菌根真菌与植物根部微生态系统中不同真菌相互作用研究进展

吴佳育，胡 伟，杨智宇，杨洪一，3，李丽丽

（1. 东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 黑龙江省林业科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；3. 黑龙江省酶与类酶工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

在漫长的生物进化过程中，自然界中的生物体建立了复杂的体内、体外相互作用网络，以利于生物的生存及物种稳定性的保持。自然界中大部分植物根部都有菌根真菌定殖，菌根真菌可与宿主形成互利共生的关系，一些植物没有菌根真菌定殖甚至无法生存。早期研究主要集中于菌根真菌与植物之间的共生互作，近年来菌根真菌与植物根部微生态系统中其他真菌之间的相互作用也逐渐受到关注。在真菌相互作用的研究中，人们较多关注真菌间的拮抗作用，如运用菌根真菌来抑制植物病原真菌，真菌间的互惠共生关系受研究手段限制，相关研究偏少[1]。已有研究表明，菌根真菌同植物根际土壤真菌间互作利于植物矿质元素的吸收及植物生长发育[2]，但其互作机制尚不明晰。因此，对菌根真菌与植物根部微生态系统中不同真菌间的相互作用进行综述，以期基于分子生态学视角揭示互作机制，进而调控真菌间的互作，维持植物根际微生态系统的稳定性，促进植物生长发育及农业可持续发展。

1 菌根真菌简介

菌根是真菌与植物根的共生体。根据菌根形态学及解剖学特征，可将菌根分为3 类：外生菌根（Ectomycorrhiza，ECM）、内生菌根（Endomycorrhiza）和内外生菌根（Ectoendomycorrhiza）。上述3 类菌根中的真菌还可细化为多种类型。目前，国内外的研究主要集中于丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）[3‑7]上。AMF 可与大多数植物形成菌根共生体[8]。此外，也有一些关于专性共生菌根真菌的研究，如杜鹃花类菌根真菌（Ericoid mycorrhizal fungi，EMF）可专性定殖于杜鹃花科植物毛根中[9]。

较多菌根真菌无腐生能力或腐生能力较弱，其生命周期的大部分阶段与植物形成菌根共生体存在，与寄主植物的生长发育密切相关[10]。现有研究表明，菌根真菌能够提高植物的抗逆性[11‑13]，如抗旱性、抗热性、耐涝性、抗盐性、抗病性、耐寒性、耐酸性、耐虫性等。菌根真菌在分解有毒物质、修复退化生境中的应用也较普遍[14]。

在传统农业中，人们注重化肥、农药的施入，却忽视了菌根真菌等有益微生物的生物学作用。在未来可持续农业生态系统中，菌根真菌生物学功能具有巨大的应用空间。大量研究显示，菌根真菌对农作物、园艺植物、药用植物的生产具有十分重要的 作 用[3‑7，13‑18]。在 药 用 植 物 方 面，可 通 过 接 种 菌 根真菌调控药用植物生长，增加药用物质含量，提高药材品质。其中，在药用植物次生代谢方面，黎海灵等[19]研究发现，接种混合AMF 菌剂可诱导滇重楼次生代谢产物的变化。

菌根真菌不但与植物发生复杂的相互作用，与植物根部微生态系统中其他真菌间也存在复杂的相互作用，并影响植物的生长发育。植物病原真菌会与菌根真菌竞争寄主植物的光合产物及定殖位点，从而导致菌根真菌定殖率下降[20]。有研究表明，当ECM 真菌丰度较低时，腐生真菌在高磷酸酶活性位点的定殖能力比ECM 真菌强，而土壤中的无机磷酸盐主要被腐生真菌吸收，从而影响林木的磷素吸收[21]。因而，解析菌根真菌的生物学功能，开展菌根真菌与植物及其他微生物之间互作机制的研究刻不容缓。

2 菌根真菌与植物内生真菌的相互作用

植物内生真菌是生活于健康植物各种组织和器官的细胞间隙或细胞内的真菌[22]。内生真菌可以单独或与其他微生物菌群共同定殖于植物体内[23]。内生真菌的定殖有助于提高植物的生物量及叶绿素含量，还可提高其抗氧化酶活性，增强植物的抗逆性[24]。菌根真菌和内生真菌常共存于植物根部，影响植物的生长发育。菌根真菌与内生真菌互作是国内外菌根学研究中最活跃、最具应用前景的领域之一。菌根真菌、内生真菌与植物的双重共生会更加真实地反映植物的微生态系统，因此，探究植物如何与不同真菌建立共生体并从中找到平衡点具有重要的应用价值[25]。

