馬繼芳， 金海如

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004)

菌根真菌是一類與植物形成菌根的真菌．所謂“菌根”，即真菌菌絲與植物根細(xì)胞在地下緊密相連，菌絲一端延伸到土壤中，使宿主與土壤的接觸面積變大了［1-2］;菌絲另一端伸入到宿主根皮層細(xì)胞間，宿主細(xì)胞(碳水化合物釋放)與真菌細(xì)胞(P和N釋放)之間所有礦質(zhì)養(yǎng)分的交換都被認(rèn)為發(fā)生在真菌-植物交界面上［3］．土壤中的有機(jī)氮只有一小部分被植物直接吸收，大部分或可能被微生物利用或可能被土壤基質(zhì)固定［4］．菌根真菌纖細(xì)菌絲容易穿入有機(jī)物正在分解的微域或與其他微生物直接競(jìng)爭(zhēng)分解產(chǎn)物［5］，并將氮轉(zhuǎn)運(yùn)給植物．此外，菌根真菌還能將從土壤的其他各種有機(jī)氮中獲得的氮向宿主植物轉(zhuǎn)移，從而增強(qiáng)了植物獲氮能力，并且拓寬了植物獲氮種類．

自1952年Melin等［6］首次證明了根外菌絲體吸收氮源并運(yùn)轉(zhuǎn)給宿主植物后，學(xué)者們對(duì)菌根真菌從土壤中吸收利用各種氮源的能力做了大量的研究工作．目前主要以七大菌根中的叢枝菌根真菌、外生菌根真菌和歐石南科菌根真菌為研究材料．叢枝菌根真菌可與80%以上的陸生植物共生，包括絕大多數(shù)的農(nóng)作物，而外生菌根真菌和歐石南科菌根真菌主要與灌木、喬木共生［7］．對(duì)這3種菌根真菌利用有機(jī)氮的研究，近年來(lái)從生理和分子2個(gè)方面取得了一些成果:菌根真菌不但能從無(wú)機(jī)氮、氨基酸、肽、有機(jī)殘?bào)w等中吸收利用氮素并能轉(zhuǎn)運(yùn)給宿主，而且從菌根真菌中已克隆出一些與有機(jī)氮代謝相關(guān)的基因．本文綜述了現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，為進(jìn)一步研究菌根真菌對(duì)有機(jī)氮的吸收利用尋找切入點(diǎn)．

1 菌根真菌對(duì)有機(jī)氮吸收利用的生理學(xué)方面的研究

1．1 菌根真菌對(duì)氨基酸、肽和蛋白質(zhì)的吸收利用

植物-真菌共生體對(duì)有機(jī)氮的利用因其避開了氮的礦化途徑而引起重視［1］．

植物菌根比非菌根吸收利用有機(jī)氮的能力強(qiáng)，非菌根化的植物利用有機(jī)氮的能力極弱．Smith等［8］研究了歐石楠科菌根真菌-歐石楠共生體、外生菌根-垂枝樺樹在不同有機(jī)氮源的條件下幼苗長(zhǎng)勢(shì)、體內(nèi)積累的氮量，發(fā)現(xiàn)非菌根化的宿主植物利用單一氨基酸、寡肽的能力受到限制．Plassard等［9］向海岸松施加谷氨酸或者向玫瑰桉、檸檬桉施加各種氨基酸，盡管這2種桉樹都能以谷氨酸作為氮源，但與菌根化后相比利用能力仍低得多．Bajwa等［10］向非菌根化的大果越桔、Finlay等［11］向小干松加雜合底物牛血清蛋白、麥醇溶蛋白，結(jié)果均表明:至少這幾種植物非菌根化時(shí)利用有機(jī)氮的能力是相當(dāng)弱的．Abuzinadah等以有機(jī)氮作為外生菌根真菌的氮源，發(fā)現(xiàn)不同外生菌根真菌能吸收利用不同形式的有機(jī)態(tài)氮，并且存在很大的差異性，有的真菌能在蛋白質(zhì)及多肽上生長(zhǎng)，而有一些則生長(zhǎng)較弱［12］．歐石楠科菌根真菌除了能利用一些可溶性的小分子有機(jī)氮源，甚至能利用一些難溶性的大分子有機(jī)氮化合物［5］．

