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浅析杨柳科外生菌根真菌研究现状

2020-05-25 410 上传者：管理员

摘要：菌根存在于大多数树种的根系中，是植物与微生物最普遍的一种互惠互利的共生体，具有一定的生物多样性和生态适应性，在自然界发挥着重要作用。在杨柳科外生菌根形成过程中，菌根真菌参与了根系生长发育以及整个杨柳科树种的生理代谢活动。因此，研究外生菌根对杨柳科树种生理代谢的影响及其作用机理，对促进树种生长、增强树种抗逆性具有重要意义。本文通过国内外外生菌根文献，阐述杨柳科树种外生菌根真菌资源调查、物质积累和吸收、转运途径与机制以及抗逆性等生理代谢方面的研究进展，旨在为杨柳科外生菌根真菌的深入研究提供参考。

关键词：
外生菌根真菌
抗逆性
杨柳科
生理代谢
营养代谢
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杨柳科树种隶属于被子植物门双子叶植物纲五桠果亚纲杨柳目杨柳科[1]，全世界共有435～620种，中国347～379种。杨柳科共有3个属，即钻天柳属、杨属和柳属。其中，杨属包括100多个种，柳属约有520种，钻天柳属仅1种。分布范围广泛，除少数分布于南美和非洲外，大多数生长在北半球温带地区[2]。我国从新疆到东部沿海，北起黑龙江、内蒙古到长江流域均有分布，其中在我国横断山区的最高海拔5400m处也可见该树种[3]。杨柳科树种是植被恢复与演替中常见的先锋树种，是温带、热带及亚热带高山植被系统的重要组成成分，通常用作装饰品、防护林带、木材、纸浆和特种木制品。还有一些灌木种类的沙柳被认为是最适合的生物能源作物，并在环境与生态修复、园林风景建设中占据重要地位[4]。

菌根是自然界中普遍存在的一种共生现象，是由土壤中的菌根真菌与高等植物根系形成的一种共生体。1885年以来，研究人员根据菌根真菌菌丝体侵入植物根的位置和构成的形态结构等特征，将菌根分为外生菌根、内生菌根、内外生菌根3种主要类型，此外还有混合菌根、外围菌根、假菌根等。外生菌根真菌在植被恢复和提高植物生产力中发挥着重要作用，是陆地生态系统养分循环中，尤其在氮、磷和钾循环中是重要的参与者之一[5]。许多国家和地区，菌根化育苗造林的应用已经获得巨大的成果。杨柳科树种能够与多种微生物群落形成共生关系，其菌根类型为内外混合型菌根。由于菌根在自然界中起到重要作用，杨柳科树种的外生菌根研究也日益引起各国学者的深入关注。

1、杨柳科树种外生菌根真菌的资源调查

资源调查首先要进行菌种的鉴定分类，外生菌根真菌的分类鉴定一方面通过观察子实体特有的形态特征进行分类，另一方面是对植物根系外生菌根进行形态解剖学分类。不同的外生菌根真菌会形成特有的根尖形态和解剖学特征，较明显的特征是形成哈蒂氏网与菌套，哈蒂氏网由根表皮和细胞皮质之间纠缠的菌丝组成，可以通过形态解剖学方法对其进行分类。樊永军等[6]从大青山小井沟、乌拉山、大兴安岭和贺兰山等实验样地上生长的山杨中分离出外生菌根真菌，通过形态解剖学方法，初步鉴定了10种外生菌根，其中子囊菌3种、担子菌7种，隶属于6个科9个属。

随着科技的发展，分子生物学技术能够快速准确地对外生菌根真菌进行鉴定和分类，能够更容易检测真菌不同属、种之间的差异。Marina利用PCR技术对塞尔维亚沼泽原生白杨林的外生菌根真菌群落进行分子鉴定，通过比对ITS序列分析出20种外生菌根类型，其中11种被鉴定为物种水平，6种被确定为属的水平，其中较丰富的类型是粉褶菌、意大利白块菌、土生空团菌、棕红块菌和盘菌[7]。Katarzyna在弗赖贝格银矿开采点对黄花柳进行了调查，采用了ITS1F和ITS4引物扩增，发现14种不同的外生菌根真菌类型，其中优势种有革菌、丝膜菌、口蘑和块菌[8]。随着近年来分子技术的发展，高通量测序也被广泛应用到菌根真菌研究中。唐明等对陕西35种杨树外生菌根进行调查，利用高通量测序技术鉴定了9种外生菌根真菌，发现优势种主要为担子菌亚门伞菌目[9]。

