菌根真菌及菌根辅助细菌对农作物发育的影响研究进展

孙 歌，接伟光，胡 崴，张颖智，乔 巍，魏丽娜，姜怡彤，白 莉

（黑龙江东方学院食品工程学院，哈尔滨 150066）

0 引言

菌根真菌(Mycorrhizal fungi)是指一种可以侵染植物根系形成菌根的真菌[1]。近年来，关于菌根真菌与植物间共生关系的研究较多，植物与菌根真菌间的动态相互作用可以促进植物从土壤中对矿物质的有效吸收，并对各种环境胁迫（生物和非生物）提供保护[2]，但有研究发现这一现象与研究较少的菌根辅助细菌（Mycorrhizal helper bacteria，简称MHB）同样密切相关[3]。MHB是一类能够与菌根真菌特异性结合，促进菌根真菌对宿主的侵染及促进植物生长发育的特殊根际促生细菌[4]。研究表明，MHB在通过触发植物生长因子促进菌根共生的同时，还可以促进根真菌的孢子萌发、根系定殖、代谢多样性和土传疾病的生物防治[5]。菌根真菌与MHB共同作用时可以促进植物生长、降低土传疾病的发生以及提高土壤中养分的有效性和植物的吸收率[6-7]。然而，目前国内外关于菌根真菌及MHB间的协同作用对农作物所产生的影响研究仍有不足。

本文对国内外菌根真菌及菌根辅助细菌间协同作用的研究成果进行了概述，并将其协同作用对农作物生长发育的影响进行梳理归纳，旨在阐述二者间协同作用的机制对农作物促生及抗逆性情况、土壤理化性质及土壤中微生物多样性的影响等方面，为进一步制备复合生物菌剂、健康绿色地提高农作物产量、修复受损土壤及降低农药残留等问题提供理论参考，并分析了该领域今后研究的主要方向。

1 菌根真菌及菌根辅助细菌

1.1 菌根真菌

菌根是指真菌与植物根系形成的互惠共生体，根据形态结构不同，菌根分为丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza)、外生菌根(ectomycorrhiza)、内外生菌根(ectendomycorrhiza)、兰科菌根(orchid mycorrhiza)、浆果鹃类菌根(arbutoid mycorrhiza)、水晶兰类菌根(monotropoid mycorrhiza)和欧石楠类菌根(ericoid mycorrhiza)七种类型，其中丛枝菌根、外生菌根、兰科菌根和欧石楠类菌根是较为常见的4种类型[8]。能够侵染植物根系形成菌根的真菌叫做菌根真菌。菌根真菌在5亿年前就已经和陆生植物形成相互有利、互为条件的生理整体，并各有形态特征的共生体。共生的核心是植物固碳与真菌获得的养分的双向交换。菌根真菌菌丝体既可以在土壤内部和表层直接或间接地与其他有益生物进行相互作用，并且在土壤生态系统内参与养分转化吸收、循环利用过程[9]；在维持大气成分平衡、调节生态系统、增加生物多样性、稳定和保持生态系统可持续生产力等方面发挥作用[10]，又可以通过与寄主植物根系结合，提高植物对养分及水分的吸收，抗盐抗病能力，释放植物激素及酶类促进植物生长[11]。

1.2 菌根辅助细菌

Garbaye[4]通过对菌根内细菌的分离、鉴定及共生作用的分析，首次提出了MHB的概念。MHB通过根系对真菌的感受性、根际土壤的改良和真菌繁殖体萌发等方式作用于菌根。目前，在外生菌根的研究中，MHB可通过产生生长因子、解毒拮抗物质、抑制竞争对手，来促进孢子萌发和菌丝生长。菌丝生长变化代表了MHB对真菌的适应性优势以及真菌与寄主植物密切的联系[12]。MHB可以提高外生菌根真菌对植物幼苗的侵染率，增强其定殖状况，进而促进植物生长[13-14]。MHB分两类：第一类是通过产生分解孢子壁的酶类、以及其他挥发性物质如萜类化合物等，进而促进孢子的萌发及形成细菌[15]；第二类则是通过改变了菌根真菌对无机盐的吸收影响孢子萌发，建立共生系统[16-17]。目前，已经分离鉴定的MHB主要包括农杆菌属(Agrobacterium)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、类芽孢杆菌属(Paenibacilus)以及放线菌链霉菌属(Streptomyces)等[18]。

2 菌根真菌与MHB协同作用对农作物生长发育的影响

2.1 对农作物的促生作用的影响

菌根真菌与MHB的接触是产生协同作用的必要条件，而且菌根真菌及MHB之间的相互作用是特定的，植物根系及根际微生物的存在会影响其协同作用[19-21]。MHB主要通过以下两种方式促进菌根真菌侵染及菌丝生长，增强对植物根部的定殖状况，从而对植物起到促生作用[22-23]。

