叢枝菌根真菌對植物氮素吸收作用的研究進展

高文禮，再努爾·吐爾遜，桑 鈺，馬曉東

（新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆特殊環(huán)境物種保護與調(diào)控生物學(xué)實驗室，干旱區(qū)植物逆境生物學(xué)重點實驗室，烏魯木齊830054）

0 引言

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizas fungi，AMF)是一種生活在自然界土壤中的內(nèi)生真菌，其寄主范圍廣泛，可以與80%以上維管植物形成共生結(jié)構(gòu)[1]，因其菌絲一端在植物根系細(xì)胞內(nèi)形成叢枝結(jié)構(gòu)而得名。叢枝菌根真菌是一種內(nèi)生真菌，無法進行自養(yǎng)，需要從寄主植物得到碳源和營養(yǎng)物質(zhì)才能進行生長繁殖，而叢枝菌根真菌發(fā)達的根外菌絲可以深入根系無法到達的土壤顆粒縫隙[2]，吸收礦物質(zhì)和水分供寄主植物生長，因此與寄主植物形成互惠共生的叢枝菌根共生體。叢枝菌根真菌的菌絲在寄主植物根系的皮層細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)增大形成泡囊，或經(jīng)過連續(xù)的二分叉，形成叢枝，泡囊和叢枝結(jié)構(gòu)是叢枝菌根真菌的特有結(jié)構(gòu)[3]。叢枝菌根的主要作用是利用龐大的根外菌絲擴大根系的吸收范圍，提高了植物對營養(yǎng)元素及水分的利用率，從而促進植物的生長[4]。

氮素是一種礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，在植物的生長繁殖過程中需求量最大，也是植物生長發(fā)育的限制因子之一[5]。因為氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、磷脂和某些生長激素的重要組分之一，而蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等是組成細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和生物膜的基本物質(zhì)[6-7]，因此，氮是植物生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。不僅如此，氮素還是組成植物體內(nèi)維生素、一些活性酶和生物堿的關(guān)鍵成分，直接參加植物的多種生化反應(yīng)，促進植物的新陳代謝[8-9]，所以氮在植物的整個生命進程中扮演著不可或缺的角色。

近年來關(guān)于叢枝菌根真菌提高植物抗逆性以及促進營養(yǎng)吸收方面的研究不斷取得進展，但是對叢枝菌根真菌與植物間氮素吸收傳遞機制的研究尚處于起步階段，而共生體的氮素循環(huán)對寄主植物的氮素吸收和叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的氮傳遞對整個生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)都具有重要的意義。因此本文對叢枝菌根共生體氮代謝機制的過往研究及最新進展進行一個系統(tǒng)的闡述，從菌絲氮代謝、氮素的吸收形態(tài)和氮素的轉(zhuǎn)運、傳遞機制三個方面進行了歸納總結(jié)，在個體和群落水平方面提出叢枝菌根共生體氮代謝中的一些需要深入研究的科學(xué)問題，從而為叢枝菌根共生體在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 叢枝菌根菌絲氮代謝

1.1 根外菌絲對氮素的吸收

叢枝菌根真菌的根外菌絲可以代替根毛行使吸收功能，從土壤中吸收利用氨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及一些簡單的氨基酸，并把這些氮素傳遞給宿主植物，有效的提高了氮素利用率。Leigh[10]利用15N標(biāo)記的氮培養(yǎng)植物，發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)20%的氮是通過根外菌絲吸收的15N，證明了根外菌絲對氮的吸收是叢枝菌根真菌提高植物對氮素利用率的一個重要方式。Tanaka[11]發(fā)現(xiàn)，在給玉米供應(yīng)15NO-3的氮源時，叢枝菌根真菌的根內(nèi)菌絲含有大量的15N，這說明根外菌絲吸收的15NO-3并不是全部轉(zhuǎn)移給寄主植物，而是有相當(dāng)大的比例留在了菌根的菌絲體內(nèi)，在菌絲體內(nèi)形成“氮庫”。Messenguy[12]也發(fā)現(xiàn)在叢枝菌根真菌根外菌絲的液泡中，精氨酸和鳥氨酸的含量要比在細(xì)胞質(zhì)中高出50～ 1000倍，說明精氨酸和鳥氨酸應(yīng)該是根外菌絲代謝產(chǎn)生的。由此可以看出，叢枝菌根真菌把氮素供應(yīng)給寄主植物之前，在根外菌絲體內(nèi)形成氮的儲存庫，從而作為碳源的交換資本。金海如等[13]研究發(fā)現(xiàn)根內(nèi)球囊霉孢子在萌發(fā)時可以利用自身內(nèi)部存儲的氮合成游離氨基酸，也是對Tanaka[11]結(jié)論的一種補充，但是菌絲體的“氮庫”是如何進行交換碳源，否存在固定閾值還尚未明確，且國內(nèi)研究較少，需進一步進行探討。