2、外生菌根真菌与寄主树种之间的作用机制

在外生菌根真菌中存在一种小分子分泌蛋白，菌根真菌通过释放MiSSP可干扰寄主的防御反应。研究人员在检测双色蜡蘑基因组时鉴定出MiSSP7基因，当真菌接收到由寄主根部释放的信号时，开始分泌MiSSP7，通过磷脂酰肌醇3-磷酸酯介导的内吞作用进入寄主根部细胞的细胞核中[10]。MiSSP7通过阻断寄主的茉莉酸信号途径，让菌丝进入到寄主根细胞间隙中形成哈蒂氏网，从而达到侵染的效果。Plett等[11]发现，双色蜡蘑在侵染毛果杨时，会诱导毛果杨分泌茉莉酸，此时茉莉酸受体蛋白PtCOI1能够与茉莉酸信号通路抑制子PtJAZ6蛋白结合，使PtJAZ6蛋白泛素化而被降解，从而避免被外生菌根真菌侵染。但MiSSP7可与PtJAZ6蛋白结合从而避免PtJAZ6的降解，让真菌菌丝能够侵入在寄主细胞中形成哈蒂氏网，抑制寄主防御使外生菌根真菌与寄主形成共生关系。

3、外生菌根真菌影响杨柳科树种的物质积累和吸收

外生菌根真菌能诱导生长素。有研究表明，外生菌根真菌子囊菌、白块菌、波氏块菌和黑孢块菌在无菌条件下培养，能够产生可以测量其数值的生长素[12]，其中在避光条件下，Tuberborchii菌根培养物可产生的最高量为0.15μm。Felten等[13]用与双色蜡蘑菌丝体产生的生长素溶液处理杨树，发现杨树的侧根根毛长度增加，证明了外生菌根真菌诱导的生长素在根尖中积累能刺激侧根的形成。该结果证明了外生菌根真菌产生的生长素改变了植物生长素稳态，同时也通过杨树基因表达分析得到了证实。这些试验都充分说明了外生菌根真菌能够诱导植物体内生长素的积累，但生长素浓度和外生菌根真菌之间的关系在很大程度上取决于外生菌根真菌的种类。

外生菌根真菌能提高树种吸收水分的效率。菌根结构增加了根系的表面吸收，影响菌根的水分通路，这种菌根效益取决于土壤水分和水分梯度，并且随着降水、蒸发、土壤水传导和水分竞争而发生变化。菌根的外延菌丝、菌索、菌套、哈蒂氏网等结构能在土壤含水率较低的条件下起到吸水、保水作用，菌根还能进行土壤中水分的再分配，在干旱胁迫时，菌根的菌丝可将水分输送至表层土壤中，维持表层土壤湿度，从而提高寄主的耐干旱能力[14]。除菌丝外，水通道蛋白（aquaporin）也可增强菌根吸收水分的能力，水通道蛋白是位于细胞膜上的一类膜通道蛋白，可促进和调节水分子，改变膜对水的渗透性，将水运输到寄主细胞膜内。Marjanovic'等[15]把接种毒蝇鹅膏菌的杨树和未接种的杨树进行对比，从2种杨树侧根中分离出RNA，分析了5个水通道蛋白基因的表达，其中有2个水通道蛋白基因的表达在菌根植物的侧根中更为明显，表明寄主与菌根共生能提高水的运输能力。

外生菌根真菌能增强树种对营养的吸收。许多研究已经证明，外生菌根真菌能对土壤养分进行调节，并且外生菌根真菌的形成会增加寄主植物对矿物质的吸收[16]。宋薇等[17]用6种外生菌根真菌分别接种895杨，测定895杨体内N、P含量均高于对照组，并且发现接种不同种类菌根的895杨吸收N、P含量的程度不同，其中接种彩色豆马勃与劣味乳菇的杨树提高的含N量较为显著。刘辉等[18]用红绒盖牛肝菌接种NL-895杨，发现接种NL-895杨的N指标显著高于对照组，比对照组增长79.99%，其他矿质元素P、K、Mg含量也分别比对照组高71.66%、49.71%、23.67%，同时也促进NL-895杨的生长。

