楊柳科外生菌根真菌研究進(jìn)展

馬書榮 石美玉 李韞

摘要? ? 菌根存在于大多數(shù)樹種的根系中，是植物與微生物最普遍的一種互惠互利的共生體，具有一定的生物多樣性和生態(tài)適應(yīng)性，在自然界發(fā)揮著重要作用。在楊柳科外生菌根形成過程中，菌根真菌參與了根系生長發(fā)育以及整個楊柳科樹種的生理代謝活動。因此，研究外生菌根對楊柳科樹種生理代謝的影響及其作用機理，對促進(jìn)樹種生長、增強樹種抗逆性具有重要意義。本文通過國內(nèi)外外生菌根文獻(xiàn)，闡述楊柳科樹種外生菌根真菌資源調(diào)查、物質(zhì)積累和吸收、轉(zhuǎn)運途徑與機制以及抗逆性等生理代謝方面的研究進(jìn)展，旨在為楊柳科外生菌根真菌的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 楊柳科;外生菌根真菌;生理代謝;營養(yǎng)代謝;抗逆性

楊柳科樹種隸屬于被子植物門（Magnoliophyta）雙子葉植物綱（Magnoliopsida）五椏果亞綱（Dilleniidae）楊柳目（Sal-icales）楊柳科（Salicaceae）[1]，全世界共有435～620種，中國347～379種。楊柳科共有3個屬，即鉆天柳屬（Chosenia Nak-ai）、楊屬（Populus L.）和柳屬（Salix L.）。其中，楊屬包括100多個種，柳屬約有520種，鉆天柳屬僅1種。分布范圍廣泛，除少數(shù)分布于南美和非洲外，大多數(shù)生長在北半球溫帶地區(qū)[2]。我國從新疆到東部沿海，北起黑龍江、內(nèi)蒙古到長江流域均有分布，其中在我國橫斷山區(qū)的最高海拔5 400 m處也可見該樹種[3]。楊柳科樹種是植被恢復(fù)與演替中常見的先鋒樹種，是溫帶、熱帶及亞熱帶高山植被系統(tǒng)的重要組成成分，通常用作裝飾品、防護(hù)林帶、木材、紙漿和特種木制品。還有一些灌木種類的沙柳被認(rèn)為是最適合的生物能源作物，并在環(huán)境與生態(tài)修復(fù)、園林風(fēng)景建設(shè)中占據(jù)重要地位[4]。

菌根是自然界中普遍存在的一種共生現(xiàn)象，是由土壤中的菌根真菌與高等植物根系形成的一種共生體。1885年以來，研究人員根據(jù)菌根真菌菌絲體侵入植物根的位置和構(gòu)成的形態(tài)結(jié)構(gòu)等特征，將菌根分為外生菌根、內(nèi)生菌根、內(nèi)外生菌根3種主要類型，此外還有混合菌根、外圍菌根、假菌根等。外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi）在植被恢復(fù)和提高植物生產(chǎn)力中發(fā)揮著重要作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中，尤其在氮、磷和鉀循環(huán)中是重要的參與者之一[5]。許多國家和地區(qū)，菌根化育苗造林的應(yīng)用已經(jīng)獲得巨大的成果。楊柳科樹種能夠與多種微生物群落形成共生關(guān)系，其菌根類型為內(nèi)外混合型菌根。由于菌根在自然界中起到重要作用，楊柳科樹種的外生菌根研究也日益引起各國學(xué)者的深入關(guān)注。

