丛枝菌根真菌提高植物耐酸碱能力及改善土壤pH应用潜力

李佳齐，王晓慧，何鑫，宋福强

（1教育部农业微生物技术工程研究中心/黑龙江省寒区生态修复与资源利用重点实验室/黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080；2河北环境工程学院/河北省农业生态安全重点实验室，河北秦皇岛 066102）

0 引言

土壤酸碱度(pH)能够衡量土壤酸碱反应的强弱，也是影响植物生长的一个重要因素。当土壤pH 为弱酸性或中性时，土壤环境最适宜植物生长，植物生长最好[1]。20世纪50年代以来，中国人口急剧增加，对粮食的需求也随之增加[2]。然而中国部分耕地存在酸化和盐碱化问题，不适宜耕种。中国酸性土壤面积约占国土总面积的22.7%，主要分布在南方湿润地区，面积达2.18 亿hm2[3]，而中国盐碱地分布广泛，主要分布在北方干旱地区，面积近1 亿hm2[4]。土壤酸化主要是工业生产导致的酸雨以及氮肥的过量使用，而土壤盐碱化主要是干旱地区的地表径流和地下径流滞留排泄不畅，地下水位较高，盐分聚集。但无论是土壤酸化还是土壤盐碱化，都会对植物的生长、光合作用等生理作用和作物产量造成危害[5-7]。为了解决日益增长的人口与耕地减少、粮食减产的矛盾，亟需解决土壤酸化和盐碱化问题。

当前改善土壤酸化和盐碱化的方法大致分为物理、化学和生物方法。尽管物理、化学修复技术存在效果好、周期短的优势，但其费用高昂、易造成二次污染的缺点掣肘了物理和化学修复法的应用[8]。国内外科学家重点关注的是如何经济、环保地改善土壤pH至适宜植物生长的酸碱度，而生物修复技术可以满足这些需求。生物修复法主要以植物和微生物为材料，李建生等[9]研究发现，种植象草(Pennisetumpurpureum)和香茅(Moslachinensis)能够显著提高酸性矿山土壤的pH。宋协明等[10]研究发现，单叶蔓荆(Vitextrifolia)、砂引草(Messerschmidiasibirica)等7 种耐盐碱植物能够富集盐渍，对土壤具有脱盐作用，降低土壤盐浓度。然而单独使用植物修复技术对环境需求较为严格，修复周期较长，单独使用微生物修复技术需要受到污染物种类和浓度的限制[11-12]。菌根修复技术可以结合植物修复和微生物修复的优势，在改善土壤pH中发挥重要的作用。

丛枝菌根真菌(AMF)可与80%～90%的陆生植物形成共生关系，并能通过自己或通过影响植物和土壤微生物间接影响土壤pH[13]。这种能够促进植物生长、提高植物对恶劣环境耐受性并且能够改善植物周围环境的真菌，可以用作酸性土壤和碱性土壤的土壤调节剂改善土壤环境。鉴于AMF良好的应用前景，笔者系统的总结AMF 提高宿主植物耐酸碱能力，以及AMF对土壤pH 的改良及作用机制，以期为利用AMF 改善土壤pH和提高作物产量提供思路。

1 AMF能够提高宿主植物耐酸碱能力

1.1 AMF提高宿主植物的生物量以抵御酸碱胁迫

生物量是衡量植物生长情况的重要指标，土壤酸化或土壤盐碱化限制植物生长，AMF可以与宿主植物形成菌根共生体，提高植物生物量以提高宿主植物耐酸碱能力。过量铝富集会导致土壤呈酸性，不利于小麦(Triticumaestivum)、大麦(Hordeumvulgare)和小黑麦(×TriticosecaleWittmack)的生长，而接种AMF 可以减少Al 向地上部运输，增加了酸性土壤中小麦、大麦和小黑麦的生物量，从而减少了Al 的毒害作用[14-15]。Kong 等[16]研究发现，在盐碱胁迫下接种AMF 较未接菌处理，番茄(Solanumlycopersicum)的株高、地上部鲜重、根系鲜重、地上部干重、根系干重、果重、单株结果数和单株产量均有显著增加，这主要是由于AMF促进植物光合作用和改善矿质营养，促进植株积累更多的同化物，提高了果实品质。

AMF 可以提高宿主植物在酸性和碱性土壤下的生物量。但对AMF自身耐酸碱性鲜有报道，当土壤处于过酸或过碱时，会降低AMF 对于宿主植物的侵染，减少AMF 对宿主植物生物量的促进，应加强对AMF自身耐酸碱性和能够在高酸碱胁迫下对宿主植物仍有较好侵染的AMF 菌株的研究，以选择更合适的AMF菌株。