菌根真菌本身即為有機(jī)氮氮庫(kù)．對(duì)許多外生菌根真菌［13-14］、歐石楠菌根真菌 Hymenoscyphus ericae及其大量變異種［15-16］的研究，都得出氨基酸是菌根真菌生長(zhǎng)的重要氮源．

菌根真菌能將其庫(kù)存的氮轉(zhuǎn)移給宿主植物．文獻(xiàn)［1］研究顯示，與小麥共生的叢枝菌根真菌Glomus mossae的根外菌絲有攝取轉(zhuǎn)運(yùn)甘氨酸、谷氨酸的功能．此外，從枝菌根的根外菌絲對(duì)不同形態(tài)氮素吸收并向宿主植物轉(zhuǎn)運(yùn)的速率因種類而異:在以玉米為宿主，以G．mossae和G．intraradices為接種劑的實(shí)驗(yàn)中，植株收獲前48 h向菌絲室添 加15N-NH4+，15N-NO3－，15N-尿 素，15N-甘 胺 酸(Gly)，15N-谷氨酰胺(Gln)和15N-谷氨酸(Glu)等，測(cè)定宿主植物嫩枝和根中的15N．結(jié)果表明，叢枝菌根根外菌絲向宿主植物吸收傳遞15N的能力因菌種種類和添加到菌絲室的氮素種類而異，吸收NH4+和尿素比其他15N氮源如NO3－和氨基酸快［17-20］．叢枝菌根真菌吸收 NH4+的速率最大，這是因?yàn)?NH4+以主動(dòng)運(yùn)輸被直接吸收同化進(jìn)入氮中心代謝途徑;NO3－被主動(dòng)吸收進(jìn)胞內(nèi)后必須先還原為NH4+才能被同化，所以需要消耗更多的能量;氨基酸則必須通過(guò)輸運(yùn)蛋白輸送至胞內(nèi)后才能被利用．吸收方式的不同導(dǎo)致它們的吸收速率也不同．如圖1所示，叢枝菌根真菌吸收同化N主要通過(guò)硝酸鹽還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途徑，并通過(guò)尿素循環(huán)將吸收的 N 整合入 Arg［21-22］．文獻(xiàn)［21-23］利用叢枝菌根真菌G．intraradices與毛根農(nóng)桿菌質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)化的胡蘿卜根(Ri T-DNA transformed carrotroots)建立的雙重離體培養(yǎng)系統(tǒng)并結(jié)合同位素標(biāo)記法，證明了在根外菌絲中合成的Arg能在根外菌絲與根內(nèi)菌絲間進(jìn)行雙向運(yùn)轉(zhuǎn)(見圖1)．文獻(xiàn)［24-25］認(rèn)為Arg可能與多聚磷酸鹽(Poly P)通過(guò)螯合作用在根外和根內(nèi)菌絲間一起運(yùn)轉(zhuǎn)．另外，叢枝菌根真菌具有無(wú)隔多核結(jié)構(gòu)，其液泡可能在根內(nèi)菌絲和根外菌絲間變形為管狀，或通過(guò)原生質(zhì)變形而形成管狀液泡脈沖，這樣Arg便能在此管狀液泡中順濃度梯度從根外菌絲向根內(nèi)菌絲移動(dòng)［26］．根內(nèi)菌絲的精氨酸經(jīng)尿素循環(huán)中的精氨酸酶分解為鳥氨酸(Orn)和尿素，尿素經(jīng)尿酶分解并釋放NH+4，釋放的NH+4作為氮源可以整合入菌根內(nèi)的其他氨基酸或通過(guò)NH+4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)給宿主植物細(xì)胞，用于合成植物氨基酸、蛋白質(zhì)、核苷酸等(見圖1)．

圖1 叢枝菌根真菌對(duì)外源氮的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、分解、代謝及傳遞途徑的模型［21-22］

綜上所述，人們已經(jīng)弄清楚叢枝菌根真菌對(duì)可溶性小分子有機(jī)N(氨基酸)的吸收代謝途徑，也證明了外生菌根真菌和歐石楠科菌根真菌能夠通過(guò)分泌蛋白酶利用肽、蛋白質(zhì)并向宿主轉(zhuǎn)移氮，但叢枝菌根真菌肽、蛋白質(zhì)的吸收代謝途徑卻有待進(jìn)一步的研究．此外，菌根真菌-宿主交界面上的N釋放機(jī)制目前也存在爭(zhēng)議［1］．