1? ? 楊柳科樹種外生菌根真菌的資源調(diào)查

資源調(diào)查首先要進(jìn)行菌種的鑒定分類，外生菌根真菌的分類鑒定一方面通過觀察子實體特有的形態(tài)特征進(jìn)行分類，另一方面是對植物根系外生菌根進(jìn)行形態(tài)解剖學(xué)分類。不同的外生菌根真菌會形成特有的根尖形態(tài)和解剖學(xué)特征，較明顯的特征是形成哈蒂氏網(wǎng)（Hartig net）與菌套（mantle），哈蒂氏網(wǎng)由根表皮和細(xì)胞皮質(zhì)之間糾纏的菌絲組成，可以通過形態(tài)解剖學(xué)方法對其進(jìn)行分類。樊永軍等[6]從大青山小井溝、烏拉山、大興安嶺和賀蘭山等實驗樣地上生長的山楊中分離出外生菌根真菌，通過形態(tài)解剖學(xué)方法，初步鑒定了10種外生菌根，其中子囊菌3種、擔(dān)子菌7種，隸屬于6個科9個屬。

隨著科技的發(fā)展，分子生物學(xué)技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地對外生菌根真菌進(jìn)行鑒定和分類，能夠更容易檢測真菌不同屬、種之間的差異。Marina利用PCR技術(shù)對塞爾維亞沼澤原生白楊林的外生菌根真菌群落進(jìn)行分子鑒定，通過比對ITS序列分析出20種外生菌根類型，其中11種被鑒定為物種水平，6種被確定為屬的水平，其中較豐富的類型是粉褶菌、意大利白塊菌、土生空團菌、棕紅塊菌和盤菌[7]。Katarzyna在弗賴貝格銀礦開采點對黃花柳進(jìn)行了調(diào)查，采用了ITS1F和ITS4引物擴增，發(fā)現(xiàn)14種不同的外生菌根真菌類型，其中優(yōu)勢種有革菌、絲膜菌、口蘑和塊菌[8]。隨著近年來分子技術(shù)的發(fā)展，高通量測序也被廣泛應(yīng)用到菌根真菌研究中。唐? 明等對陜西35種楊樹外生菌根進(jìn)行調(diào)查，利用高通量測序技術(shù)鑒定了9種外生菌根真菌，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種主要為擔(dān)子菌亞門傘菌目[9]。

2? ? 外生菌根真菌與寄主樹種之間的作用機制

在外生菌根真菌中存在一種小分子分泌蛋白（mycorrh-iza-induced small secreted protein，MiSSP），菌根真菌通過釋放MiSSP可干擾寄主的防御反應(yīng)。研究人員在檢測雙色蠟?zāi)⒒蚪M時鑒定出MiSSP7基因，當(dāng)真菌接收到由寄主根部釋放的信號時，開始分泌MiSSP7，通過磷脂酰肌醇3-磷酸酯介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入寄主根部細(xì)胞的細(xì)胞核中[10]。MiSSP7通過阻斷寄主的茉莉酸信號途徑，讓菌絲進(jìn)入到寄主根細(xì)胞間隙中形成哈蒂氏網(wǎng)，從而達(dá)到侵染的效果。Plett等[11]發(fā)現(xiàn)，雙色蠟?zāi)⒃谇秩久麠顣r，會誘導(dǎo)毛果楊分泌茉莉酸，此時茉莉酸受體蛋白PtCOI1能夠與茉莉酸信號通路抑制子PtJAZ6蛋白結(jié)合，使PtJAZ6蛋白泛素化而被降解，從而避免被外生菌根真菌侵染。但MiSSP7可與PtJAZ6蛋白結(jié)合從而避免PtJAZ6的降解，讓真菌菌絲能夠侵入在寄主細(xì)胞中形成哈蒂氏網(wǎng)，抑制寄主防御使外生菌根真菌與寄主形成共生關(guān)系。