1.2 菌絲橋的氮傳遞

叢枝菌根真菌侵染寄主植物的根系之后，與寄主植物形成菌根共生體，菌根共生體的根外菌絲向土壤中廣泛延伸，當(dāng)根外菌絲接觸到其他寄主植物時，可對其他寄主再次侵染，從而在根系之間形成菌絲橋結(jié)構(gòu)，進而形成龐大的地下網(wǎng)絡(luò)，通過叢枝菌絲網(wǎng)絡(luò)還可以調(diào)節(jié)不同植物之間的營養(yǎng)分配以及對資源的競爭[14-16]。叢枝菌根真菌對氮的轉(zhuǎn)移不僅會在叢枝菌根真菌和寄主植物之間，還可以通過菌絲橋在不同的植物間進行傳遞。楊應(yīng)等[17]利用分室根箱的培養(yǎng)方法，發(fā)現(xiàn)在根系微生態(tài)系統(tǒng)中，3種不同的受體植物均含有來自于供體香樟的15N，這一結(jié)論與Bethlenfalvay[18]提出的氮素在被叢枝菌根真菌侵染的大豆和矮玉米根系間的菌絲橋中轉(zhuǎn)移的結(jié)論相同。艾為黨[19]應(yīng)用五室分隔法研究了玉米根系和花生根系之間菌絲橋?qū)Φ膫鬟f作用，得出氮素在兩種植物間雙向傳遞的結(jié)論，并指出花生傳遞給玉米的氮素要明顯高于玉米傳遞給花生的。大多數(shù)情況下，共生體通過菌絲橋?qū)⒌赜晒痰参飩鬟f給非固氮植物[20]，但是固氮植物并非一定是氮供體，Li等[21]研究發(fā)現(xiàn)，氮素可以通過菌絲橋由綠豆向旱稻傳遞，不過傳遞氮的能力較弱，只有10%。

2 叢枝菌根對土壤中不同形式氮的吸收

2.1 叢枝菌根對無機氮的利用

無機氮是植物體內(nèi)氮素的重要來源，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮能夠被植物直接吸收利用[22]，叢枝菌根真菌同樣可以直接利用土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，且叢枝菌根真菌更易于吸收銨態(tài)氮[23]。汪翠翠等[24]以棉花為研究對象，向根外菌絲供應(yīng)不同的外源氮，研究表明，根外菌絲可以利用多種形式的氮，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和簡單的氨基酸。Tanaka[25]以同位素示蹤技術(shù)探究叢枝菌根真菌吸收轉(zhuǎn)運氮素途徑時得出，叢枝菌根真菌根外菌絲吸收銨態(tài)氮的量大約是硝態(tài)氮的十倍，李俠[26]的研究也得出同樣的結(jié)果。造成叢枝菌根真菌對兩種形態(tài)的無機氮吸收的差異，可能是因為以下兩個方面：①叢枝菌根真菌吸收同化銨態(tài)氮所消耗的代價要小于硝態(tài)氮。因為硝態(tài)氮被根外菌絲吸收后，需要先還原為NH3后才可以進入菌根氮代謝(GS-GOGAT)途徑再進一步被植物利用，這一步轉(zhuǎn)化的過程需要消耗能量和還原酶[27]。相比之下，銨態(tài)氮可以直接進入GS-GOGAT途徑，更容易被吸收且低消耗。②硝態(tài)氮在土壤中有較強的移動性[28]，通過擴散能夠很快到達植物根系，菌根植物和非菌根植物都能很好的對其進行吸收利用；而銨態(tài)氮容易與土壤吸附在一起，移動性較差，這樣就會在土壤的某一區(qū)域形成銨態(tài)氮的盈虧區(qū)[29]，大量的根外菌絲扮演著寄主植物“營養(yǎng)先鋒”的角色，吸收富氮區(qū)的銨態(tài)氮更具投資意義。但是也有一些研究得出相反的結(jié)果[30]，這些研究表示相比銨態(tài)氮而言，硝態(tài)氮的吸收更依賴于碳水化合物的供應(yīng)，因為吸收的銨態(tài)氮需要立刻進行同化解毒，同化過程需要不斷的碳骨架供應(yīng)[31]，叢枝菌根真菌的生長也需要從寄主植物得到碳源，這樣銨態(tài)氮的同化和叢枝菌根真菌的發(fā)育同時競爭寄主植物的碳源，根外菌絲供應(yīng)銨態(tài)氮就會抑制叢枝菌根真菌的生長，導(dǎo)致根外菌絲減少。