1．2 菌根真菌對(duì)大分子復(fù)合物有機(jī)氮的吸收利用

在大多數(shù)類型的土壤中，氮主要以難溶的高分子含氮化合物形式存在［27］．因?yàn)樵谧匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)中共生體對(duì)有機(jī)氮的利用形式是以吸收可溶性的有機(jī)氮源為主的，所以這些難溶的高分子有機(jī)氮化合物只有通過(guò)酶分解變成可溶性的小分子化合物才能被宿主植物、菌根及菌根真菌菌絲吸收利用［28］．

外生菌根真菌和歐石楠科菌根真菌能分泌胞外蛋白酶，從而利用大分子有機(jī)氮源．蛋白酶分解蛋白質(zhì)是有機(jī)氮分解的第一步．文獻(xiàn)［29］證明了歐石楠科菌根真菌H．ericae分泌的胞外酸性蛋白酶可以利用大分子含氮化合物獲得氮．在外生菌根真菌中也測(cè)量到胞外蛋白酶的活動(dòng)性．蛋白質(zhì)水解后，脫氨酶脫去氨基酸的氨基，向環(huán)境釋放NH4+．文獻(xiàn)［1］報(bào)道，外生菌根真菌生長(zhǎng)在無(wú)葡萄糖培養(yǎng)基上時(shí)會(huì)向其所在的培養(yǎng)基釋放NH4+．

叢枝菌根真菌能否像外生菌根真菌和歐石楠科菌根真菌那樣分泌胞外酶尚未獲得直接的證據(jù)，有待今后的研究．目前，研究?jī)H證明了叢枝菌根真菌能促進(jìn)有機(jī)體分解并從中獲得氮源．Hodge等［20］運(yùn)用網(wǎng)隔分室系統(tǒng)，向真菌室加經(jīng)15N/13C雙重標(biāo)記并研磨后的黑麥草葉，研究發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)有15N積累，而且叢枝菌根真菌(G．hoi)菌絲提高了植物從培養(yǎng)系統(tǒng)中的獲氮量，獲氮量與蔓延至有機(jī)物中的菌絲密度呈線性相關(guān)．Nayyar等［30］分別利用明球囊霉(G．Clarum)、近球囊霉(G．claroideum)和根內(nèi)球囊霉(G．intraradices)作為侵染俄國(guó)野生黑麥(Psathy rostachys junce)的菌種，發(fā)現(xiàn)3種真菌的接種處理使植物吸收氮量較不接種處理平均提高了28%．Leigh等［31］通過(guò)向菌絲室加經(jīng)15N，13C標(biāo)記的碎骨對(duì)比了G．hoi和 G．intraradices兩種真菌從真菌室中的有機(jī)質(zhì)向宿主植物轉(zhuǎn)運(yùn)氮的能力，驗(yàn)證了Hodge等所得的結(jié)論，此外還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)的氮量占植物總氮量的20%，且G．intraradices比G．hoi轉(zhuǎn)運(yùn)氮的能力更強(qiáng)．這表明菌根真菌不但能利用植物性有機(jī)氮，也能利用動(dòng)物性有機(jī)氮．