（1）MHB直接促进菌根真菌侵染及菌丝生长，增强对植物根部的定殖状况。MHB能促进羟脯氨酸等酚类化合物的产生，增强真菌共生体的侵袭性。Elisa等[24]发现荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)可以促进AMF在番茄植株根部进行定殖，且接种荧光假单胞菌后，显著增加植物叶片磷含量及植物矿质营养，对番茄植株生长起到促进作用。Xie等[25]研究中发现，淀粉液化杆菌(Liquefaciens starch)也可促进AMF在植物中定殖，且接种淀粉液化杆菌后，较好地提升了白花苜蓿和野豌豆的质量和光合效率。此外，蒙氏假单胞菌(Pseudomonas monteiliiHR13)能够促进彩色豆马勃(Pisolithussp.)菌丝的径向生长，增强外生菌根真菌侵染率，更好地保障了其在金合欢根部定殖的促进效果，从而使其对金合欢的生长发育产生积极影响[26]。由此可见，MHB通过提高菌根真菌侵染率及定殖情况，对植物生长发育产生积极影响。

（2）MHB作为媒介促进菌根真菌菌丝生长，增强对植物根部的定殖状况。MHB会向真菌孢子中注入分子、细菌产生挥发物以及真菌细胞壁的降解，从而促进菌丝生长，增强其在植物根部的定殖状况[27]。蜂房类芽孢杆菌(Bacdllus aiaei)可以通过较强的几丁质酶合成能力将环境中的纤维素降解为N-乙酰葡萄糖氨，促进菌根定殖。此外，Shinde[28]发现荧光假单胞菌SBW25与双色蜡蘑(Laccaria bicolor)的协同作用促进了杨树根的菌根化，并且可以抑制杨树根的抗真菌防御反应，提高了双色蜡蘑与杨树根形成外生菌根互作的能力。此外，还发现花粉识别传感器整合多种环境信号来下调花粉化相关基因簇，与整合来自根际的信息下调根中抗真菌防御反应基因相类似，而且植物根部对MHB活性的潜在分子机制是与花粉识别传感器同源的蛋白质。由此可见，花粉识别传感器适合作为根中抗真菌防御反应基因的预测机制。此外，荧光假单胞菌与长柄蜡蘑(Laccaria trichodermophora)间的协同作用使得蒙松的菌根率高达93.5% ～98.5%，且表现出较高的生物量积累和钾含量[29]。由此可见，MHB可以降解环境中部分物质、代谢具有抑菌作用产物及提高根际微生物活性等多方面促进菌丝生长增强定殖状况，丰富植物土壤微生物多样性，对植物生长发育产生积极影响。

2.2 对农作物抗病抗逆性的影响

菌根真菌与MHB的协同作用不仅可以提高菌根真菌的侵染率及定殖状况，而且可以在协同过程中MHB会代谢出具有抗菌作用的代谢产物，对植物土传病原菌进行防治，在促进菌根真菌侵染的同时，降低植物患病的危险性[30]。此外，菌根真菌也可作为杀菌剂作用在植物根部，增强对病原真菌的抗性，降低病害。根内根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)可作为杀菌剂抑制尖刀镰孢菌的生长，降低黄萎病的危害，并增强对该病原真菌的抗性[31]。蜂房类芽孢杆菌通过代谢会产生具有抑菌作用的毒性蛋白质、抗菌肽，抑制土壤中其它病原微生物的生长，这两种方式均利于美味牛肝菌(Boletus edulis)生长及菌根合成，显著提高了黑松松苗生物量[32]。此外，荧光假单胞菌在与外生菌根真菌双色蜡蘑共同作用期间，会产生间苯三酚、奋乃嗪、吡咯啉和吡罗氮等抗菌代谢物，这几种代谢产物对植物土传病原菌都有防治作用，可以抑制根病原真菌生长[33-35]，促进植株生长发育，提高植物抗病性。侯亮亮等[36]研究发现MHB的代谢产物中有抑制菌根际周边病原菌的活性成分，对由丝核菌(Rhizoctonia)引起的黑松猝倒病有显著的抑制作用。不仅如此，既接种AMF又接种蒙特利假单胞菌(Pseudomonas Monterey)的毛喉鞘蕊花在为期2年的大田试验条件下，大幅度降低根腐病和枯萎病的发生率，提高作物产量，促进植株生长[37]。Reis等[38]研究发现外生菌根真菌红菇菌(Russulasp.)与伯克霍尔德菌(Burkholderia)，二者间协同作用对干旱环境中的具有重要的可持续作用，对于气候变化的恢复能力发挥重要作用。由此可见，菌根真菌及MHB在协同作用代谢的抗菌代谢物，可以显著降低土传病原菌的侵害，提高作物产量，增强作物抗病性，促进作物生长发育而且可以通过提高植株抗逆性，增加植株生物量。