2.2 叢枝菌根對有機氮的利用

氮在土壤中絕大部分以有機形式存在，難以被植物直接利用[32]。眾多研究表明根外菌絲可以吸收甘氨酸、谷氨酸、丙氨酸等形態(tài)的有機氮[33-35]。金海如[36]將叢枝菌根真菌根外菌絲培養(yǎng)在多種混合氨基酸中時發(fā)現(xiàn)，除了谷氨酰胺外，根外菌絲可以吸收所有的氨基酸，但是對精氨酸的吸收率較低。與菌根組織和非侵染根組織比較，根外菌絲吸收氨基酸的速率幾乎達到前兩者的5～ 10倍，尤其對天冬酰胺、甘氨酸和絲氨酸更易吸收。這表明叢枝菌根真菌作為大多數(shù)植物的共生菌在氮素吸收上較植物根有更強的能力，也進一步揭示了植物可以依賴叢枝菌根真菌從更大范圍吸收更多的氮素。同時，金海如的研究結(jié)果證明了叢枝菌根真菌還可以分解多肽和可溶性蛋白質(zhì)，在Hodge[37]提出的叢枝菌根真菌能夠促進有機物的分解的結(jié)論基礎(chǔ)上，更有力的給出了叢枝菌根真菌具有腐生性能力，能夠吸收利用有機質(zhì)的證據(jù)。

3 叢枝菌根真菌將氮向寄主植物運轉(zhuǎn)的機制

氮在叢枝菌根真菌共生體系統(tǒng)中的運輸和代謝可以分為三部分，首先根外菌絲從周圍環(huán)境中吸收無機氮，將其轉(zhuǎn)化為精氨酸，以實現(xiàn)氮素快速的有機化；精氨酸隨著多聚磷協(xié)同運轉(zhuǎn)，由根外菌絲傳遞到根內(nèi)菌絲，最后由根內(nèi)菌絲傳遞至宿主植物；精氨酸通過鳥氨酸循環(huán)在根內(nèi)菌絲中被分解為NH4+，NH4+再經(jīng)過化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運進寄主細(xì)胞中，參與傳遞的碳被分解留在了根內(nèi)菌絲中，繼續(xù)參與運轉(zhuǎn)[38-39]。

3.1 叢枝菌根真菌氮素的同化

叢枝菌根真菌主要通過谷氨酰胺合成酶(GS)—谷氨酸合成酶(GOGAT)途徑（簡稱GS-GOGAT途徑）對無機氮進行同化，整合入精氨酸中，并且通過菌絲轉(zhuǎn)運給根內(nèi)組織。Smith[40]早在1985年發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌根外菌絲內(nèi)存在谷氨酰胺合酶，所以其推測菌絲中存在GS-GOGAT途徑；后來隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，Bago等[41]研究發(fā)現(xiàn)根外菌絲中谷氨酸和谷氨酰胺含量豐富；Govindarajulu[42]通過實時定量PCR技術(shù)，測定叢枝菌根真菌根外菌絲和根內(nèi)菌絲中GS-GOGAT途徑關(guān)鍵酶都具有較高的mRNA轉(zhuǎn)錄水平；這些結(jié)果都有效證明了無機氮通過叢枝菌根真菌根外菌絲的GS-GOGAT途徑進行同化。另外，在氮素同化過程中還存在一個谷氨酸脫氫酶(GDH)途徑。在正常氮素供應(yīng)條件下，GDH同化的氮素較少[43]。Jan-Patrick[44]研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)貧瘠時接種叢枝菌根真菌的植物根系GDH活性高出對照組一倍，所以推測在NH4+同化上，GDH發(fā)揮了一定的作用。Ronbinson[45]的實驗也得出同樣的結(jié)論，認(rèn)為缺乏碳水化合物時，在持續(xù)同化NH4+上，GDH發(fā)揮了重要的作用。

