叢枝菌根真菌在藥用植物上的應(yīng)用研究進展

陳芳玲，樊婭萍，賀苗苗，王倡憲

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境安全重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)是一種內(nèi)生菌根，其中，作為菌根的主要成員之一，叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)廣泛分布于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，是一類專性活體營養(yǎng)真菌，AMF能侵染90%的維管植物根系，形成具有雙膜結(jié)構(gòu)（叢枝膜與叢枝前體質(zhì)膜）的菌根共生體，共生體建成后，宿主植物將脂質(zhì)與光合作用產(chǎn)生的碳水化合物轉(zhuǎn)運給AMF，用以維持AMF的代謝?；セ菪虯MF則通過“菌根方式”在改善寄主營養(yǎng)水平、促進寄主生長與提高寄主抗逆性等方面發(fā)揮著積極作用[1-5]。

中國中醫(yī)藥博大精深，發(fā)展歷史悠久，尤其是近年來，隨著青蒿素的發(fā)現(xiàn)，中醫(yī)中藥倍受人們的關(guān)注與青睞。藥用植物作為中藥材的主要來源，人工種植優(yōu)質(zhì)中藥材對中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，但是，隨著中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加之經(jīng)濟利益的驅(qū)動，藥用植物種植過程中產(chǎn)生的連作障礙，土壤生態(tài)環(huán)境惡化、病蟲害加劇、肥料農(nóng)藥過量使用等問題層出不窮[6]。

近年來，隨著中藥材生態(tài)種植理論的提出，AMF與藥用植物共生效應(yīng)的研究越來越受到人們的重視，研究領(lǐng)域也在不斷擴大，尤其是互惠型菌根共生體形成后，AMF對藥用植物的養(yǎng)分吸收、生長發(fā)育、活性物質(zhì)合成與積累及抗逆性等方面均表現(xiàn)出了諸多有益作用[7]。但是，AMF的作用會因寄主種類、AMF種類、寄主與AMF的皆容性及共生環(huán)境等因素的影響而異。因此，相關(guān)研究結(jié)果的歸納與總結(jié)對于精準(zhǔn)利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中豐富的AMF資源具有重要的借鑒與參考意義。

1 中國藥用植物資源現(xiàn)狀

1.1 藥用植物資源概況

中國中藥資源極為豐富，資源主要有地域性、人文性、可變性、多樣性等特點，中國藥用植物資源劃分為9個區(qū)：東北區(qū)（藥用植物類約1700種，野生資源蘊藏量豐富）、華北區(qū)（藥用植物類約1500種，野生資源和栽培藥用植物較為豐富）、華東區(qū)（藥用植物類約2500種，有一批著名的道地藥材，如浙八味）、西南區(qū)（藥用植物約4500種，有眾多的道地藥材，如川產(chǎn)道地藥材、云南產(chǎn)道地藥材、貴州產(chǎn)道地藥材等）、華南區(qū)（藥用植物約3500種，多道地南藥）、內(nèi)蒙古區(qū)（藥用植物1000余種，絕大部分為草本植物）、西北區(qū)（藥用植物類近2000種，不少種類蘊藏量大，且本區(qū)民族藥中維藥歷史悠久，資源豐富）、青藏區(qū)（藥用植物類約1100種，多高山名貴藥材）和海洋區(qū)（藥用植物多為海藻類，約100種，是開發(fā)潛力極大的巨大藥庫）[8]。在中國《2017中藥資源普查年度報告》中共收集了包括藥用植物，藥用動物與藥用礦物共計1.3萬多種野生藥用資源和736種栽培藥材[9]。

1.1.1 野生藥用植物資源現(xiàn)狀 野生藥用植物往往因其獨特的生境而彌足珍貴，但是，由于缺乏保護意識和可持續(xù)開發(fā)規(guī)劃，人類長期對環(huán)境破壞與資源過度開發(fā)導(dǎo)致了野生藥用植物資源日益減少，主要體現(xiàn)在資源質(zhì)量、種類及蘊藏量3個方面[10]。據(jù)統(tǒng)計，在中國500多種常用藥材中，每年有20%的藥材缺口，占藥材市場80%的野生藥材短缺現(xiàn)象尤為明顯[11]。有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，野生人參、冬蟲夏草等名貴藥材蘊藏量顯著降低，野生廣布的甘草、肉蓯蓉等趨于瀕臨消失[12]。與此同時，結(jié)合全國第四次中藥資源普查的數(shù)據(jù)可知，云南、貴州、廣西等地野生藥用植物資源較為豐富，全國不斷有新物種發(fā)現(xiàn)，截止2017年8月，共累計發(fā)現(xiàn)新物種40余種[13]。

