神秘的“菌根网络”

杨振艳 杨莲 杨石美 于富强 汪延良

在影视作品《阿凡达》中，潘多拉星球的居民通过潘多拉之花的地下根系网络与森林里的生物交流。这个情节并非无中生有，因为类似的生物网络已经在地球上存在了数亿年。它们隐藏于地下，被称为“菌根网络”（Mycorrhizal Network），或称为“木维网”（Wood-Wide Web）。

庞大的地下生物网络

“菌根（Mycorrhiza：myco意为‘真菌，rhiza意为‘根）”一词是德国生物学家和植物学家阿尔伯特·伯纳德·弗兰克（Albert Bernhard Frank）于1885年创造的，用来描述真菌寄生在植物根部形成的“伙伴关系”。

我们生活中常见的蘑菇其实是大型真菌的繁殖结构——子实体，而它的主体，也就是吸收营养和生长的部分，是隐藏于地下的菌丝体。真菌的菌丝体通过包裹或侵入植物根皮层细胞及其内部形成菌根。同一菌丝体在土壤里不断蔓延，可以和多个不同植物的根系形成菌根，同一植物也可以和多种菌丝体形成菌根。就这样，真菌在地下把不同的植物个体连接起来，建立起了庞大的菌根网络。

真菌为何要与植物形成这样巨大的生物网络呢？

隐秘的共生关系

与植物不同，真菌既沒有根、茎、叶的分化，也不含叶绿体，无法通过光合作用制造自己所需要的“食物”，它们只能依靠活的或已经死亡的动植物体为生——有些真菌通过分解已经死亡的动植物体，或其凋落物中的有机物质为生；有些真菌则寄生在活的动植物和其他真菌上，与对方形成共生关系，例如与藻类共生形成了地衣，与植物根系共生形成了菌根。

真菌通过菌根网络从植物那里获得光合作用产生的碳水化合物，作为回报，真菌则通过广布的菌丝体吸收大量的水分和矿物质还以植物，帮助植物生长发育，而且不同植物通过菌根网络还可以进行信息传递以及养分转移。真菌与植物相互帮助，共同繁衍生息。

 菌根网络示意图（供图/杨振艳）

真菌与植物的共生关系非常悠久，大概可以追溯到3.5亿～4.5亿年前，在植物从海洋“爬”上陆地实现华丽蜕变的过程中，这些能与植物形成菌根的真菌作出了不可磨灭的贡献，它们帮助植物在岩石基质或缝隙中定植，一路开疆辟土，形成了地球上茂密的森林。

如今，约90%以上陆生植物可与真菌形成菌根，这个让地球生机盎然的巨大网络到底藏着怎样的奥秘呢？

植物之间通过菌根网络传递信号的示意图（供图/ 杨振艳）

植物的“传话筒”

植物其实并不像它们看起来那样沉默，相反，它们能用自己的“语言”和其他伙伴进行信息交流与沟通。

番茄链格孢菌是一种可以让番茄枯萎的真菌，当第一株番茄植株受到番茄链格孢菌感染后，会释放出一种化学信号，然后通过菌根网络向周围其他的番茄植株传递信息，警示它们提前做好防范准备，同时激活它们的防御系统。几天后，当其他番茄植株也受到番茄链格孢菌侵染时便不会发生枯萎，或者枯萎不那么严重了。

“互帮互助”的树

在森林中，树木和真菌可以通过菌根网络进行物质交换，实现互利共赢，然而这只是菌根网络功能的冰山一角。当将树苗及与其共生的真菌移植到森林后，存活率高达80%，但若幼苗未和真菌一同移植，存活率会下降到46%，可见菌根网络的存在对于幼苗的存活至关重要。

这其中的秘密在于，真菌在帮助树木获取水分和矿物质的同时，还能将从大树那里获得的营养物质的一部分，传递给周围的树木幼苗和弱小的树木，帮助它们生长和发育，以促进整个森林生态系统的稳定和健康。

当然，树木之间的相互协作还不止这些，有些树木之间还存在一种相互喂养的有趣现象。例如花旗松幼苗和纸桦，它们可以通过菌根季节性地交换碳元素。夏季的时候，纸桦光合作用旺盛，为花旗松幼苗，尤其是为背阴幼苗提供碳元素，提高它们的存活率；而在春季和秋季，花旗松则在纸桦没有叶子的时候还以恩情。

还有一个更令人吃惊的例子，同一块栖息地内，当把花旗松幼苗的针叶全部拔掉后，这些伤痕累累的幼苗不仅会通过菌根网络向黄松传输某种逆境信号，以帮助黄松应对类似的伤害，而且还会向它们周围的黄松继续输送养料。

 花旗松枝条。花旗松是松科黄杉属的乔木，原产自美国太平洋沿岸，1947年被引入中国，喜温和湿润的气候环境。花旗松是世界上最有价值的重要用材树种之一

 纸桦，是一种适应性很强并且植株很高大的落叶乔木，年轻的树干和树枝酱色、光滑，树皮成熟后呈奶油色至白垩色，冬季树皮变成白色

尽管还不清楚花旗松的“无私奉献”到底是“有意”还是“不得已为之”（通过把碳元素和信号分配并发送到更健康更可靠的黄松里，真菌能够保护其自身的碳元素网络），仅就濒死之际把自己的资源无偿传递给不同种的黄松，这种“跨界”的行为本身，已经足够让我们惊叹。

黑客网络

一方面，菌根网络作为植物间的“快递通道”和“情报系统”，方便了植物间的物质信息交流；另一方面，又为一些别有用心、巧取豪夺的家伙提供了“作案”途径。像水晶兰、霉草等异养植物，因为自身无法合成营养物质，为了获得生存所需营养，它们便通过菌根网络从其他植物那里“偷取”营养物质。

 水晶兰

 霉草（绘图/魏欣）

更有甚者，一些“霸道”的植物，例如美国黑胡桃树和桉树，它们通过菌根网络释放化感信号（植物之间、植物与微生物之间的化学通信或信号传递），警告其他植物“离我远点”，从而独占更多的空间和营养。

当然，其他植物也不会“坐以待毙”，它们会自动脱离菌根网络或改接其他菌根网络，甚至直接拒绝参与菌根网络，例如山龙眼科、藜科、十字花科大部分种类、豆科和仙人掌科小部分种类就属于那10%的非菌根植物，不与任何真菌形成菌根结构。

虽然近期有研究者提出了非宿主植物也参与菌根网络调控的新观点，但是因为真菌与非宿主植物根系不形成菌根结构，那它们之间是通过什么形式进行合作和互动的呢？它们是如何进行物质交流的，又是怎样进行信号沟通的呢？诸多问题都还需要深入探索和研究。

庞大的菌根网络，将看似独立的植物个体紧密地联系在一起，物质与信息在其中流转。大自然是一个有机的整体，这种密切的联系无处不在，还有更多的奥秘等待着我们慢慢去学习和发现。

通過菌根网络相互警告的树木示意图（供图/ 杨振艳）