吳強(qiáng)盛

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

叢枝菌根真菌提高植物抗病機(jī)理研究進(jìn)展

吳強(qiáng)盛

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

叢枝菌根真菌能與絕大多數(shù)植物建立互惠共生關(guān)系，幫助植物吸收水和礦質(zhì)營養(yǎng)。通過分析叢枝菌根真菌能夠提高植物抗病蟲能力的現(xiàn)象，從胞壁的機(jī)械屏障、抗性物質(zhì)以及位點(diǎn)上的競爭等方面綜述了叢枝菌根真菌提高植物抗病機(jī)理的進(jìn)展。

叢枝菌根；抗性物質(zhì)；抗病機(jī)理

叢枝菌根是一類與植物根系緊密結(jié)合共生的互惠互利復(fù)合體，大約80%的植物都可見叢枝菌根結(jié)構(gòu)，形成叢枝菌根的真菌稱為菌根真菌。寄主植物通過轉(zhuǎn)運(yùn)自身制造的20%光合碳水化合物給叢枝菌根以促進(jìn)其生長和發(fā)育，另一方面叢枝菌根通過根外發(fā)達(dá)菌絲及其他作用機(jī)制給植物提供礦質(zhì)營養(yǎng)和水分，促進(jìn)植物生長，增強(qiáng)對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，特別是難溶性磷，達(dá)到互惠互利共生[1]。

自然界存在大量的病原真菌和細(xì)菌，但它們一般都較難侵染植物，因?yàn)檫@種植物可能不是它的適宜寄主，或者植物本身具備很強(qiáng)的抗性，或者植物被叢枝菌根侵染，產(chǎn)生了位點(diǎn)的競爭和增強(qiáng)抗性物質(zhì)代謝。菌根化植物較非菌根化植物具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢，即擁有一些特殊的個(gè)體渠道來抵抗逆境[2]。叢枝菌根與園藝植物抗病性研究起步稍晚，始于1968年Safir[3]對洋蔥根系紅腐病接種Glomusmosseae的研究。以后才逐步認(rèn)識、研究叢枝菌根與各種園藝植物土傳真菌病害和線蟲病害的關(guān)系，并探討了相關(guān)的作用機(jī)理。

1 叢枝菌根真菌提高植物抗病和抗蟲的現(xiàn)象

1.1 線蟲

土壤中存在各種線蟲，嚴(yán)重危害植物的生存，接種叢枝菌根真菌明顯抑制線蟲在寄主植物上的侵染。Pinochet等[4]對櫻桃李29C實(shí)生苗進(jìn)行線蟲Pratylenchusvutnus和叢枝菌根真菌的互作效應(yīng)，結(jié)果表明接種菌根真菌對線蟲危害的櫻桃李每克根系線蟲數(shù)量沒有影響，接種線蟲顯著降低菌根侵染率，接種G.intraradices通過增加植物營養(yǎng)吸收和促進(jìn)生長來增強(qiáng)櫻桃李的抗線蟲能力。李海燕等[5]的試驗(yàn)表明，接種菌根真菌能不同程度地抑制南方根結(jié)線蟲(Meloidogyneincognita)的發(fā)生發(fā)展，降低根圍土壤中二齡幼蟲數(shù)量、卵塊直徑、平均每克卵塊的卵量及平均每克葡萄根系上的數(shù)量，且先接種菌根真菌后接種南方根結(jié)線蟲的防效比兩者同時(shí)接種更好。對于已感染線蟲的植物再接種叢枝菌根真菌，則沒有明顯的防治效果。

叢枝菌根真菌不僅在接種菌根的線蟲中可以看到，在未接種的線蟲中也可見。對定殖于大豆胞囊的真菌進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，一些胞囊內(nèi)含有叢枝菌根真菌的厚垣孢子和菌絲，不同的胞囊的叢枝菌根真菌不同，被叢枝菌根定殖的胞囊中一般是沒有卵，說明大豆胞囊線蟲和卵不是叢枝菌根真菌的主要寄主或者完全寄主[6]。

這些結(jié)果充分說明，叢枝菌根真菌能提高植物的抗蟲能力，但是這種效果只居于寄主植物未感染線蟲之前。

1.2 土傳真菌病害

自1968年Safir[3]首先對洋蔥土傳病害進(jìn)行研究以來，人們已經(jīng)在柑桔、桃、草莓、大豆、西瓜等園藝作物進(jìn)行研究。李敏等[7]在大田條件下對西瓜枯萎病進(jìn)行接種菌根真菌試驗(yàn)，結(jié)果表明供試的叢枝菌根真菌都顯著地降低西瓜枯萎病地發(fā)病率、病情指數(shù)和死株率。胡正嘉等[8]對棉花枯萎病進(jìn)行菌根接種研究，結(jié)果是G.mosseae減輕棉花枯萎病的發(fā)生，病情指數(shù)較對照降低20%左右，達(dá)到顯著水平。棉花枯萎病菌(Fusariumvasinfetum)不影響G.mosseae和G.intraradices對棉花根系的菌根侵染。另有試驗(yàn)表明，菌根化茄子感染枯萎病后始花期推遲，發(fā)病時(shí)間延遲等。