1.1.2 栽培藥用植物資源現(xiàn)狀 近年來，隨著市場對中藥材需求量的不斷增加，同時伴隨著科技的進步，使得藥用植物栽培與生產(chǎn)技術(shù)也得到快速發(fā)展，目前，大多地道藥材已變成栽培品種，中國第四次中藥資源普查的結(jié)果顯示，山西省，云南、廣西、甘肅是栽培藥材品種最多的省份，湖南、湖北、河南、河北等地也有不少栽培品種。

2 AMF在藥用植物上的應(yīng)用概況

2.1 AMF對藥用植物養(yǎng)分吸收與生長的影響

AMF隸屬于球囊菌門(Glomeromycota)，共包含1綱4目11科27屬約300種（表1）[14]。已有研究證實，AMF可與多種藥用植物建成菌根共生體[15-22]，且AMF對藥用植物具有選擇侵染的特性[23-25]。適宜的AMF對植物營養(yǎng)水平的改善與生長都具有一定的促進作用[7]。AMF對植物營養(yǎng)水平的改善依賴于其對礦質(zhì)養(yǎng)分的活化，研究表明，AMF活化礦質(zhì)養(yǎng)分主要通過龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)與菌根際微環(huán)境的改變實現(xiàn)。首先，存在于土壤中的菌絲可集結(jié)為菌絲網(wǎng)絡(luò)。形態(tài)上，菌絲的平均直徑為2～20 μm，比根系小兩個數(shù)量級，這樣菌絲便可以在土壤孔隙中自由穿梭，并借助菌絲網(wǎng)絡(luò)龐大的生物量和表面積即可擴大根系吸收養(yǎng)分的范圍[26]。其次，菌根共生體建成后，根際微環(huán)境的改變會促進養(yǎng)分的溶解與有效化。菌根際微環(huán)境的改變主要包括土壤酶活性尤其是磷酸酶活性的提高，小分子有機酸（如檸檬酸、莽草酸、草酸、延胡索酸等）的釋放、pH值降低及低分子量螯合劑的分泌等。在姜黃上的研究證實，菌根際土壤在接種AMF90天和150天后，土壤酸性磷酸酶活性分別提高到18.11～21.19 μg/(g·h)和18.33～21.39 μg/(g·h)，土壤有機磷經(jīng)磷酸酶的水解而活化，有效磷含量隨之增加[27]。另在洋蔥(Allium cepa)上的研究發(fā)現(xiàn)，洋蔥接種Gigaspora margarita與Glomus etunicatum后，根系檸檬酸分泌量顯著增加，檸檬酸將磷酸鹽中的金屬離子螯合，磷被釋放進入根際，根際磷的活化有利于植物對磷的吸收[28]；有分析認(rèn)為，菌絲利用NH4+時會分泌H+，致使土壤pH值降低，進而使土壤中難溶性磷得到溶解活化[29]。

表1 菌物界球囊菌門叢枝菌根真菌最新分類系統(tǒng)