3 菌根真菌及MHB对土壤性质的影响

土壤质量是指土壤在一定生态系统内支持生物的生产能力，净化环境能力，促进动植物及人类健康的能力。土壤质量是由多种化学、物理和生物因素及其相互作用决定的[39-40]。微生物活动有助于植物适应性和土壤质量，对可持续农业发展和生态系统功能的关键问题有所帮助[41]。MHB与菌根真菌间的协同作用通过促进菌丝生长，增强定殖情况改良根际土壤[42]。

在引起炭腐病的壳球孢菌(Macrophomia phaseolina)以及砷(As)污染土壤的存在下[43]，AMF 通过菌根共生，显著增加大豆植株生物量，显著降低As在植物组织中的浓度，菌根化降低了As和病原菌的氧化损伤。MHB促进AMF菌丝生长，增强定殖状况，二者的协同作用会有效提高作物产量。接种柠檬色短小杆菌(Curtobacterium citreum)及AMF后发现，接种植株矿质营养较好，且土壤中Ca/Mg比值较高且金属元素迁移率较低，显著提高了莎草的干重，并证实这些差异与柠檬色短小杆菌促进菌根定殖呈正相关[27]。此外，AMF与伯克霍尔德菌二者共同作用时促进根定植或菌丝、孢子生长减少微塑料度土壤的污染[45]。屈庆秋[46]研究发现同一柴油浓度下，接种外生菌根真菌绒粘盖牛肝菌(Suillus tomentosus)及恶臭假单胞菌处理柴油降解效率显著高于单接种绒粘盖牛肝菌。土壤质量与农作物的种植息息相关，菌根真菌-MHB的协同作用不仅可以对受污染的土壤丛林进行修复，而且可以降低土壤污染带给农作物生长发育的损失、增长土壤的肥力、提高土地质量以及加大农作物吸收土壤中有益元素的效率，使土地中的营养最大程度的被农作物吸收。

4 菌根真菌及MHB对土壤微生物多样性的影响

微生物对温度、pH、渗透压和大气压等的适应范围极广，使得土壤中存在大量微生物。MHB与菌根真菌间的协同作用，在促进菌根真菌生长的同时，产生具有抗性的代谢产物，将土壤中有害微生物进行杀灭，提高有益微生物所占比例，丰富土壤中微生物多样性。丰富的土壤环境不仅提高土壤肥力，改善土壤质量，而且可以促进作物生长发育，提高产量[47]。在绿色屋顶的研究中，同时接种AMF及MHB后，较浅基质中的菌群生物量有增加的趋势，在含有更多碎混凝土的浅地和含有更多碎砖的深地中发现真菌生物量增加[48]。接种AMF及根管球囊菌(Coccidiosis of root canal)后土壤内微生物指标值有显著增加[49]。Sigrid等[50]研究结果表明，土壤微生物群落组成，受植物生长因子组成和非生物土壤性质的影响大于植物物种丰富度本身的影响。土壤中大部分的微生物对作物生长发育是有益的，它们对土壤的形成发育、物质循环和肥力演变等均有重大影响。由此可知，菌根真菌与MHB产生协同作用后，对土壤微生物的物种多样性及功能多样性有着积极的影响，可以更好地丰富土壤中微生物菌群的种类，提高土壤中微生物的数量[51]。

5 展望

近年来，人们对绿色种植、保护土壤环境、农作物安全及产量等问题越发注重，微生物菌肥这一新型绿色无污染的高效肥料愈发引起人们关注。大量研究表明，菌根真菌、菌根辅助细菌及农作物，三者之间形成了一个密集、活跃的细菌群落，MHB促进菌根真菌的发育和功能，提高菌根真菌对作物根系的侵染率，二者相辅相成、相互促进，对农作物的生长发育、抗病性、土壤质量及土壤微生物多样性具有积极的影响。然而，利用二者间协同作用所开展的研究及微生物菌肥的开发研究进展较缓慢的原因有以下几个问题：（1）由于菌根真菌及MHB的种类较多，所制备的微生物菌肥还未能够全面投入到农作物的种植过程中；（2）菌根真菌与MHB间协同作用过程中具体的信号通路、分子机制仍不清楚；（3）菌根真菌与MHB间协同作用对农作物生长发育是否有其他影响等许多问题也有待进一步探索。

目前，利用菌根真菌及MHB协同作用制作的微生物菌肥已经成为代替曾经化学肥料的重要途径。农作物的产量与人民生活息息相关，中国人口众多，在如今这样的工业化时代，中国大部分土壤都被滥用的化肥和农药所污染，而利用菌根真菌及MHB间协同作用的微生物菌肥，不仅可以在保护环境的前提下提高农作物的产量，改善土壤质量并且修复受损土壤，而且可以使微生物菌肥在农业生态系统中将发挥巨大的作用。关于菌根真菌及MHB间的协同作用、分子机制及基础应用方面都应进行更加深入的研究。