丛枝菌根提高滨海盐碱地植物耐盐性的作用机制及其生态效应

李少朋，陈昢圳，刘惠芬，郝建朝，周炜，石利军

1. 天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384；2. 农业部环境保护科研监测所，天津 300191

土壤盐碱化是一个世界性的问题，土壤盐碱化过程会影响土壤的理化性质、土壤微生物过程以及动植物的生长。根据农业部组织全国土壤普查办公室的第二次全国普查资料统计（1998），中国盐碱化土壤总面积约3.6×107hm2。其中，滨海盐碱土的面积约为 3.1×107hm2，占海岸带土壤总面积27.45%，在天津、黄河三角洲、江苏东部等地区，盐碱面积甚至与当地耕地面积相当。滨海盐碱土不仅表层积盐重，心土层含盐量也很髙，土壤盐分组成与海水基本一致，氯化物占绝对优势（王合云等，2015）。由于滨海盐土成陆和复垦年代短，具有土壤含盐高、养分低、地下水位埋藏浅、矿化度高，土质粘重等特点，无论是作为耕地、建设用地、生态用地还是林业用地，都需要进行改良，才能加以利用。降低盐分、改良土壤结构和恢复植被是解决土地盐碱化的根本途径。长期以来，国内外众多学者针对滨海盐碱地开展了一系列相关研究，主要涉及的改良措施如下：物理方法包括台地降水、开沟洗盐、地下隔离、地上覆盖等技术；化学修复主要通过含钙物质、酸性物质、黄铁矿和脱硫石膏等物质来改良盐碱土（刘云等，2014），但物理-化学技术成本较高，且元素仍保留在土壤中，容易形成二次污染，再度活化危害植物，加之中国滨海地区积盐和脱盐的反复性特征，物理化学修复技术缺乏可持续性。利用盐地碱蓬（Suaedeae Reich）、滨黎（Atriplex pantens）、田菁（Sesbania cannabina）、防护林等对滨海盐碱土进行生物修复（刘雅辉等，2017），可对盐碱土性状进行改善，降低土壤的盐度，提高土壤肥力，可达到压盐目的。大量研究发现，在逆境胁迫下，仅靠植物自身来实现盐碱土的改良难度较大，且植物的定植成功率较低（李金彪等，2014）。盐碱胁迫下，丛枝菌根真菌能促进宿主植物的生长，提高植物的抗逆性，同时优势菌群的某些性状如盐耐受性发生变化，改善了根际养分的有效性，植物根系分泌物的增加和AMF分泌的球囊霉素相关蛋白起到提高土壤肥力，促进土壤熟化的作用，植物-丛枝菌根共生体对盐碱地治理的生态意义显著（唐明，2010）。

1 丛枝菌根真菌在滨海盐碱地治理中的生理生态功能

丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一种普遍存在的内共生真菌，随着研究的不断深入，AMF的作用越来越广泛，AMF在植物群落结构、演替和稳定性方面具有重要的生态学意义（Li et al.，2015）。AMF和宿主植物形成菌丝体，庞大的根外菌丝网扩大根系和外界土壤间的吸收面积，从而有利于提高宿主植物对土壤养分和水分的吸收（Birhane et al.，2012）。同时AMF在提高宿主植物的抗旱性、缓解重金属胁迫、提高植物的抗病性和耐盐性等方面受到了广泛关注（李芳等，2016）。AMF分泌的球囊霉素相关蛋白是当前研究热点之一，球囊霉素相关蛋白具有重要生态功能，其可以保护菌丝免受其他微生物伤害，促进菌丝生长，同时，球囊霉素是土壤的一个重要碳库（Averill et al.，2014），球囊霉素提高了土壤团聚体的稳定性，改善了土壤质量（钟思远等，2017）。