不同的菌根真菌對土傳真菌的作用表現(xiàn)很大的差異。如G.intraradicesd對棉花枯萎病的發(fā)生無任何影響，而G.mosseae則減輕枯萎病的發(fā)生。這可能是在“菌根真菌-植物病原菌-植物”的三元嵌合體中，由于3者的相互作用、相互抑制的關(guān)系，每一個(gè)三元嵌合體的組合都有其特異性。因此在尋找防治某一種土傳病害真菌的有效叢枝菌根真菌時(shí)，必須考慮對每一個(gè)三元嵌合體進(jìn)行單獨(dú)的比較試驗(yàn)，不能因?yàn)榫婢鷽]有專一性而忽略該點(diǎn)[8]。

2 叢枝菌根真菌提高植物抗病的可能機(jī)理

2.1 胞壁的變化

病原菌侵染植物根系進(jìn)入植物內(nèi)部首先必須通過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞中。當(dāng)菌根真菌侵染植物表皮細(xì)胞后，可以發(fā)現(xiàn)圍繞菌絲的寄主細(xì)胞胞質(zhì)膜附近胞壁物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的積累，內(nèi)皮層代謝旺盛，靠近菌絲的細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)明顯增殖。細(xì)胞壁的變化還體現(xiàn)在細(xì)胞壁富含羥基脯氨酸的糖蛋白的變化。當(dāng)病原菌侵染菌根植物時(shí)，這些定位于叢枝周圍的特殊糖蛋白立即啟動(dòng)快速防御反應(yīng)，使細(xì)胞壁的強(qiáng)度加大，且將細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素包裹起來，避免病原菌的分解，產(chǎn)生機(jī)械屏障作用，從而提高對病原菌的防衛(wèi)作用，使菌根化細(xì)胞進(jìn)行正常的生理生化代謝[9]。

除了叢枝菌根真菌的結(jié)構(gòu)存在影響寄主植物胞壁的結(jié)構(gòu)外，叢枝菌根真菌的細(xì)胞壁本身也有一些物質(zhì)的存在起抑制病原菌的作用。初步證據(jù)證明，一些叢枝菌根真菌(Glomus屬)的細(xì)胞壁至少存在β-1,3-葡聚糖。在Gigaspora或者Scutellospora中則不存在。β-1,3-葡聚糖被定位在根生菌絲和芽管的內(nèi)壁，在孢子的細(xì)胞壁也存在[10]。β-1,3-葡聚糖為細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分，其在菌根真菌內(nèi)的存在至少可以說明菌根真菌抵抗病原菌有一定屏障作用。

2.2 植保素

植保素(Phytoalexins)是植物受病原菌侵染產(chǎn)生的一類低分子量抗病原菌的化合物，其產(chǎn)生的速度和累積的量與植物抗病性有關(guān)，主要包括酚類植保素(綠原酸、香豆素等)、異黃酮類植保素(豌豆素、菜豆素、大豆素等)和萜類植保素等。一般植保素僅僅是局限在受侵染細(xì)胞周圍積累，起屏障隔離作用，防止病原菌進(jìn)一步的擴(kuò)散[11]。Hanne等[12]認(rèn)為，G.intraradices可以誘導(dǎo)根系植保素的防御反應(yīng)，一旦菌根侵染了根系組織則誘導(dǎo)植保素的這種反應(yīng)。接種菌根真菌的苜蓿萌芽后14 d和18 d，其根系苯丙氨酸銨基裂解酶mRNA的相對量高出對照2倍，苯基苯乙烯酮異構(gòu)酶mRNA的相對水平在萌芽后14 d和17 d較對照增加6倍。因此，叢枝菌根真菌能通過誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生植保素，提高植物抗病性。

2.3 酚類化合物

菌根發(fā)育的幾個(gè)步驟可用來解析與酚類化合物相關(guān)：(1)菌根真菌與根的初接觸觸發(fā)非特異性的防衛(wèi)機(jī)制；(2)特異地活性抑制植物生長素的合成；(3)叢枝菌根叢枝老化時(shí)，由于叢枝的裂解導(dǎo)致植物生長素的觸發(fā)和真菌細(xì)胞壁成分的釋放[13]。Hanne等[14]對苜蓿接種菌根真菌發(fā)現(xiàn)，類黃酮在苜蓿接種菌根的早期就大量積累，主要是植物根際叢枝菌根真菌的存在導(dǎo)致。最近的一項(xiàng)研究表明，菌根與非菌根化的棕櫚在感染了Fusariumoxysporum之后酚類化合物在定性上沒有顯著不同；但是，菌根化植株體內(nèi)羥基肉桂酸的衍生物大量積累，從而提高了菌根化棕櫚抗Fusariumoxysporum的能力[15]。