1.2 AMF提高宿主植物的光合作用以抵御酸碱胁迫

光合作用是植物生长的基础，AMF可以提高宿主植物在酸化和盐碱化土壤中的光合作用，使植物能够更好生长。Alotaibi 等[17]研究发现，接种AMF 缓解了酸性土壤对植物光合作用的毒性，接种AMF的大麦相比未接种AMF 的处理，光合作用增加了100%。盐碱胁迫下，AMF 可以提高植物对Mg2+的吸收，Mg2+是形成叶绿素色素的中心成分，因此Mg2+的大量吸收可以形成更多的叶绿素从而提高植物光合作用，缓解盐碱胁迫造成的危害[18]。同时，AMF可以提高植物光合作用相关基因表达，Zhang 等[19]通过比较转录组学分析发现，花园芦笋(Asparagusofficinalis)在接种AMF 条件下，参与光合作用过程的叶绿素结合蛋白LHCII 和类囊体可溶性磷蛋白基因的上调表达，鉴定的455 个DEG 中，部分基因被鉴定为耐盐碱基因，这些基因参与植物细胞内环境的改善、氮代谢相关过程以及可能的光保护机制。

AMF可以缓解酸性和碱性土壤对宿主植物的光合等生理作用的危害。但目前对于酸碱胁迫下AMF促进植物光合作用的研究大多停留在表面，应加强酸碱胁迫下AMF调控植物光合作用相关基因的深入研究。

1.3 AMF 提高宿主植物的抗氧化酶活性以抵御酸、碱胁迫

抗氧化酶是植物应对氧化应激的重要酶类，AMF可以提高宿主植物抗氧化酶活性，减轻土壤酸化和土壤盐碱化导致的活性氧(ROS)的过量富集对植物的损害。AMF 可以促进酸性土壤中植物分泌过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶，这些酶对清除ROS和缓解植物细胞氧化应激过程起关键作用[20]。添加AMF 可以促进枣椰树(Phoenixdactylifera)在盐碱胁迫中释放APX、CAT、POD 和超氧化物歧化酶(SOD)，减少枣椰树过氧化氢和脂质过氧化，缓解盐度诱导的氧化应激，以缓解盐碱胁迫对植物的损伤[21]。

AMF 可以提高宿主抗氧化酶活性以缓解植物的氧化应激，从而缓解酸性和碱性土壤对宿主植物的危害。但目前对于AMF促进植物分泌CAT和POD的作用机制较少，且不同的抗氧化酶对不同的植物器官影响不同，应加强对抗氧化酶在植物器官中的差异表达机制的研究，以期更好了解AMF促进植物分泌抗氧化酶的机制。

1.4 AMF促进植物对土壤中营养的吸收

植物对土壤中各种养分的吸收影响植物的生长，AMF可与宿主植物的根共同固定土壤中的养分，促进宿主植物对土壤养分等的吸收。AMF可以通过菌丝吸收土壤中的养分，增加酸性淋溶土壤中植物对Ca、Cu、Zn、Mn、Fe的吸收[22]。Ferrol等[23]论述了AMF可以通过一些转运蛋白将土壤中的重金属吸收至真菌中，如可以运输Cu 的CTR 家族和运输Zn 和Fe 的ZIP 家族，这些重金属大部分被用来维持真菌的功能，同时有一部分被释放到宿主植物中，宿主植物通过在真菌丛枝膜上的特定转运蛋白摄取由真菌释放的重金属。盐碱土中含有大量的Na+，Na+会与K+竞争结合位点，导致植物缺K，生长受到抑制，AMF可促进植物对盐碱土壤中K+的吸收，抑制Na+的吸收，从而促进植物的生长[24]。

可见，AMF可以提高宿主植物对养分的吸收以维持植物的生长，增强宿主植物的耐受性，但对AMF促进酸碱胁迫下植物吸收养分的代谢通路仍需深入研究。

2 AMF对土壤pH的改良及调控机制

2.1 AMF对土壤pH的改良

AMF是一种重要的生物菌剂，它可以通过产生真菌显著提高生态系统的效率，并有助于植物生长所需的无机化合物和矿物质的交换，从而促进植物生长。AMF可以改良土壤pH，使土壤pH更接近部分植物适宜生长的需求，从表1 可以发现，AMF 可以降低碱性土壤的pH，提高酸性土壤的pH，使土壤pH 变得更适宜植物的生长。AMF 对于不同的植物提高或降低土壤pH不同，对酸性土壤中的玉米影响最为明显，土壤pH提高了82.50%，这种提高或降低土壤pH 的程度可能与植物种类或者AMF的种类有关。