AMF提高植物的抗盐性已受到广泛关注，AMF与植物形成的共生体作为生态系统的有机组成部分，因其形成的广泛性，可增强植物抗盐碱胁迫的能力，具有不可忽视的生态调节作用。盐碱土壤中AMF与植物的共生更有利于双方在胁迫环境中的生存，在促进植物生长和调节生态环境方面发挥着重要作用。盐胁迫影响AMF孢子萌发和生长，AMF孢子萌发率随着土壤盐浓度的增加而降低，且不同菌种表现出明显的差异性（Bothe，2012），盐碱土壤中存在大量的AMF，其生长发育、数量和种类受土壤环境和宿主植物的影响。盐胁迫下 AMF对植物生长影响显著，其促进了植物对矿质养分的吸收（Evelin et al.，2009）。自从发现AMF能够侵染盐生植物以来，许多研究证实盐胁迫下接种AMF可增强植物的耐盐能力（Chien et al.，2014），但其耐盐机制目前还不完善，还有待进一步研究。

2 AMF-植物互作对滨海盐碱地的改良作用

2.1 滨海盐碱土壤对AMF的影响

滨海盐碱土中存在大量的AMF，其中Gloums属的 AMF分布最广（杨海霞等，2015）。王发园等（2002）对黄河三角洲盐碱地进行研究，发现野生植物根围存在有 32种 AMF，其中 Acaulospora属6种，Archaespora属2种，Glomus属24种。滨海盐碱地中大量AMF的存在可为盐碱地的改良和生态修复提供帮助。盐胁迫对AMF的影响主要表现在两个方面：一方面高盐碱影响AMF的孢子萌发和生长，另一方面高盐碱影响AMF菌丝体的形成。AMF-植物是否能形成共生关系，这依赖于由萌发孢子或根外菌丝生成的萌发管能否侵染到植物根系中。大量研究表明，不同种类AMF孢子萌发随土壤盐浓度的改变而改变。利用 NaCl胁迫研究AMF的孢子萌发，发现盐浓度的改变影响孢子的萌发，且不同菌株间差异性较大（Upreti et al.，2016）；王英男（2016）研究发现盐胁迫使孢子萌发推迟，但起不到阻止的作用；Kadian et al.（2013）研究结果表明，盐浓度和种类的改变对孢子萌发的作用效果差异性较大。盐胁迫直接影响AMF发育（Bois et al.，2006）、降低AMF菌丝体形成（Sheng et al.，2008）和对宿主植物的侵染（王英男，2016）。高浓度的盐胁迫能抑制AMF的生长和发育能力，表现为丛枝和泡囊数量的减少，芽管伸长和分支受到抑制。盐胁迫对AMF的影响研究也有相反的结论，Yamato et al.（2008）研究发现盐胁迫提高了土壤中孢子数和萌发率。

2.2 AMF提高植物耐盐性的作用机制

2.2.1 AMF提高了植物对矿质养分的吸收

大量的研究表明，在盐胁迫下，AMF提高了宿主植物对土壤中矿质养分的吸收（Latef et al.，2016），主要表现在以下几个方面：一是通过AMF强化对宿主植物的侵染，形成的菌丝体扩大了根系与土壤的接触面积，实现了宿主植物对矿质养分的吸收；二是形成的菌丝体直径一般为2－27 µm，菌丝直径远远小于植物根系的直径，从而深入到植物根系难以触及的土壤空隙中。AMF对土壤中磷的作用最为活跃，接种AMF处理植物组织内磷含量显著高于未接种AMF处理（Lagrange et al.，2013）。AMF还可以促进宿主植物对土壤中其他元素的吸收，AMF菌丝体可直接吸收土壤中游离态的NO3-和NH4+，同时，AMF促进了宿主植物对土壤中Zn、Cu和Ca等矿质元素的吸收（Chen et al.，2014）。滨海盐碱地土壤中含有大量的 Na+，植物体内 Na+增加会破坏根际的离子平衡，接种AMF可以通过改善植物对土壤 N（Li et al.，2015）、P（Wang et al.，2016）和Zn（Thompson et al.，2013）的吸收，促进宿主植物对其他矿质元素的吸收，降低 Na+和Cl-1在植物体中的积累，阻止盐离子干扰植物生长的代谢途径。