内生真菌和AMF可发生复杂的相互作用，影响寄主植物的生长发育[26]。大量研究表明，AMF 与内生真菌同时存在时，可显著提高植物的生长参数[27‑30]。如共同接种AMF 及禾草内生真菌，可显著降低黑麦草叶斑病的发病率[28]；对盐胁迫处理下黑麦草的研究结果表明，黑麦草内生真菌与AM 真菌在不同盐分处理下均对黑麦草的生长有一定的促进作用，且两菌的协同作用比较明显[29]；CHARLOTTE 等[30]在黑麦草中单独接种AMF 后，其生物量和地上部Na、P、K、Mg 含量与未接种对照相比均显著增加，单独接种内生真菌增加了黑麦草地上部Na 含量，而双重接种AMF 和内生真菌显著降低了黑麦草地上部Cd含量。

LARIMER 等[31]基于Meta 分析认为，AMF 和内生真菌是否产生协同作用取决于植物和内生真菌之间的关系。内生真菌感染对宿主不利时，AMF 可缓解其不利影响，协同作用就会发生；内生真菌对宿主有利时，其可能会抑制AMF 的作用[32]。LIU等[33]的研究结果表明，AMF 与禾草内生真菌互作与植物的磷供给以及可溶性碳水化合物含量均有关，推测AMF-植物-内生真菌三重互作体系可能由共生向寄生转换，且转换过程与养分、寄主及真菌种类相关。

深色有隔内生真菌（Dark septate endophyte，DSE）是研究最广泛的内生真菌之一，为植物内生真菌的主要类群[34]。DSE广泛地存在于健康植物根的表皮、皮层甚至维管束组织的细胞内或细胞间隙，能够在植物细胞内或细胞间隙形成微菌核，但不会在根组织内出现由病原菌所引起的病理学特征。DSE 在胁迫生态系统（如干旱、低温等）植物根系中定殖率较高[35]。当前，已在较多植物根中发现了DSE 和AMF 共存[36‑38]。不同根部微生态系统中菌根真菌和DSE 的定殖研究结果表明，DSE 可能与菌根真菌一样丰富[39]。NEWSHAM 等[40]的研究发现，DSE 在极地比菌根真菌更常见。BUENO DE MESQUITA 等[41]的研究表明，在氮磷含量较低的低海拔地区，AMF 定殖率较高；在有机氮含量较高的地区，DSE 定殖率较高，推测DSE 在有机氮矿化中具有重要作用。DSE 能提高植物形成丛枝菌根的比例，并促进新根的发生，进而促进植物对氮的吸收[42]。在高纬度、高海拔、高寒环境下，有机质矿化慢，DSE 的促生作用更明显[43]。也有报道表明，DSE对植物无促生作用或产生不利影响，这可能与养分、菌株或植物种类有关[43‑44]。此外，试验条件下灭菌基质中缺少其他真菌的竞争，因而易造成DSE 过度增殖，对植物产生不利影响。一些研究认为，DSE可能具有类似菌根真菌的功能[45]，作为菌根真菌的备份体系，在特定条件下发挥菌根真菌的功能。在山毛榉林中，低pH 值条件下，AMF 可能会被DSE 和内生真菌替代[46]。LUGO等[38]的研究表明，丛枝结构与DSE 定殖呈正相关关系。此外，也有报道表明，AMF 与DSE 定殖呈负相关关系[47]。这可能是AMF与DSE 竞争碳源、定殖位点，或其产生的可溶性、挥发性次级代谢产物影响了其他真菌的定殖所致。内生真菌产生代谢产物并分泌到土壤中，影响AMF的定殖，甚至内生真菌菌丝体死亡后，其在土壤中残存的代谢产物仍会影响AMF的定殖[48]。