表1 AMF对土壤pH的改良

2.2 AMF对土壤pH的调控机制

2.2.1 AMF促进宿主植物分泌次级代谢产物调节pH 植物可以分泌一些次级代谢产物对土壤产生影响，AMF可以促进宿主植物分泌有机酸等次级代谢产物，改良土壤的pH。柠檬酸、苹果酸可以螯合土壤中的Al，AMF 中的明球囊霉(Glomusclarum)可以促进酸性土壤中郁金香(Liriodendrontulipifera)分泌柠檬酸、苹果酸、草酸，从而提高土壤的pH[33]。AMF 可以促进碱性土壤中蒿柳(Salixviminalis)分泌多种有机酸（如丙戊酸等），这些有机酸可以加速土壤中多环芳烃的降解，以降低土壤pH[34]。Yang 等[35]研究发现，在碱胁迫下AMF 显著提高了星星草(Puccinelliatenuiflora)分泌氨基酸、有机酸、类黄酮和甾醇，以增强渗透调节和维持细胞膜稳定性，增强星星草幼苗对碱性土壤的耐受性，降低土壤pH。

可见，AMF 可以促进植物分泌有机酸、生物碱等次级代谢产物，这些次级代谢产物可以螯合土壤中的一些金属，分解土壤中的污染物，以增强植物对酸化和盐碱化土壤的抵御能力，改良土壤pH，但对AMF促进酸碱胁迫下植物分泌的次级代谢产物种类仍需丰富。

2.2.2 AMF调控土壤微生物组成与丰度调节pH AMF会与土壤中的微生物产生复杂的互作关系，对土壤pH产生影响。这些微生物包括细菌、真菌、古菌等，其中细菌与真菌对土壤pH的影响更大，且细菌的作用要高于真菌。

AMF 可以提高弱酸性土壤中nirS-、nirK-和nosZ-型的反硝化细菌丰度，这些反硝化细菌促进了土壤氮循环，并且略微提高土壤pH[36]。氨氧化细菌是一种普遍存在于土壤中的细菌，可以进行氨氧化反应，将土壤中的铵盐转变为亚硝酸盐，从而提高土壤的pH。Chen等[37]研究发现，AMF可以显著抑制根际氨氧化细菌的含量，使土壤中的氨氧化过程减少，增加土壤中铵盐的含量，从而降低土壤的pH。变形杆菌是一种人畜共患致病菌，其可以分解碳源产酸产气。AMF可以增加土壤中变形杆菌的含量，促进土壤中变形杆菌的生长，从而降低了土壤的pH[13]。AMF 也会影响土壤中的真菌群落，提高土壤真菌的多样性。王莉琴等[38]研究发现，在酸性土壤中接种AMF 会增加土壤中真菌数量。康佳等[39]研究发现，在盐碱土壤中接种AMF，会增加土壤中子囊菌门、接合菌门、球囊菌门、壶菌门的丰度上升，子囊菌门的增长尤为显著。

总之，AMF对土壤中的多种微生物尤其是细菌产生影响，改良土壤pH微生物的生长，通过这些微生物的生理过程减轻土壤pH胁迫对环境造成的危害，但仍需加强对酸碱胁迫下AMF 招募土壤中的真菌与古菌研究，以期更好了解AMF对酸化和盐碱化土壤中微生物群落结构的改变和对土壤生态稳定的影响。

2.2.3 AMF通过影响土壤酶活性调节pH 在酸化和盐碱化土壤中接种AMF后，土壤中某些酶的活性会发生改变，保持土壤中营养物质能够被植物吸收。AMF可以提高酸性土壤中酸性磷酸酶的活性，促进土壤中微生物分泌酸性磷酸酶，酸性磷酸酶可以促进土壤中的有机磷矿化，使有机磷变为易于植物吸收的无机磷，以此增强植物对磷的吸收，促进植物生长[40]。对盐碱地生长的植物接种AMF，可以增加土壤中碱性磷酸酶和脲酶的活性，有利于土壤养分（例如磷和氮）的转化，进而促进土壤养分的整体有效性[41]。Xun 等[42]研究发现，在石油污染盐碱地种植燕麦(Avenasativa)时接种AMF，显著提高了根际土壤脲酶、脱氢酶和蔗糖酶活性，增强土壤微生物活性，促进石油污染物分解转化为无毒物质，降低了土壤pH。

总之，AMF 可以提高土壤中多种酶的活性，这些酶可以使土壤中营养物质转化为易于植物吸收的状态，促进酸化土壤和盐碱化土壤中植物对土壤中养分的吸收，减轻土壤pH胁迫对环境的危害。但研究者更多关注土壤中与养分转化有关的酶，对土壤中能够改良土壤pH的酶仍需进一步研究。