3? ? 外生菌根真菌影響楊柳科樹種的物質(zhì)積累和吸收

外生菌根真菌能誘導(dǎo)生長素。有研究表明，外生菌根真菌子囊菌、白塊菌、波氏塊菌和黑孢塊菌在無菌條件下培養(yǎng)，能夠產(chǎn)生可以測量其數(shù)值的生長素[12]，其中在避光條件下，Tuber borchii菌根培養(yǎng)物可產(chǎn)生的最高量為0.15 μm。Felten等[13]用與雙色蠟?zāi)⒕z體產(chǎn)生的生長素溶液處理楊樹，發(fā)現(xiàn)楊樹的側(cè)根根毛長度增加，證明了外生菌根真菌誘導(dǎo)的生長素在根尖中積累能刺激側(cè)根的形成。該結(jié)果證明了外生菌根真菌產(chǎn)生的生長素改變了植物生長素穩(wěn)態(tài)，同時也通過楊樹基因表達(dá)分析得到了證實。這些試驗都充分說明了外生菌根真菌能夠誘導(dǎo)植物體內(nèi)生長素的積累，但生長素濃度和外生菌根真菌之間的關(guān)系在很大程度上取決于外生菌根真菌的種類。

外生菌根真菌能提高樹種吸收水分的效率。菌根結(jié)構(gòu)增加了根系的表面吸收，影響菌根的水分通路，這種菌根效益取決于土壤水分和水分梯度，并且隨著降水、蒸發(fā)、土壤水傳導(dǎo)和水分競爭而發(fā)生變化。菌根的外延菌絲、菌索、菌套、哈蒂氏網(wǎng)等結(jié)構(gòu)能在土壤含水率較低的條件下起到吸水、保水作用，菌根還能進(jìn)行土壤中水分的再分配，在干旱脅迫時，菌根的菌絲可將水分輸送至表層土壤中，維持表層土壤濕度，從而提高寄主的耐干旱能力[14]。除菌絲外，水通道蛋白（aquaporin）也可增強菌根吸收水分的能力，水通道蛋白是位于細(xì)胞膜上的一類膜通道蛋白，可促進(jìn)和調(diào)節(jié)水分子，改變膜對水的滲透性，將水運輸?shù)郊闹骷?xì)胞膜內(nèi)。Marjanovi等[15]把接種毒蠅鵝膏菌的楊樹和未接種的楊樹進(jìn)行對比，從2種楊樹側(cè)根中分離出RNA，分析了5個水通道蛋白基因的表達(dá)，其中有2個水通道蛋白基因的表達(dá)在菌根植物的側(cè)根中更為明顯，表明寄主與菌根共生能提高水的運輸能力。

外生菌根真菌能增強樹種對營養(yǎng)的吸收。許多研究已經(jīng)證明，外生菌根真菌能對土壤養(yǎng)分進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且外生菌根真菌的形成會增加寄主植物對礦物質(zhì)的吸收[16]。宋? 薇等[17]用6種外生菌根真菌分別接種895楊，測定895楊體內(nèi)N、P含量均高于對照組，并且發(fā)現(xiàn)接種不同種類菌根的895楊吸收N、P含量的程度不同，其中接種彩色豆馬勃與劣味乳菇的楊樹提高的含N量較為顯著。劉? 輝等[18]用紅絨蓋牛肝菌接種NL-895楊，發(fā)現(xiàn)接種NL-895楊的N指標(biāo)顯著高于對照組，比對照組增長79.99%，其他礦質(zhì)元素P、K、Mg含量也分別比對照組高71.66%、49.71%、23.67%，同時也促進(jìn)NL-895楊的生長。

4? ? 外生菌根真菌可增強楊柳科樹種的抗逆性

外生菌根真菌增強樹種抗病蟲害能力。真菌的侵染可顯著影響寄主的次級代謝，通常次級代謝產(chǎn)物有3種，即萜類化合物、酚類和生物堿，寄主可以通過酚類的積累來抵抗病原真菌的感染。楊樹葉最重要的病原體是銹菌，Pfabel等[19]將接種中褐色滑銹傘的毛果楊再接種楊柵銹菌，通過光度和質(zhì)譜技術(shù)分析楊樹葉片，發(fā)現(xiàn)外生菌根真菌通過降低類黃酮的合成來抵抗銹病。劉? 藩等[20]用卷緣樁菇接種銀灰楊，研究結(jié)果顯示，食用菌根化銀灰楊葉片后，楊扇舟蛾低齡期幼蟲的體重指標(biāo)明顯降低并延長了該幼蟲的生長周期，通過延緩害蟲的生長期增加被捕食率，降低該害蟲的存活率。