3.2 叢枝菌根真菌氮素的轉(zhuǎn)移傳遞

氮素在植物體內(nèi)主要以精氨酸的形式轉(zhuǎn)移，Crus等[46]研究得出叢枝菌根真菌根外菌絲向根內(nèi)菌絲轉(zhuǎn)移的速度接近于磷。Manjula[47]以分室培養(yǎng)法標(biāo)記菌絲室的氮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)根外菌絲液泡中的精氨酸大部分被15N標(biāo)記。目前的研究還沒有證據(jù)表明存在精氨酸轉(zhuǎn)運體，所以液泡中的精氨酸如果想要在菌絲之間實現(xiàn)跨膜運輸則需要消耗大量的碳和ATP，進一步推測精氨酸可能和多聚磷酸鹽協(xié)同運輸（磷、氮在菌絲中同時轉(zhuǎn)運）。根內(nèi)菌絲內(nèi)氮素以精氨酸的形式存在，如果繼續(xù)以有機形式傳遞給植物，那么碳也肯定隨氮轉(zhuǎn)移，而實際上Manjula和Fitter[48]的研究都發(fā)現(xiàn)，13C并沒有隨著15N一起傳遞給宿主植物，說明氮是以無機形式傳遞給宿主植物的[49]這對于無法直接合成碳源的叢枝菌根真菌具有重要的生存意義。圖1為Govimdarajulu[42]提出的叢枝菌根真菌共生體氮素吸收轉(zhuǎn)移模式圖。

圖1 叢枝菌根真菌共生體氮素傳遞模式圖

4 問題及展望

（1）目前關(guān)于叢枝菌根真菌可以促進植物氮素吸收的結(jié)論已經(jīng)在很多盆栽實驗中得到了證明，但是叢枝菌根真菌對于氮素吸收傳遞的生態(tài)學(xué)意義還存在一些爭議。在生態(tài)系統(tǒng)中，對于植物氮素吸收傳遞的影響是多方面的協(xié)同作用，包括土壤中各種微生物的作用、各種營養(yǎng)成分的比例以及氮素的形態(tài)等，所以在生態(tài)學(xué)中，叢枝菌根真菌的促進氮素吸收的功能可能被放大，這也是叢枝菌根真菌在大田中應(yīng)用困難的原因。因此在以后的科學(xué)研究中應(yīng)在室內(nèi)控制試驗的基礎(chǔ)上逐步向原位試驗發(fā)展，進一步精確探究叢枝菌根真菌對于植物吸收傳遞氮素的意義。

（2）叢枝菌根真菌能夠提高植物與土壤之間氮素的營養(yǎng)交流，而氮沉降又是影響土壤中氮含量的一個重要的因子，目前中國在叢枝菌根對氮沉降的響應(yīng)方面研究較少，氮沉降對叢枝菌根真菌氮素吸收傳遞的影響機制尚不明確，因此需要在宏觀生態(tài)和微觀分子上同時對氮沉降背景下叢枝菌根真菌與植物群落之間的關(guān)系進行深刻的科學(xué)探討。

（3）碳、氮和磷之間相互作用共同影響著叢枝菌根共生體的生長發(fā)育，關(guān)于叢枝菌根磷素吸收機制已經(jīng)取得了很好的研究進展，但是在氮素循環(huán)方面尤其是關(guān)于植物與叢枝菌根真菌之間的碳、氮信號耦合機制仍需深入探討。近期，日本信州大學(xué)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌可以把豆蔻鹽酸作為碳源，在無寄主植物的條件下完成生命周期[50]，如果這一結(jié)果被廣泛證實，那么將對菌根共生體與植物之間營養(yǎng)交互的研究產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響。