2.2.4 AMF 固定土壤中的养分调节土壤pH AMF 可以通过自身菌丝或招募其他微生物以固定土壤中的养分来调节土壤pH。对酸性淋溶土壤中生长的植物接种AMF，使土壤中不可利用的磷转变为可被植物吸收的磷，表明AMF对磷循环的总体促进作用。土壤中磷的利用与植物磷含量密切相关，因此这种效应很可能是通过AMF 改善植物对土壤中营养的吸收间接引起的。同时，AMF 能够在其菌丝中固定大量的氮，可以作为氮汇，从而减少氮淋失[43]。

AMF 菌丝和孢子产生的球囊霉素相关土壤蛋白(glomalin-related soil protein，GRSP)与土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)呈正相关关系，特别是在碱性土壤中高度相关，表明GRSP 对土壤碳循环和碳固存非常重要。Lang等[44]研究发现，接种AMF提升了固氮植物的固氮作用，增加了土壤中的总氮。同时，该研究还发现，AMF复垦土壤中根系菌根侵染率与速效钾含量呈正相关关系，表明根系菌根侵染率高的AMF复垦土壤具有积累土壤速效钾的潜力。

总之，AMF可以通过多种方式提高酸化和盐碱化土壤中的养分含量，如碳、氮、磷等，固定土壤的养分，使之更容易被植物吸收，改良土壤pH，但对酸碱胁迫下AMF 对土壤中其他养分是否有固定作用仍需进一步研究。

2.2.5 AMF 通过影响土壤中金属分配调节pH AMF可以通过菌丝吸收土壤中的金属，改变土壤中金属的分配。过量的Cd 会导致土壤呈酸性，AMF 可以降低酸性土壤中植物地上部镉(Cd)的浓度，使Cd吸附在植物根部，同时，AMF提高了土壤中＞2 mm土壤团聚体的含量，降低土壤中流动Cd的浓度，减少污染土壤Cd淋溶[45]。而Chen等[46]通过同位素标记法研究发现，菌根侵染显著增强了根系对Cd的固定，并且通过根系途径吸收的Cd 比通过真菌途径更容易转移到植物地上部，而菌根介导的Cd吸收最有可能固定在真菌结构或菌丝中。AMF 可以通过菌根结构显著提高植物对土壤中碱性金属Mg、Ca的吸收，从而使土壤pH降低[47]。

总之，AMF可以促进植物根系对土壤中重金属的吸附，并且通过促进土壤中的团聚体形成，减少土壤中流动重金属的存在，减少重金属对土壤的污染，并且AMF可以促进植物吸收土壤中的碱性金属，改良土壤pH。但对酸碱胁迫下AMF促进植物对土壤中影响pH的金属吸收的种类较少，仍需进一步研究AMF能否促进植物吸收更多种的pH相关金属。

3 结论与展望

在21世纪，人类面临的最大挑战之一是用有限面积的农田养活世界上不断增长的人口。然而，随着工业化进程的推进和人类活动的影响，酸化土壤和盐碱化土壤日益增多，酸化和盐碱化程度改变日益加大，对于农田作物负面影响巨大，并严重影响了植物的生长发育、形态和生理过程，导致粮食的减产，使本就严重的温饱问题雪上加霜。AMF 可以与多种植物建立共生关系，刺激宿主植物与土壤微生物分泌次级代谢产物和酶，富集土壤中的微生物，固定土壤中养分，影响土壤中金属分配，改良土壤pH，使土壤pH更适宜植物生长，如图1所示。

图1 AMF富集土壤中不同物质及微生物改良土壤pH

鉴于中国土壤酸化和盐碱化情况，未来利用AMF调控土壤pH方面应加强以下研究：（1）AMF可以提高宿主植物在酸化和盐碱化土壤中的生物量，促进宿主植物的光合作用，改变宿主的耐酸或耐盐碱基因，提高宿主抗酸化和盐碱的能力，但对AMF自身耐酸碱性及耐酸碱基因研究较少，应关注AMF自身耐盐碱性以更好选择酸化和盐碱化土壤中适用的AMF 种类。（2）随着测序技术的发展，对AMF影响植物生长机制的探究有了更多技术，应通过更新技术手段探究酸化与盐碱化土壤中AMF对植物影响的机制。（3）近年来，更多能够改良土壤酸化与盐碱化的微生物被发现，应进一步研究AMF是否能够与这些微生物形成符合菌剂，更好改良酸化与盐碱化土壤。（4）AMF 可以固定酸化和盐碱化土壤中的养分，促进C、N、P 等在土壤中的循环。应加强对AMF促进土壤中其他养分固定的研究，以期能够更全面理解酸化和盐碱化土壤中养分循环。