研究表明，DSE 也可与EMF 共定殖于杜鹃花科植物毛根中[49‑50]。GORZELAK 等[51]的研究表明，随海拔升高，越橘毛根可培养真菌优势种由DSE 向EMF 转变。VOHNÍK 等[52]报道了DSE 和EMF 共定殖于杜鹃毛根中，二者呈负相关关系，并推测与纬度、海拔相关，且二者可能存在功能上的互补。已有的研究主要聚焦于DSE与EMF在不同环境、不同植物种类中的分布，关于二者共定殖的生物学功能则鲜有报道。VOHNÍK 等[53]首次报道了DSE、EMF对杜鹃营养吸收及生长的影响，认为DSE、EMF 对杜鹃的促生作用与菌株种类有关。DSE 和EMF 定殖率较低，推测其主要功能是矿化有机N、P，利于植物吸收，而非其直接吸收养分。YANG 等[54]的研究结果也表明，不同地域越橘毛根中EMF与DSE的定殖呈负相关关系，且高通量测序结果中EMF、DSE所对应的Read之间也呈负相关关系。

在杜鹃花科植物根部微生态系统中，DSE、EMF可共定殖于杜鹃花科植物毛根中，但不同组织中的丰度可能不同。杜鹃花科植物根尖区域为未分化细胞的聚集体，DSE 可在根尖内定殖。由于缺乏表皮细胞，EMF 不能在杜鹃花科植物根尖区域定殖。在成熟根中，EMF 可能为优势菌[54]。DSE 也能定殖于成熟根，并侵入不同组织。植物可能通过一些特定策略，如通过次级代谢产物、养分等来调控EMF与DSE 的平衡。在成熟根中，表皮层消失，皮层细胞膨大成为根的最外层，DSE 可定殖于此区域，吸收衰老细胞养分并转运给其他细胞[54]。DSE可能是EMF的备份系统，在一些极端环境条件下当EMF无法定殖或发挥功能时，DSE 则大量定殖并发挥分解、吸收养分及抗逆等功能。EMF 与DSE 共定殖于杜鹃花科植物毛根可能对植物的生长是有利的[2]。总体来看，DSE 在杜鹃花科植物毛根中的生态学功能尚不确切，关于DSE 与EMF 的互作机制也未见报道。

3 菌根真菌与植物病原真菌的相互作用

化学防治在植物病害防治中的应用日趋受限，菌根真菌作为可能的生物防治措施引起了人们的密切关注。菌根真菌可与植物病原真菌产生复杂的相互作用，影响病原真菌定殖，提高植物对病原真菌的抗性[55]。菌根真菌的作用机制主要有以下几点[56‑58]：菌根真菌在植物根外部形成菌丝屏障，在植物根内部诱导根系形态改变，增加机械强度，阻止病原物的侵入；菌根真菌与病原真菌竞争侵染位点、养分和空间，限制了病原真菌侵染植物组织，从而减弱病原真菌的致病能力，增强根部对病原真菌的耐病性；一些菌根真菌具有重寄生作用，可直接破坏病原真菌菌丝体结构，影响病原菌的正常生理代谢活动；菌根真菌能够改变植物根围的微生物区系，增强具有拮抗病原菌作用的根际微生物的活性，间接抵抗病原真菌的侵染；菌根真菌能够诱导植物合成保护酶，激活寄主的防御机制，进而增强植物的抗病性。此外，已有的研究表明，菌根真菌在植物间可形成菌丝桥，并可在植物受到病原菌侵袭时传递抗病信号，从而增强植物对病原菌的防御[59]。

菌根真菌与病原真菌之间的关系较复杂，并随环境等相关因子的变化而变化。菌根真菌与病原真菌之间的关系可概括为无效应、正效应以及负效应3 种[60]：菌根真菌与病原真菌之间互不影响即为无效应；菌根真菌对病原真菌具有拮抗作用，促使植物抗病性的提高即为正效应；菌根真菌增加了植物对病原真菌的敏感性，加重植物病害即为负效应[61‑64]。

植物根腐病、黄萎病、溃疡病、纹枯病等病害的病原均为真菌。目前，人们已对黄瓜[60]、小麦[63]、香蕉[65]、棉花[66]、青杨[67]等不同种类植物菌根真菌-病原真菌的相互作用进行了研究，发现多数情况下菌根真菌能够起到抵御病原真菌侵染、减轻病害的作用，但AMF 对胡椒病原真菌的防治效果不佳[68]。一些研究也表明，病原真菌侵入后降低了菌根真菌的侵染率[66]。总体来看，菌根真菌的抑菌效应往往受植物种类及品种、病原菌生理小种、环境等多重因子的共同影响[69]。