2.2 AMF對藥用植物活性物質(zhì)合成的影響

藥用植物中的活性成分不僅是其發(fā)揮功效的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是衡量其品質(zhì)的重要指標(biāo)，藥用植物的活性成分具有不同的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，多為植物次生代謝產(chǎn)物，主要 包 括 ：酚 類 (phenolics)、萜 類 (terpenes)、甾 體 類(steroids)、生物堿(alkaloids)以及黃酮類化合物(flavonoids)等[30]。不同的次生代謝產(chǎn)物因相關(guān)的調(diào)控酶及基因差異表達(dá)的結(jié)果，造成藥用植物的不同器官與組織中活性物質(zhì)合成或積累的差異[31]。已有研究證實，AMF與寄主根系建成菌根共生體過程中，寄主的內(nèi)源激素與次生代謝均會受到影響，表現(xiàn)為AMF侵入寄主根系時，寄主體內(nèi)萜類物質(zhì)，酚類物質(zhì)與含氮化合物（以生物堿為主）含量的變化[32-33]。提取自黃花蒿(Artemisia annuaL.)葉片的青蒿素為含過氧橋結(jié)構(gòu)的倍半萜內(nèi)酯，是防治瘧疾的活性成分，有研究表明，接種Glomus macrocarpum可提高黃花蒿地上部青蒿素含量，接種Glomus fasciculatum則有益于地上部精油含量的提高，且精油含量與植株磷含量呈正相關(guān)[34]。類似的研究也證實，接種Glomus mosseae不僅顯著提高了黃花蒿葉片中青蒿素含量，而且在菌根化處理的黃花蒿中檢出了蒎烯、喇叭茶醇、藿香烷和亞麻酸組分[35]。腺毛作為合成、儲存與釋放次生代謝產(chǎn)物的細(xì)胞工廠，是包括菊科等藥用植物在內(nèi)的活性成分的主要載體[36-37]。有研究證實，對6月齡甜葉菊(Stevia rebaudiana)插條接種R.irregularis，該AMF不僅可顯著促進甜葉菊的生長，而且二者共生期間與腺毛發(fā)育相關(guān)的基因TTG1表達(dá)增強，腺毛處黃酮與總酚熒光信號增強[38]。同樣，在菊科多年生草本藥用植物茅蒼術(shù)[Atractylodes lancea(Thunb.)DC.]上的研究發(fā)現(xiàn)，分別接種Glomus tortuosum和Glomus mosseae可顯著促進茅蒼術(shù)組培苗根中茅術(shù)醇與β-桉葉油醇的積累，而茅術(shù)醇與β-桉葉油醇是茅蒼術(shù)根莖中揮發(fā)油的兩種主要藥效成分[39-41]。此外，AMF還是影響滇重樓[Paris polyphylla Sm.var.yunnanensis(Fr.)H.M.]活性成分含量的重要因素[42-43]。有研究表明，AMF與滇重樓存在共生選擇特性，由此造成滇重樓根莖中甾體皂苷含量的差異，并據(jù)此篩選出了適宜大田栽培條件下的兩種優(yōu)良AMF：近明球囊霉(Claroideoglomus claroideum)和瑚狀盾巨囊霉(Racocetra coralloidea)[44]。AMF對藥用植物活性物質(zhì)的影響不只限于草本植物，另有研究證實，AMF與珙桐科喬木—喜樹(Camptotheca acuminate)也可建成共生關(guān)系，且共生體的建成對喜樹中的抗癌活性物質(zhì)喜樹堿的積累也有所影響，相關(guān)研究表明，在AMF與喜樹根系形成菌根的區(qū)域喜樹堿顯著積累[45]；與單獨接種AMF相比，混合接種尤其是功能差異較大的AMF組合對于大田條件下菌根效應(yīng)的發(fā)揮更為有利[46]。將30天苗齡的黃花蒿進行移苗處理，與此同時分別單獨接種Glomus mosseae，Glomus aggregatum、Glomus fasciculatum、Glomus intraradices或?qū)?種固氮菌Bacillus subtilis和Stenotrophomonas spp.與AMF混合接種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Glomus mosseae與B.subtilis有很好的皆容性，且混合接種可提高葉片青蒿素產(chǎn)量[47]。在嘉蘭(Gloriosa superba L.)外植體上的研究也證實，對7周齡的嘉蘭外植體于馴化階段混合接種Glomus mosseae與Acaulospora laevis后，不但可提高組培苗的成活率，而且能顯著提高塊莖中的秋水仙堿含量[48]。此外，以木香為寄主，播種時接種Gigasporineae家族的混合菌種，發(fā)現(xiàn)根中木香烴內(nèi)酯、去氫木香內(nèi)酯化合物顯著積累，極大地改善了木香的入藥品質(zhì)[49,24]。有研究認(rèn)為，植物體內(nèi)次生代謝物的合成受其體內(nèi)C與營養(yǎng)元素間（N、P為主）的比例調(diào)控[50-51]。而植物體內(nèi)的C與營養(yǎng)元素尤其是磷營養(yǎng)間的關(guān)系是菌根互惠關(guān)系的直接體現(xiàn)，即寄主將光合產(chǎn)物的5%～20%運輸至AMF，用于維持AMF的代謝，同時，AMF則借助龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)將介質(zhì)中的磷轉(zhuǎn)運給寄主，共生體雙方C與磷營養(yǎng)的互作進而間接影響了寄主的氮營養(yǎng)水平[52-53]。