外生菌根真菌能增強樹種的抗鹽性。將銀灰楊接種卷邊樁菇，發(fā)現(xiàn)菌根化植物葉片中的P和K濃度增加，半乳糖濃度降低，應(yīng)激代謝物——氨基丁酸濃度增加，不飽和脂肪酸比率低于非菌根化植物，說明外生菌根真菌減弱了銀灰楊葉片中由鹽誘導(dǎo)的葉面損傷，這可能是因為外生菌根植物中營養(yǎng)狀況的改善和脂肪酸組成的變化將葉面損傷降到最低程度[21]。菌根化的白柳和黃花柳可以高度適應(yīng)鹽脅迫，尤其是接種棉革菌、滑銹傘屬、地孔塊菌屬的楊柳樹種具有顯著的抗鹽脅迫能力[22]。

外生菌根真菌能增強樹種的抗旱性。Beniwal等[23]的研究表明，接種外生菌根真菌的楊樹幼苗在干旱期間保持光合作用，而在非菌根幼苗中光合作用降低甚至為零。在干旱脅迫下銀灰楊接種卷邊樁菇，與對照試驗相比，菌根化的銀灰楊的營養(yǎng)含量明顯提高，菌根化的銀灰楊的根尖活力比非菌根化銀灰楊更高。根尖是營養(yǎng)吸收最活躍的區(qū)域，外生菌根真菌先增加了根尖的活力，再通過提高根尖活力來提高寄主的抗性，這是菌根真菌與寄主之間的間接作用[24]。以上試驗證明了外生菌根真菌能使楊柳科樹種在鹽脅迫下降低干旱損傷，并改善營養(yǎng)狀況。

外生菌根真菌能增強樹種的抗重金屬能力。Baum等[25]將毛枝柳接種卷邊樁菇后，發(fā)現(xiàn)柳樹根中Cu的濃度增加，這表明通過接種外生菌根真菌能使根吸收并儲存重金屬離子，從而使主根更健壯，而不是通過吸收重金屬來改善植物體內(nèi)的營養(yǎng)和促進(jìn)植物的生長。Szuba等[26]研究表明，接種卷邊樁菇的灰楊，經(jīng)過Pb處理后發(fā)現(xiàn)菌根化的植株比非菌根化的植株生長得更好，并在根中積累Pb。Adams等[27]將爆竹柳接種彩色豆馬勃后，種植在混有重金屬Cd、Pb、Mn、Ni、Zn的土壤中，生長12周后測量菌根化的幼樹比對照組的根長多52%，總生物量增加了73%?？傮w來看，外生菌根真菌對楊柳科樹種的抗性有積極的影響。

5? ? 展望

綜上所述，外生菌根真菌與楊柳科樹種形成的共生體，一方面通過伸展到土壤中的大量根外菌絲幫助植物吸收營養(yǎng)元素和水分，另一方面通過根內(nèi)菌絲從植物中獲得其生長繁殖所需的碳水化合物，與寄主植物形成了一種互惠共生關(guān)系，對樹種的生長發(fā)育和抗逆性有重要意義。目前，國內(nèi)外對楊柳科外生菌根真菌研究的成果頗多，但許多機制尚未研究清楚，有待更深入的研究探索。隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深入菌根真菌的生理生化及抗性機理等方面的研究，加強菌根真菌的分離培養(yǎng)，完善菌根真菌的保存技術(shù)，篩選更多有價值的外生菌根菌種，加強菌劑生產(chǎn)，促進(jìn)菌根化苗木培育，具有重要的應(yīng)用價值和生態(tài)效益。

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