4 菌根真菌与植物根际土壤真菌的相互作用

土壤被称为微生物大本营，土壤中微生物种类繁多，影响植物根际微环境，研究土壤真菌与菌根真菌间的相互作用具有重要生产实践意义。菌根真菌可提高根际微生物的多样性，并使根际微环境趋于稳定[70‑71]。TORRES等[72]的研究发现，接种AMF后，葡萄园土壤中子囊菌和接合菌的相对丰度增加，子囊菌可参与有机质的分解，接合菌可抑制土壤中的植物病原体，因而接种AMF可能有利于控制或减轻葡萄病害。

菌根真菌可通过调节根际微生物群落结构来影响植物，同时根际土壤真菌又可影响菌根真菌的定殖。 FRACCHIA 等[73]研究了土壤酵母（Rhodotorula mucilaginosaLBA）对AMF 的影响后发现，土壤酵母的分泌物促进了AMF 菌丝生长，菌丝长度随土壤酵母分泌物的增多而增长。向豆科植物接种土壤酵母后再接种AMF，可显著提高AMF的定殖率。宰学明等[74]利用摩西球囊霉（Glomus mosseae）、毛霉（Mortierellasp.）分别单接种、混合接种槟梅后发现，接种的3 种菌剂均可增强低磷环境下槟梅对磷素的吸收，同时促进了插条生根以及植株生长；混合接种时，AMF 侵染率最高，且对植株的促生效应最显著。

近年来，人们对土壤中广泛存在的木霉菌与菌根真菌接种组合进行了广泛研究。在温室条件下，联合接种AMF 和生防真菌绿色木霉（Trichoderma viride）可以改善洋葱的生长参数（植株鲜质量、植株干质量、根长、茎长、叶面积），增加总叶绿素、类胡萝卜素和叶中总色素含量；接种绿色木霉提高了AMF 的 定 殖 率[75]。 哈 茨 木 霉（Trichoderma harzianum）有利于AMF 侵入非寄主的十字花科植物根部，并提高植物的生产力。POVEDA 等[76]的研究表明，双接种哈茨木霉T34 及AMF 显著提高了拟南芥和油菜的产量，而单接种AMF植物的角果产量较低。总体来看，一些木霉菌株可促进AMF 的定殖，菌根真菌与木霉菌联合接种能充分发挥二者的生防作用[77‑79]，降低植物的发病率。

然而，自然条件下植物根际土壤微环境复杂多样，如何在不同环境条件下利用不同菌种/菌株来促进菌根真菌的定殖，并较大程度发挥促生作用，尚需进一步研究。

5 展望

综上所述，近年来国内外关于菌根真菌与植物根部微生态系统中不同真菌之间相互作用的报道较多，研究主要是围绕着养分转换、病害防控、真菌互作对植物的影响等方面展开的。菌根真菌与土壤真菌、内生真菌共存于植物根部微生态系统中，可能是在环境压力下植物与微生物共进化过程中的优化选择，这种共存模式对植物的生长是有利的。总体来看，不同真菌在植物根部微生态系统中的生态学功能尚不确切，对于真菌之间如何相互作用、如何被宿主植物遗传学和环境条件等因素改变、对生态系统的具体影响等尚不清楚。在互作过程中，不同真菌之间吸收的养分是否可互相利用、是否具有协同增效作用、是否存在着分子对话（Cross talk）、如何对话等问题也亟需探明。此外，已有的双接种研究多数是基于特定菌种/菌株进行的互作分析，混合多菌种/菌株的接种较少。事实上，自然条件下是不同类别真菌间的多重互作、多菌种/菌株共同对植物生长发育及生理状态产生影响。

基于此，有必要基于分子生态学视角，在以下方面开展系统研究：（1）菌根真菌与植物根部微生态系统中不同真菌之间的互作关系解析。结合代谢产物分析、分泌蛋白质组学等技术，分析特定代谢产物产生机制及功能；基于宏转录组学技术解析植物与真菌、真菌与真菌间基因互作网络，了解不同环境条件下不同真菌相互作用关系及其对植物生长发育的影响。（2）菌根真菌及植物根部微生态系统中不同有益微生物的应用研究。大规模筛选具有促生效应、生防作用的优良菌种/菌株及组合，重点关注真菌定殖后的稳定性及接种的长期效应。并以此为基础，制备包含菌根真菌、内生真菌及其他根际益生菌的复合生物菌剂，以期促进植物生长，增加抗逆性，减少化学药剂的使用。