2.3 AMF對藥用植物抗病性的影響

目前，中國600多種常用中藥材中約有一半以上已經(jīng)實現(xiàn)了人工種養(yǎng)，隨著藥用植物集約化種植面積的大幅增加，預(yù)計到2020年中國中藥材種植面積將超過440萬hm2[54]。與此同時，藥用植物的連作現(xiàn)象也是一個不容忽視的現(xiàn)實問題，據(jù)統(tǒng)計，約70%的塊根類藥用植物都存在不同程度的連作障礙[55-56]。連作后，土壤環(huán)境惡化，病原滋生，嚴(yán)重影響了藥用植物的生長與品質(zhì)。AMF作為一種生物農(nóng)藥，可通過多種機制防治植物病蟲害，并顯示出極大的開發(fā)潛力[57-58]。在人參內(nèi)生真菌研究中，從人參中分離得到86株內(nèi)生真菌中，其中有10株對病原菌具有拮抗作用，另外，其中有3株具有較強的廣譜抑菌活性，對人參根腐病、灰霉病、銹病病菌的抑菌率均達(dá)到60%[59]。在羅勒(Ocimum basilicum L.)上聯(lián)合接種 Bacillus species、Trichoderma harzanium和Glomus aggregatum可提高精油含量，并可有效防治根結(jié)線蟲[60]。盡管利用AMF防控藥用植物病蟲害的研究相對較少，但是結(jié)合AMF對藥用植物生長及次生代謝物合成的促進作用，利用AMF資源防控病蟲害將大有可為。

3 問題及展望

中醫(yī)是中國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也是中國的文化瑰寶，藥用植物作為這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要支撐，有著廣闊的發(fā)展前景，結(jié)合近年來AMF在藥用植物上研究工作的不斷深入與拓展，還有以下幾方面的研究內(nèi)容有待探索。

（1）目前，在探究AMF與藥用植物的共生效應(yīng)時，所選藥用植物種類有限，且主要集中于市場價值較高的種類，如珍貴藥材中的人參與何首烏等，普通藥材中的三七與黃花蒿等，依然有很多有潛力的藥用植物（如具抗腫瘤活性的龍膽科多年生草本植物等）與AMF間的共生關(guān)系是未知的，因此，在菌根共生體組合中，可供篩選的寄主資源豐富，而相關(guān)領(lǐng)域的研究是AMF在藥用植物栽培中合理應(yīng)用的前提。

（2）AMF是土壤生物區(qū)系的重要組成部分，作為土壤主要的微生物類群之一，其與土壤其他微生物間存在著不同程度的拮抗與協(xié)同作用，結(jié)合寄主對不同微生物類群的響應(yīng)差異，可將AMF與其他有益微生物組合利用，探究多種微生物協(xié)作對寄主的影響，為土壤中微生物資源的有效利用提供依據(jù)。

（3）藥用植物連作是中藥材栽培中普遍存在的現(xiàn)象，與長年連作的普通作物不同，藥用植物自身含有較高的抗菌活性物質(zhì)，其與AMF形成共生體后，因活性物質(zhì)含量的變化使土壤環(huán)境尤其是根際微環(huán)境發(fā)生改變。目前的研究大多忽略了土壤環(huán)境，而將寄主的響應(yīng)作為研究的重點，但是土壤環(huán)境卻與藥材產(chǎn)量與品質(zhì)息息相關(guān)，因此，AMF與藥用植物共生后，研究土壤環(huán)境的變化將有助于藥用植物產(chǎn)量與品質(zhì)的提升。

綜上所述，隨著相關(guān)研究的不斷深入及現(xiàn)代分子生物技術(shù)、材料和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，AMF在藥用植物栽培中的應(yīng)用潛力將得以充分挖掘，為中國未來中藥材產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中生物肥料或生物農(nóng)藥的開發(fā)與利用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。