且宿主范圍廣(在松樹(shù)、蘭科植物及農(nóng)作物根系中均有分布)。接種試驗(yàn)表明A.rhizophila菌株能夠顯著促進(jìn)苗木生長(zhǎng)及光合效率。最近筆者在舒瑪櫟(Quercusshumardii)一年生實(shí)生幼苗菌根根尖中也分離到一株A.rhizophila,但是否表現(xiàn)出類似的生物學(xué)效應(yīng)值得進(jìn)一步探討。

此外,筆者實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)我國(guó)南方地區(qū)多個(gè)楊樹(shù)品種根系內(nèi)生真菌進(jìn)行了初步調(diào)查并與國(guó)外相關(guān)報(bào)道進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)子囊菌中的格孢腔目(Pleosporales)、柔膜菌目(Helotiales)中無(wú)柄盤(pán)菌(Pezicula)及低等菌中的被孢霉(Mortierella)可能是楊樹(shù)根系內(nèi)生真菌的常見(jiàn)類群(generalists)(結(jié)果未發(fā)表)。

3.1 楊樹(shù)根系暗色有隔內(nèi)生菌

在楊樹(shù)根系還存在一類被稱為暗色有隔內(nèi)生菌(dark septate endophytes,DSEs)的特殊真菌類群。DSEs菌絲具隔膜,常呈黑褐色,侵染根系皮層細(xì)胞后形成微菌核(microsclerotia)結(jié)構(gòu)。DSEs以子囊菌居多,少部分是擔(dān)子菌[107-108]。雖然DSEs在自然界中廣泛分布,有關(guān)楊樹(shù)DSEs的生態(tài)學(xué)功能近年才被逐步揭示[109-110]。從楊樹(shù)生物修復(fù)金屬污染樣點(diǎn)中分離得到的DSEs菌株可侵染多種植物(樺樹(shù)、桉樹(shù)和黑麥草)根系,具有促進(jìn)宿主植物生長(zhǎng),增強(qiáng)宿主金屬耐受性的特點(diǎn)。在中度微量元素污染土壤中,接種DSE真菌Leptodontidiumsp.可增加楊樹(shù)(P.tremula×P.alba)的株高；而輕度污染土壤中,接種DSE菌株的楊樹(shù)株高和干重均高于對(duì)照組。此外,甘瓶霉(Phialophoramustea)和背芽突霉(Cadophorasp.)可促進(jìn)楊樹(shù)根系生長(zhǎng),還可增加楊樹(shù)P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收效率[109-110]。在開(kāi)展重金屬污染修復(fù)試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)的兩種雜交楊根系真菌群落研究中發(fā)現(xiàn),幾種內(nèi)生真菌的重金屬耐受性普遍強(qiáng)于外生菌根真菌-滑銹傘菌(Hebelomasp.),其中一株內(nèi)生柔膜菌和一株內(nèi)生擔(dān)子菌(Serendipitavermifera)可成功侵染楊樹(shù)根系并形成微菌核結(jié)構(gòu),且具有顯著的促生效應(yīng)[64]。如前所述,楊樹(shù)根際細(xì)菌、內(nèi)生細(xì)菌在土壤污染治理中也具有重要的應(yīng)用前景,因此今后可以考慮建立DSEs-細(xì)菌-楊樹(shù)復(fù)合共生體系,有望能進(jìn)一步提高土壤修復(fù)能力。此外,研究發(fā)現(xiàn)一株源于鹽地堿蓬(Suaedasalsa)根系的內(nèi)生彎孢霉(Curvulariasp.),接種到毛白楊(P.tomentosa)無(wú)性系幼苗根系后可在皮層和根毛細(xì)胞中形成微菌核的侵染結(jié)構(gòu),且在鹽脅迫條件下該菌株能提高楊樹(shù)的光合效率[111]。上述一系列研究表明,DSEs可能是一類能夠提高楊樹(shù)非生物脅迫能力的重要根系真菌類群。