木質(zhì)素是酚類化合物的聚合物，苯丙氨酸解氨酶(PAL)是其形成的關(guān)鍵酶，PAL的活性可以作為植物抗病性的一個(gè)生理指標(biāo)。接種菌根的苜蓿在早期就表現(xiàn)出PAL活性的增強(qiáng)，其強(qiáng)度與菌根侵染一致。當(dāng)PAL活性達(dá)到最大后才降低到非菌根化植株的水平[14]。此外，接種G.monosporus、G.deserticola、G.clarum和菌根混合物處理誘導(dǎo)棕櫚多酚氧化酶活性增強(qiáng)，從而抑制巴尤德(bayoud disease)病害的發(fā)生[16]。

2.4 乙烯

乙烯的釋放影響植物的衰老和抗病性的強(qiáng)度。在低磷條件(0.5 mmol/L NaH2PO4)下菌根化馬鈴薯無論ACC存在與否其ACC氧化酶活性都較對照降低，被叢枝菌根真菌感染的位點(diǎn)其ACC氧化酶活性受到抑制，而且，對感染的根段進(jìn)行提取，在過濾物中含有乙烯產(chǎn)生的抑制劑，可能是與酚類化合物有關(guān)，尚待鑒定[17]。

2.5 幾丁質(zhì)酶

幾丁質(zhì)酶是能夠水解許多病原菌細(xì)胞壁主要成分之一的幾丁質(zhì)的酶，此酶在高等植物中普遍存在。在植物感病后，酶的活性迅速增加，對病原菌的幾丁質(zhì)進(jìn)行水解破壞，故可起到防衛(wèi)作用[11]。接種菌根真菌的苜蓿在發(fā)芽后的第13 d和16 d較非菌根化植株體內(nèi)幾丁質(zhì)酶表現(xiàn)出很高的活性，在第19 d幾丁質(zhì)酶活性降低到低于非菌根化植株直到試驗(yàn)結(jié)束[14]。

2.6 病程相關(guān)蛋白

當(dāng)病原微生物侵染植物時(shí)，在寄主的被接觸部位或者是新生長部位會(huì)形成一種或多種蛋白質(zhì)，它是在專一病理?xiàng)l件下誘導(dǎo)合成的，故命名為病程相關(guān)蛋白(PRs)[11]。Liu等[18]在菌根化棉花體內(nèi)獲得這種病程相關(guān)蛋白，其量多于棉花黃萎病菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的量。

2.7 競爭作用

叢枝菌根真菌侵染植物根系是從根冠向上4 cm 以內(nèi)的任何部位侵入皮層細(xì)胞，然后定殖和擴(kuò)展。病原菌如棉花枯萎病病菌(Verticilliumdahliae)在距離根冠0.5～2.0 cm區(qū)域侵入和定殖的最多。在一定的條件下叢枝菌根真菌和病原菌相互在侵染區(qū)域抑制對方的侵染。對叢枝菌根真菌和病原菌不同順序、時(shí)間和部位的接種處理得到的結(jié)果是叢枝菌根真菌與病原菌對根系侵染位點(diǎn)具有競爭作用[19]。在苗床上，G.fasciculatum接種顯著限制了病原真菌Pythiumaphanidermatum在沉香根系組織中的發(fā)展，這正是由于叢枝菌根真菌先侵染根系位點(diǎn)所致[20]。

叢枝菌根真菌的競爭作用還表現(xiàn)在根結(jié)線蟲上。葡萄接種南方根結(jié)線蟲增加了G.versiforme和Gigasporamargarita的根內(nèi)泡囊和入侵點(diǎn)數(shù)量.先接種叢枝菌根真菌后接種南方根結(jié)線蟲的處理具有較強(qiáng)的提高葡萄植株的生長發(fā)育，增強(qiáng)光合作用能力及抑制線蟲繁殖體數(shù)量的作用，而同時(shí)接種叢枝菌根真菌和南方根結(jié)線蟲的處理在這幾方面表現(xiàn)較差，這些表明叢枝菌根真菌在根系上侵染擴(kuò)展的部位與南方根結(jié)線蟲等內(nèi)寄生線蟲占據(jù)的部位相同，存在空間的競爭。此外兩者也可能存在養(yǎng)分競爭[5]。

3 結(jié)語

叢枝菌根真菌與植物病害的研究正處于方興未艾的時(shí)刻，目前已成為叢枝菌根生理研究部分的熱點(diǎn)，已經(jīng)從叢枝菌根真菌與病原菌互抑的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為叢枝菌根真菌一方面對胞壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生機(jī)械屏障作用；另一方面改變根系生理生化過程，如誘導(dǎo)產(chǎn)生酚類物質(zhì)、幾丁質(zhì)酶、病程相關(guān)蛋白來降解或抑制病原菌。這些研究結(jié)果僅僅是局限于生理生化的報(bào)道，在細(xì)胞與分子水平尚缺乏報(bào)道，這將是未來研究熱點(diǎn)。

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2009-11-19

農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室開放課題(2009k20)

吳強(qiáng)盛(1978-)，男，江西臨川人，農(nóng)學(xué)博士，副教授，主要從事果樹菌根研究.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.02.021

Q938.1

A

1673-1409(2010)02-S072-04