2.2.2 AMF提高植物对土壤水分的吸收

研究结果表明，植物的水势和渗透势与盐分呈负相关（Cui et al.，2016），随着滨海土壤中含盐浓度的不断提高，土壤溶液的渗透压增加显著，水势下降，植物水分吸收困难，甚至出现体内水分外渗，植物生理干旱严重，加剧了滨海植物的定植难度。AMF的最大优势是通过菌丝体扩大了根系吸收土壤水分的面积，促进了植物对土壤水分的吸收。盐胁迫下，AMF提高宿主植物对土壤水分的吸收机制主要表现在以下几个方面：一是AMF与宿主植物之间形成大量的菌丝体，提高了根系与土壤的接触面积，从而增加了根系水力传导性（Liu et al.，2016）。二是AMF提高了宿主植物的蒸腾速率和气孔导度，提高宿主植物二氧化碳交换率（冯希环等，2016；Porcel et al.，2012），使植物吸收和运输水分的动力加大。三是AMF提高了植物溶质的积累，改善了植物的渗透调节，降低了植物失水的趋势（Latef et al.，2014），AMF提高了植物对土壤N、P和K等矿质元素的吸收，间接提高了光合速率以及水渗透稳态（Porras-Soriano et al.，2009）。四是通过改变宿主植物根系形态来提高抗盐性。在盐胁迫下，根系最早感受逆境胁迫信号，是最直接的受害部位和应答的首要部位（马晓林等，2016），根系形态是影响植物根系吸收矿质营养的重要因子。在AMF共生体的形成过程中，根系分生组织活性受到抑制，根形态发生改变（田蜜等，2015），导致不定根和侧根数量的增加，增强根系的活力，从而提高对土壤水分的吸收和规避不利因素的制约（金樑等，2007）。

2.2.3 AMF提高根际盐碱土矿质元素有效性

土壤盐碱化过程中，土壤的有效养分丧失严重。研究表明，土壤盐碱化加剧了磷元素固定，大部分磷与土壤中的 Ca2+、Fe3+、Al3+等结合，形成难溶性磷酸盐（Mori et al.，2016），从而出现土壤肥效下降、利用率降低等现象。土壤中钙、镁、锌等离子与磷酸根离子结合致使水溶性降低，植物根系吸收也受限。接种AMF可以提高土壤养分的有效性，这主要基于AMF和宿主植物互作释放有机酸分泌物降低了土壤pH，根际土壤pH的变化促进了植物难以吸收的矿质元素向易于植物吸收的有效态转化（韦莉莉等，2016）。王明元等（2009）研究AMF对枳（Poncirus trifoliata L. Raf.）根围不同形态铁的影响时发现，接种AMF降低了土壤中交换态铁、有机结合态铁及残渣态铁的含量。接种AMF可以增加宿主植物根际草酸含量，降低了土壤中的钙磷比，可溶性Ca2+增加显著（舒波等，2016）。在盐碱地土壤中，AMF对土壤中矿质元素作用的差异性较大，其中AMF对土壤中难容磷的作用最为显著，大量研究表明，AMF和宿主植物互作释放小分子有机酸和磷酸酶活化了土壤中有机磷和难溶磷（Hailemariam et al.，2018）。