3.2 楊樹(shù)葉片內(nèi)生真菌與抗病抗蟲(chóng)相關(guān)性研究

亞利桑那州立大學(xué)Arnold團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)可可樹(shù)(Theobromacacao)混合接種葉片優(yōu)勢(shì)內(nèi)生真菌菌群可以顯著減少由棕櫚疫霉(Phytophthorapalmivora)引起的病害[112],這可能與誘導(dǎo)樹(shù)木抗病相關(guān)基因的表達(dá)有關(guān)[113]。楊柵銹菌(Melampsorarostrupii)是一種嚴(yán)重危害楊樹(shù)生產(chǎn)的世界性重大真菌病害,主要危害幼苗和幼樹(shù)。Raghavendra和Newcombe在控制試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)接種楊樹(shù)葉片內(nèi)生葡萄穗霉(Stachybotryssp.)、深綠木霉(Trichodermaatroviride)、黑細(xì)基格孢(Ulocladiumatrum)和狹截盤(pán)多毛孢(Truncatellaangustata)等菌株可增強(qiáng)毛果楊對(duì)楊柵銹菌的抗性[114]；但接種內(nèi)生真菌后表現(xiàn)出的葉片銹病抗性只是局部效應(yīng),未接種內(nèi)生真菌的葉片并無(wú)抗病性,即葉片接種內(nèi)生真菌后沒(méi)有產(chǎn)生對(duì)銹病的系統(tǒng)抗性。這種抗性主要是基于微效基因(minor genes)控制的數(shù)量抗病性(quantitative resistance)或水平抗性(horizontal resistance),因?yàn)檫@些內(nèi)生真菌不能誘導(dǎo)基于宿主主效基因(major genes)控制的垂直抗病性(vertical resistance)。更有趣的是,接種深綠木霉不能提高宿主窄葉楊(P.angustifolia)對(duì)白楊盤(pán)二孢病菌(Drepanopezizapopuli-albae,無(wú)性型為Marssoninacastagnei)的抗性[115]；有的內(nèi)生真菌甚至?xí)又貤顦?shù)葉片病害程度[115]?？梢钥闯鰲顦?shù)葉片內(nèi)生真菌調(diào)控病害的機(jī)制可能比較復(fù)雜。為了進(jìn)一步弄清楚在野外條件下楊樹(shù)銹病發(fā)生是否與葉片內(nèi)生真菌群落結(jié)構(gòu)存在相關(guān)性,研究人員通過(guò)分離培養(yǎng)和群落高通量測(cè)序方法建立了大尺度下毛果楊葉圍真菌(包括附生菌和內(nèi)生菌)種類、豐度與病害發(fā)生的相關(guān)性模型[116]。研究發(fā)現(xiàn)木霉(Trichoderma)和枝孢霉(Cladosporium)等內(nèi)生菌與病害發(fā)生呈顯著負(fù)相關(guān),表明這兩個(gè)種類是楊樹(shù)銹病的拮抗菌。相反,鏈格孢菌和另一種枝孢霉則有利于病害發(fā)生。研究結(jié)果為快速挖掘拮抗真菌資源應(yīng)用于防治提供了重要策略。此外,楊樹(shù)葉片內(nèi)生真菌可能還可緩解宿主受食草動(dòng)物取食的壓力。歐洲山楊(P.tremula)葉片內(nèi)生短梗霉(Aureobasidiumsp.)的侵染程度與藍(lán)弗葉甲(Phratoravitellinae)引發(fā)的葉片蟲(chóng)害呈顯著負(fù)相關(guān),但對(duì)黑星病菌(Venturiatremulae)的發(fā)生無(wú)明顯調(diào)控作用[117]。

3.3 根系內(nèi)生真菌對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)調(diào)控的可塑性