4、外生菌根真菌可增强杨柳科树种的抗逆性

外生菌根真菌增强树种抗病虫害能力。真菌的侵染可显著影响寄主的次级代谢，通常次级代谢产物有3种，即萜类化合物、酚类和生物碱，寄主可以通过酚类的积累来抵抗病原真菌的感染。杨树叶最重要的病原体是锈菌，Pfabel等[19]将接种中褐色滑锈伞的毛果杨再接种杨栅锈菌，通过光度和质谱技术分析杨树叶片，发现外生菌根真菌通过降低类黄酮的合成来抵抗锈病。刘藩等[20]用卷缘桩菇接种银灰杨，研究结果显示，食用菌根化银灰杨叶片后，杨扇舟蛾低龄期幼虫的体重指标明显降低并延长了该幼虫的生长周期，通过延缓害虫的生长期增加被捕食率，降低该害虫的存活率。

外生菌根真菌能增强树种的抗盐性。将银灰杨接种卷边桩菇，发现菌根化植物叶片中的P和K浓度增加，半乳糖浓度降低，应激代谢物———氨基丁酸浓度增加，不饱和脂肪酸比率低于非菌根化植物，说明外生菌根真菌减弱了银灰杨叶片中由盐诱导的叶面损伤，这可能是因为外生菌根植物中营养状况的改善和脂肪酸组成的变化将叶面损伤降到最低程度[21]。菌根化的白柳和黄花柳可以高度适应盐胁迫，尤其是接种棉革菌、滑锈伞属、地孔块菌属的杨柳树种具有显著的抗盐胁迫能力[22]。

外生菌根真菌能增强树种的抗旱性。Beniwal等[23]的研究表明，接种外生菌根真菌的杨树幼苗在干旱期间保持光合作用，而在非菌根幼苗中光合作用降低甚至为零。在干旱胁迫下银灰杨接种卷边桩菇，与对照试验相比，菌根化的银灰杨的营养含量明显提高，菌根化的银灰杨的根尖活力比非菌根化银灰杨更高。根尖是营养吸收最活跃的区域，外生菌根真菌先增加了根尖的活力，再通过提高根尖活力来提高寄主的抗性，这是菌根真菌与寄主之间的间接作用[24]。以上试验证明了外生菌根真菌能使杨柳科树种在盐胁迫下降低干旱损伤，并改善营养状况。

外生菌根真菌能增强树种的抗重金属能力。Baum等[25]将毛枝柳接种卷边桩菇后，发现柳树根中Cu的浓度增加，这表明通过接种外生菌根真菌能使根吸收并储存重金属离子，从而使主根更健壮，而不是通过吸收重金属来改善植物体内的营养和促进植物的生长。Szuba等[26]研究表明，接种卷边桩菇的灰杨，经过Pb处理后发现菌根化的植株比非菌根化的植株生长得更好，并在根中积累Pb。Adams等[27]将爆竹柳接种彩色豆马勃后，种植在混有重金属Cd、Pb、Mn、Ni、Zn的土壤中，生长12周后测量菌根化的幼树比对照组的根长多52%，总生物量增加了73%。总体来看，外生菌根真菌对杨柳科树种的抗性有积极的影响。

5、展望

综上所述，外生菌根真菌与杨柳科树种形成的共生体，一方面通过伸展到土壤中的大量根外菌丝帮助植物吸收营养元素和水分，另一方面通过根内菌丝从植物中获得其生长繁殖所需的碳水化合物，与寄主植物形成了一种互惠共生关系，对树种的生长发育和抗逆性有重要意义。目前，国内外对杨柳科外生菌根真菌研究的成果颇多，但许多机制尚未研究清楚，有待更深入的研究探索。随着现代生物学技术的发展，深入菌根真菌的生理生化及抗性机理等方面的研究，加强菌根真菌的分离培养，完善菌根真菌的保存技术，筛选更多有价值的外生菌根菌种，加强菌剂生产，促进菌根化苗木培育，具有重要的应用价值和生态效益。

参考文献：

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基金:中央高校基础研究基金(2572019CT03).