2.2.4 AMF影响宿主植物生理生化特性

植物应对盐胁迫的重要调节方式是通过合成可溶性有机小分子物质作为渗透调节剂，以此来降低植物水势，以便水分从土壤流向植物体，消除盐胁迫对植物生长发育造成的不利影响。盐胁迫条件下植物体通过调节体内含氮化合物的水平实现自我保护，含氮化合物主要包括脯氨酸、多胺、糖类等（Rabie et al.，2005）。大量的研究表明，接种AMF可以提高植物体含氮化合物的量，减缓了盐胁迫对植物生长发育造成的不利影响。在逆境条件下（旱、盐碱、热、冷、冻），植物体内脯氨酸是一种重要的渗透保护剂。脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，能降低冰点，具有防止细胞脱水的作用。Garg et al.（2013）研究表明，接种AMF在提高鹰嘴豆（Cicer arietinum）胁迫耐受性方面发挥了重要作用，调节了脯氨酸代谢和降低了Na摄取。但AMF对植物体内脯氨酸的影响规律差异性较大，Hajibpland et al.（2015）研究发现在盐处理的獐茅（Aeluropus littoralis (Gouan) Parl）叶片中脯氨酸浓度较高，接种AMF对其没有显著影响。多胺（polyamine，PA）是一类小分子含氮有机化合物，为绝大多数生物体细胞生长发育所必需，有人认为是一类新的激素物质。盐胁迫条件下游离多胺减少，接种丛枝菌根可以提高植物体游离多胺量（刘智蕾，2015），AMF作用下植物体多胺调解可以改变柑橘（Citrus reticulate blanco.）的根系结构（Wu et al.，2012），游离的多胺影响侵染率、丛枝和囊泡等（Wu et al.，2010a）。因此，多胺的调节是AMF改善植物适应盐渍土的机制之一。盐胁迫条件下植物体内可溶性糖的增加可以调节渗透势，接种AMF增加了植物体可溶性糖含量（Al-Garni，2006）。同时AMF还可以调控植物体内的甜菜碱、果聚糖和肌醇，且植物体内含氮化合物的量受植物种类影响较大（Garg et al.，2013）。AMF共生体还可以通过影响植物叶绿素的合成，提高宿主植物光合效率和气体交换，缓解盐胁迫对植物生长发育造成的不利影响。盐胁迫条件下，宿主植物对盐胁迫的生理生化反应较为复杂，这一方面有待进一步研究。

2.2.5 AMF对植物激素信号传导调控

激素是调控植物与AMF互作过程中的重要信号分子，随着科学技术的不断发展，特别是分子技术在菌根生物学中的应用，激素参与下的分子调控是AMF提高宿主植物耐盐性的一个新方向，但激素如何调控AMF共生的研究仍处于起步阶段。盐胁迫条件下，AMF通过改变内源脱落酸水平来诱导渗透调节蛋白的合成，提高了植物的抗逆性（Al-Garni，2006）。接种AMF可以改变植物体内脱落酸的含量（廖德华等，2016），但脱落酸来自宿主植物还是AMF目前还不清楚。Charpentier et al.（2014）对苜蓿（Medicago sativaL.）脱落酸信号传导中相关基因研究发现，脱落酸信号受体复合物中PP2AB1既能响应外源脱落酸信号也能响应 AMF共生信号，强化接种AMF有利于该基因的表达。AMF可以显著提高宿主植物根系生长素的含量。Etemad et al.（2014）研究生长素类似物对番茄（Lycopersicon esculentumMill.）、苜蓿（Lotus corniculatusL.）和水稻（Oryza sativaL.）影响发现，生长素提高了 AMF侵染率和丛枝形成丰度，同时也发现生长素影响基因在形成丛枝的细胞中大量表达，这也说明 AMF对植物根系的侵入能够诱导生长素在被侵入细胞中的积累。植物根系分泌的独角金内酯化合物也是一种重要的激素，对 AMF的生长发育至关重要，独角金内酯化合物刺激 AMF孢子萌发和强烈分枝，提高菌丝体对宿主植物的侵染（侯时季等，2016）。独角金内酯的生物合成受到AMF和根瘤共生信号途径中的两个转录因子NSP1和 NSP2 调控（Delaux et al.，2013；Kaló et al.，2005）。AMF不但能够调控脱落酸、生长素和独角金内酯，接种 AMF还可以对植物体赤霉素、茉莉酸和水杨酸等进行调控，目前涉及该方面的研究较多。

2.2.6 抗氧化防御系统调控

盐胁迫条件下，接种AMF可以提高宿主植物抗氧化酶的活性，缓解盐害。Evelin et al.（2014）研究根内球囊霉(Glomus intraradices)对胡芦巴(Trigonella foenumgraecum)抗氧化酶活性和抗氧化分子浓度，宿主植物 SOD活性的提高改善植物的抗氧化防御系统，加速了 O2-·到 H2O2的歧化，并通过提高CAT、APX和POD的活性防止H2O2积聚。但AMF提高宿主植物抗氧化酶活性的能力受到菌种、植物种类的影响，营养元素也是影响酶活性的限制性因子，接种AMF缓解了H2O2对宿主植物的伤害（梁雪飞等，2018），也有研究表明几种抗氧化酶的菌根诱导的活性可能与植物中P或N的增长和获取有关（Aghababaei et al.，2015），但其机制有待深入研究。