很多研究都發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌對(duì)草本植物、林木的增益作用是在一定條件下表現(xiàn)的。不同接種共培養(yǎng)方式和培養(yǎng)基質(zhì)氮素形態(tài)可以改變林木-真菌的共生關(guān)系和互作結(jié)果。印度梨形孢(Serendipitaindica,曾用名為Piriformosporaindica)是一種廣譜促生內(nèi)生真菌,在雜交無(wú)性系楊樹(shù)(P.tremula×P.tremuloides)Esch5與印度梨形孢共生體系中,幼苗在WPM培養(yǎng)基(Woody Plant Medium,木本植物專用)預(yù)培養(yǎng)一段時(shí)間后接種印度梨形孢,發(fā)現(xiàn)根系生物量和次生根數(shù)量顯著增加；而將楊樹(shù)幼苗移栽到預(yù)培養(yǎng)有印度梨形孢的WPM培養(yǎng)基中時(shí),根系及整株幼苗生長(zhǎng)嚴(yán)重抑制；延長(zhǎng)共培養(yǎng)時(shí)間還會(huì)導(dǎo)致真菌侵染楊樹(shù)莖皮和葉片[118]。這表明只有在適度菌絲侵染量才能建立與宿主的和諧平衡關(guān)系。筆者也發(fā)現(xiàn)分離自琴葉櫟(Quercuslyrata)外生菌根的一株斜蓋傘菌(Clitopilussp.)與北美楓香(Liquidambarstyraciflua)無(wú)菌實(shí)生幼苗建立共生體系時(shí),菌株低劑量及晚接種將有效促進(jìn)楓香根系的生長(zhǎng)及植株生物量積累(待發(fā)表),實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持上述結(jié)論。此外,當(dāng)培養(yǎng)基質(zhì)的氮素從有機(jī)氮、硝態(tài)氮換成銨態(tài)氮時(shí),印度梨形孢可能會(huì)合成某種真菌毒素[118]。筆者發(fā)現(xiàn)在DSEs-植物共生體系中,只有在有機(jī)氮條件下,DSEs才能表現(xiàn)出明顯的促生效應(yīng)；當(dāng)培養(yǎng)基質(zhì)為無(wú)機(jī)氮時(shí),大部分DSEs對(duì)植物生長(zhǎng)無(wú)顯著影響甚至是抑制生長(zhǎng)[119]。以上研究結(jié)果對(duì)高效、科學(xué)篩選促生、抗逆內(nèi)生真菌菌株具有重要的參考價(jià)值,以免由于接種方式或培養(yǎng)基質(zhì)的不合理使用,導(dǎo)致某些功能菌株在篩選試驗(yàn)中過(guò)早被丟棄。

4 楊樹(shù)微生物組研究概況

近年來(lái),環(huán)境樣品微生物群落高通量測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析手段的快速發(fā)展,助推了微生物組研究。以北卡羅萊納大學(xué)Jeff Dangl 教授和馬普植物育種研究所 Paul Schulze-Lefert 教授為代表的研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜實(shí)施了擬南芥、玉米等模式生物根際微生物組大規(guī)模測(cè)序工作并取得重大進(jìn)展[120-122],揭示了核心微生物組成員及微生物組構(gòu)成的遺傳調(diào)控機(jī)制。宏基因組及大樣本功能細(xì)菌的全基因組測(cè)序分析在挖掘菌群功能方面已有所突破[123-124]。同時(shí),以楊樹(shù)為材料的林木微生物組研究也取得了一系列成果,如完成了美洲黑楊、毛果楊和膠楊(P.balsamifera)等微生物組圖譜分析[5,125-127],研究了土壤因子、氣候、海拔、地理位置和宿主基因型對(duì)根際和葉圍微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)根際和根內(nèi)生兩個(gè)微區(qū)域微生物群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性特征迥異[5,125],推測(cè)在楊樹(shù)中存在一種選擇性招募不同真菌類群的生物過(guò)濾機(jī)制,而且不同基因型的真菌群落在經(jīng)楊樹(shù)兩代無(wú)性繁殖后仍然存在,表明這種在特定基因型楊樹(shù)中適應(yīng)良好的真菌類群與宿主之間可能存在專一性的互作關(guān)系[127]。

轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的釋放對(duì)環(huán)境的潛在影響也可以通過(guò)研究根際微生物群落結(jié)構(gòu)的變化來(lái)間接評(píng)估。Zhu等研究表明轉(zhuǎn)多基因(枯草桿菌果聚糖蔗糖酶基因(SacB)、透明顫菌血紅蛋白基因(vgb)、雙價(jià)抗蛀干害蟲(chóng)基因(BtCry3A+OC-I)及調(diào)節(jié)基因(JERF36)楊樹(shù)無(wú)性系D520和D521對(duì)根際細(xì)菌群落沒(méi)有顯著影響[128]。轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)雖然對(duì)根際真菌群落結(jié)構(gòu)(包括ECMF)無(wú)顯著影響,但對(duì)非根際土壤真菌群落演替更新具較明顯影響[60,129]。Danielsen等研究的結(jié)果表明：銀灰楊中肉桂醇脫氫酶(木質(zhì)素合成關(guān)鍵酶)基因沉默后并不會(huì)影響根部及土壤中的真菌群落[62]。但最新一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),將雜交楊(P.tremula×P.alba)中編碼肉桂酰輔酶A還原酶(木質(zhì)素合成關(guān)鍵酶)基因沉默后,與野生型楊樹(shù)相比,根系內(nèi)生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及代謝特征發(fā)生顯著變化,而根際細(xì)菌群落與野生型楊樹(shù)大部分有重疊,這表明楊樹(shù)基因組的微小變化就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)生菌微生物組的有效調(diào)控[130]。綜上可以看出,轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)對(duì)根際微生物的組成和活力影響較小,而對(duì)內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)影響較明顯。這可能與內(nèi)生菌-宿主細(xì)胞之間結(jié)構(gòu)性整合特征有一定關(guān)系。

5 細(xì)菌-真菌-楊樹(shù)形成三重跨界共生

植物(尤其是林木)與根際微生物通常形成多重互惠關(guān)系,比如在櫟樹(shù)(Quercuscrassifolia)的單個(gè)根尖組織中就鑒定出44 種ECMF類群[131]。此外,細(xì)菌細(xì)胞間的群體效應(yīng)系統(tǒng)(quorum sensing)、菌根輔助細(xì)菌促進(jìn)菌根發(fā)育、菌絲內(nèi)共生細(xì)菌、根瘤菌與菌根菌協(xié)同增效等菌-菌互作形式更反映了林木根際微生物多重互惠關(guān)系的復(fù)雜性。本文重點(diǎn)評(píng)述兩類細(xì)菌-真菌-楊樹(shù)之間形成的三重跨界共生方式。

菌根輔助細(xì)菌(Mycorrhiza Helper Bacteria,MHB)是可刺激菌根共生體系形成的一類細(xì)菌的統(tǒng)稱[132]。MHB可以增強(qiáng)菌根真菌孢子萌發(fā)及存活率,在共生關(guān)系形成前刺激菌絲生長(zhǎng)[133],增加營(yíng)養(yǎng)根對(duì)真菌信號(hào)的接受能力,最終影響菌根共生體的生理生態(tài)功能。在楊樹(shù)根際微生物組研究中已鑒定出大量菌根輔助細(xì)菌,其中假單胞菌(Pseudomonas)是MHB的重要成員之一。Labbé等發(fā)現(xiàn)假單胞菌可提高雙色蠟?zāi)⒕z的生長(zhǎng)密度并改變菌絲分枝的角度[133]。MHB與菌根真菌之間相互識(shí)別的信號(hào)分子的物質(zhì)基礎(chǔ)目前仍未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[134]。同時(shí),雙色蠟?zāi)?假單胞菌的多種組合接種可以促進(jìn)楊樹(shù)次生根的生長(zhǎng)。菌根輔助細(xì)菌-菌根真菌-楊樹(shù)形成的親密互惠關(guān)系,對(duì)于理解楊樹(shù)人工林生產(chǎn)力形成機(jī)制具有重要的理論價(jià)值[133,135]。