2.3 AMF在滨海盐碱地治理中应用潜力

2.3.1 促进植物生长

AMF在促进宿主植物生长方面，国内外已经取得了广泛共识，大量的研究表明，AMF促进盐胁迫条件下玉米（Selvakumar et al.，2017）、小麦（Talaat et al.，2014）、西红柿（Khaloufi et al.，2017）和柑橘（Wu et al.，2010b）等的生长。AMF促进植物生长的核心因素是促进宿主植物对土壤水分和矿质养分吸收。中国在AMF研究方面起步较晚，经过 20多年的快速发展，国内众多成果也证实了AMF的这一特性。韩冰等（2012）研究AMF对盐胁迫下黄瓜植株生长的影响，发现接种AMF可使黄瓜地上和地下干重分别提高18.4%和13.8%，且提高了黄瓜果实产量和品质。冯固等（2000）研究盐胁迫下AMF对玉米水分和养分状况的影响，发现无论是否接菌，盐胁迫下玉米生物量都会受到影响，不接种处理的减少幅度比接种处理的高出10%，接种 AMF提高了玉米根系对土壤矿质盐分和水分的吸收。AMF对土壤中盐浓度有一定的耐受限度，但盐水平增加到一定值时，AMF侵染率下降，生长量也呈递减趋势（Wu et al.，2010b）。对于滨海盐碱地生态环境治理来说，AMF和宿主植物共生关系受土壤含盐量、植物类型和土壤类型等因素的影响，因此，AMF菌源最好选择本地种。自然界中AMF种类繁多，只有部分菌种对植物或土壤的生产有益，这给菌种的筛选带来了一定难度。AMF是专性共生菌，不能离体培养，AMF在接菌过程中供试基质需要灭菌，加之菌种接种剂量较大，规模化生产过程中费用较高，目前很难大面积推广。

2.3.2 提高土壤微生物活性

微生物是土壤中最活跃的部分，土壤有机物的分解、腐殖质的形成和养分转化等都和微生物息息相关，其推动了生态系统的物质循环和能量流动。土壤微生物的种类、数量、生态分布及活性在很大程度上可以反映土壤肥力的状况与变化。研究表明，土壤中丛枝菌根多样性受到宿主植物种类、施肥和盐胁迫等外界环境变化的影响（林先贵等，2017；贺学礼等，2018；杨海霞等，2015）。接种AMF对土壤中其他微生物影响较为复杂，两者之间可相互促进，也可相互抑制或互不影响（Zhang et al.，2014）。逆境条件下，接种AMF有助于提高土壤中微生物的量，同时也提高了土壤中相关酶的活性（Li et al.，2015）。龚娜等（2013）研究不同AMF对蓝莓根际土壤微生物数量的影响时发现，接种AMF显著提高了土壤微生物多样性指数，其变化趋势与土壤微生物数量的变化趋势不一致。盐胁迫条件，AMF和其他功能性微生物实现互作，两者协同更有利于宿主植物的生长和根际微环境的改善，实现了生态效益的最大化（Zhang et al.，2011）。探索盐碱地中AMF和土壤微生物的互作机制是当前的一个研究热点，利用土壤微生物提高菌根的促生作用，这将有利于滨海盐碱地的复垦和生态重建。

2.3.3 改善土壤肥力和结构

AMF分泌的球囊霉素相关蛋白是当前研究的一个热点之一。土地利用方式、施肥条件、AMF及宿主类型、外界环境条件等均会影响土壤中球囊霉素相关蛋白（Glomalin-related soil protein，GRSP）的含量及分布。球囊霉素相关蛋白具有重要的生态学功能（王建等，2016；仲召亮等，2015）：一是球囊霉素相关蛋白可以保护菌丝免受其他微生物伤害，在干旱和极端潮湿条件下，球囊霉素在菌丝周围形成保护层，从而防止养分和水分的流失，促进菌丝生长（谢小林等，2013）。二是球囊霉素是土壤一个重要碳库，Lovelock et al.（2004）发现在0－10 cm表层土壤中，球囊霉素平均含量约为3.94 mg·cm-3，占土壤总有机碳的 3.2%，贫瘠土壤中球囊霉素的含量通常较肥沃土壤高。三是球囊霉素增加了土壤团聚体的稳定性，改善了土壤质量（钟思远等，2017）。盐胁迫影响土壤中球囊霉素相关蛋白的含量，但不同的学者研究结果不尽相同。Kumar et al.（2010）研究盐胁迫对麻风树(Jatropha carcas)幼苗生长的影响时发现，土壤中球囊霉素相关蛋白的含量随着土壤含盐量的增加而呈降低趋势，土壤高盐抑制球囊霉素相关蛋白降低是造成土壤不良结构的一个潜在原因，并降低了宿主植物的抗旱性。Hammer et al.（2011）对5种盐胁迫土壤中球囊霉素相关蛋白的进行分析，发现随着土壤盐浓度的增加，土壤中球囊霉素相关蛋白呈先升高后下降趋势。基于球囊霉素相关蛋白的生态功能，其在滨海盐碱地生态治理中具有广泛的应用前景。

3 展望

和其他类型的盐碱地相比，滨海盐碱地具有积盐和脱盐的反复性特征，且含盐类型为大量的Na+、Cl-，这加大了治理难度。植被恢复是滨海盐碱地治理的核心，通过提高地表植被的覆盖度来控制土壤返盐现象，这不但节约了治理成本，而且提高了滨海土地复垦成功率，从而更易建设可持续发展的滨海生态环境。AMF和宿主植物特殊的共生关系提高了滨海盐碱地植物的定植率，优选耐盐性植物，并将二者有机结合这将有助于滨海盐碱地复垦和生态修复。但是，AMF不能纯培养，必须依赖宿主植物，这也是AMF不能大面积推广的限制性因素。随着对AMF研究的不断深入，AMF在煤矿区的采煤沉陷地复垦中已被大面积推广应用，并取得较好的生态效应。和西部采煤沉陷地治理难度相比，滨海盐碱地治理难度相对较小。因此，可以借助于AMF在西部矿区的推广应用模式，将此应用到滨海盐碱地治理中。

AMF在提高宿主植物耐盐性方面已取得一定的结论性成果，基于滨海盐碱地盐胁迫的持续性，AMF滨海盐碱地改良方面有待进一步深入研究，且主要集中在以下几个方面，（1）植物根际微生物较为复杂，强化接种AMF是否对宿主植物根际土著微生物产生的影响，以及AMF和其他微生物之间的互作效应如何还需进一步研究。（2）滨海盐碱地的改良是AMF-宿主植物互作的结果，根系分泌物和土壤酶是实现土壤改良的核心因素，对接种AMF对宿主植物根系分泌物的作用类型和作用机制探索有待深入。（3）摸清AMF提高宿主植物的耐盐机制最终还需借助分子生物学方法，宿主植物对土壤盐胁迫研究目前还局限在少数基因上，且特异基因的表达还未知，因此在分子水平上研究有待强化。（4）AMF种类较多，其和宿主植物的共生关系受到盐浓度、植物类型和土壤类型等因素的制约，在AMF推广利用方面需筛选高效和适应性强的本地菌株。

4 结论

对于滨海盐碱地退化土壤而言，AMF提高了滨海植物的耐盐性，促进了植物的生长发育和改善了土壤的微生态环境。AMF广泛存在于滨海土壤生态系统中，且能和大部分陆生植物形成共生关系。因此，在滨海盐碱地中筛选AMF本地菌株及其宿主植物，探索AMF菌剂规模化生产方法，这将为滨海盐碱地土壤的改良和培肥提供重要的技术支撑。