Bonito等在美洲楊樹(shù)根系內(nèi)生真菌群落研究中分離到多株長(zhǎng)孢被孢霉(Mortierellaelongate)[104],該菌只能利用簡(jiǎn)單的糖類和氨基酸作為碳源,不能利用纖維素和木質(zhì)素。接種試驗(yàn)表明長(zhǎng)孢被孢霉能促進(jìn)多種植物的生長(zhǎng)(與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Labbé Jessy博士私人通訊)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢被孢霉菌絲細(xì)胞內(nèi)被一種命名為新屬的內(nèi)共生細(xì)菌(endohyphal bacteria,EHB)-Mycoaviduscysteinexigens定殖。系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)(phylogenomics)分析表明兩者約在3.5億年前已經(jīng)建立了共生關(guān)系[136]。M.cysteinexigens的基因組特別小(2.6M),缺失了很多代謝途徑,間接說(shuō)明了M.cysteinexigens對(duì)宿主真菌具有較強(qiáng)的依賴性。Li 等整合蛋白質(zhì)組和代謝組分析技術(shù)解析了M.cysteinexigens從長(zhǎng)孢被孢霉獲取碳氮源的方式[137]。需要指出的是,在叢枝菌根和外生菌根真菌的孢子或菌絲細(xì)胞內(nèi)同樣發(fā)現(xiàn)有EHB,可以隨真菌宿主的繁殖、傳代而延續(xù)(垂直傳播方式)[138]。這表明該生態(tài)學(xué)現(xiàn)象具有一定的普遍性,與植物種子傳播的內(nèi)生菌具有相似的生物學(xué)行為。然而多數(shù)EHB細(xì)菌難以在人工培養(yǎng)基生長(zhǎng),給研究帶來(lái)一定困難。不難看出,這種細(xì)菌-真菌-楊樹(shù)之間的三重互作與菌根輔助細(xì)菌-真菌-楊樹(shù)的互惠關(guān)系可能有本質(zhì)的區(qū)別。

6 展望

楊樹(shù)地上地下共生菌系統(tǒng)具有構(gòu)成的復(fù)雜性和功能的多樣性(圖1)。更多微生物全基因組測(cè)序工作的開(kāi)展,有望闡明更多的共生機(jī)理。無(wú)論是雙元還是多元(混菌)互作,目前開(kāi)展的工作基本以正向策略來(lái)揭示共生菌對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)、生理和適逆的影響,即通過(guò)傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法獲得菌種資源庫(kù),再結(jié)合接種方法來(lái)驗(yàn)證菌株的功能。然而這種研究策略通常比較耗時(shí)費(fèi)力,更重要的是不能全面反映根際微生物群落對(duì)宿主表型和生理的調(diào)控效應(yīng)。近年來(lái),以根系為誘餌、通過(guò)宿主表型來(lái)推測(cè)菌群功能的反向“釣魚(yú)”策略已經(jīng)在少數(shù)幾種草本植物中開(kāi)展[139-141],被認(rèn)為是根際微生物組工程未來(lái)的重要研究方向。建立樹(shù)木-微生物群落互作模型,將加深認(rèn)識(shí)多元土壤微生物群落對(duì)林木生產(chǎn)力和適應(yīng)性的耦合機(jī)制?？傊?通過(guò)正向和反向篩選策略、重組根際功能菌群,有望為今后創(chuàng)制新型菌劑、應(yīng)用于高效育苗和林木抗性育種等方面提供新的思路。

圖1 楊樹(shù)地上和地下部分共生菌類型、互惠機(jī)制及主要功能Fig.1 Conceptual illustration of the poplar-associated microbiota and their potential functions楊樹(shù)銹病(Melampsora)圖片仿自https://jgi.doe.gov/news_11_05_03/