Hodge等的研究并沒有發(fā)現(xiàn)13C隨15N一起轉(zhuǎn)移給宿主植物根系，說(shuō)明從枝菌根真菌只將大分子有機(jī)氮中的氮素轉(zhuǎn)移給植物．叢枝菌根真菌是以何種方式吸收利用大分子有機(jī)氮的，是以無(wú)機(jī)氮的形式還是以有機(jī)氮的某種形式直接吸收?這一問題尚不清楚．一些研究表明叢枝菌根真菌參與了有機(jī)氮的降解:1)通過(guò)根外菌絲能刺入土壤顆粒中并分泌一些水解酶加速植物組織的降解，如纖維素酶、果膠酶、木葡聚糖酶等［30-31］直接參與有機(jī)氮的降解;2)通過(guò)改變土壤根際微生物群落的結(jié)構(gòu)間接加速有機(jī)氮的降解，因?yàn)榫婢z能提高碳從宿主細(xì)胞到土壤系統(tǒng)的分配，而碳的供給能極大地提高叢枝菌根室中多能性微生物的活動(dòng)性，其中多能性微生物或許參與了養(yǎng)分的降解與釋放［32］．而相反的理論基礎(chǔ)如Chapin等［33］最近提出了生態(tài)系統(tǒng)(土壤亞系統(tǒng))中氮循環(huán)的改進(jìn)模式:其驅(qū)動(dòng)力和控制環(huán)節(jié)不再是由微生物完成的礦化作用，而是由胞外酶催化的含氮聚合物(蛋白質(zhì)等)的解聚這一過(guò)程釋放的氨基酸、氨基糖、核酸等單體物質(zhì)供微生物和植物利用．據(jù)此，叢枝菌根真菌又極有可能分泌胞外蛋白酶對(duì)大分子有機(jī)氮降解(這在外生菌根真菌和歐石楠科菌根真菌中得到證實(shí))．因?yàn)橐陨纤醒芯慷疾皇窃跓o(wú)菌條件下進(jìn)行的，所以，根據(jù)現(xiàn)有研究資料尚不能判斷叢枝菌根真菌對(duì)大分子有機(jī)氮的代謝方式．

總之，關(guān)于菌根真菌對(duì)難溶高分子含氮化合物吸收利用的完整而又清晰的代謝途徑尚處于探究階段．此外，農(nóng)田原位評(píng)估菌根共生體利用難溶高分子含氮化合物對(duì)植物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率也值得重視．

2 菌根真菌對(duì)有機(jī)氮吸收利用的分子水平的研究

近十年來(lái)，除了積累共生體吸收同化有機(jī)氮生理學(xué)方面的數(shù)據(jù)外，也致力于分子水平的研究，如基因克隆，從而加深了菌根真菌對(duì)有機(jī)氮吸收同化方式的了解．從外生菌根已克隆出與有機(jī)氮吸收代謝相關(guān)的幾個(gè)基因(見表1)．相比之下，對(duì)內(nèi)生菌根中的叢枝菌根真菌或其他15N菌根真菌的研究尚屬空白，但今后有望從叢枝菌根真菌中克隆出與有機(jī)氮代謝相關(guān)的基因．

Amanita muscaria(Am)，Hebeloma cylindrosporum(Hc)和Tuber borchii(Tb)是主要用來(lái)進(jìn)行分子學(xué)研究的外生菌根真菌．

氨基酸、肽轉(zhuǎn)運(yùn)載體:AmAAP1是對(duì)堿性氨基酸親和力高，對(duì)中性、酸性氨基酸親和力稍微有點(diǎn)低的酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體［34］．HcGAP1是一種普遍的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體［35］;HcPTR2A和 HcPTR2B是2種肽的轉(zhuǎn)運(yùn)載體［36］;HcOPTI是一種寡肽的轉(zhuǎn)運(yùn)載體［37］(見表1)．

與硝酸鹽吸收同化相關(guān)的基因:Nrt2是Hebeloma cylindrosporum和Tuber borchii兩種真菌至今僅有的一個(gè)NO3－高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)載體．Tb/Hc-Nar1，Tb/HcNir1是從Tb，Hc中克隆出來(lái)的編碼硝酸鹽還原酶(EC 1．6．6．3)的基因、亞硝酸還原酶(EC 1．6．6．4)的基因［38-39］(見表 1)．

與NH4+吸收相關(guān)的基因:AMT是編碼NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因，HcAMT1，HcAMT2和HcAMT3是從Hebeloma cylindrosporum中克隆出的NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)載體，HcAMT1和HcAMT2是編碼NH4+高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因，而HcAMT3則是編碼對(duì)NH4+高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因［40］;TbAMT1是從Tuber borchii克隆出的編碼NH4+運(yùn)轉(zhuǎn)載體的基因，并且它只有在 N缺乏時(shí)才被激活表達(dá)［41］;AmAMT2從 Amanita muscaria中克隆出來(lái)的對(duì)NH4+高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因［42］;GintAMT1是最新從菌根真菌G．intraradices克隆出的AMT家族的成員，編碼對(duì)NH4+高親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因［43］(見表 1)．

表1 菌根真菌中克隆出的或者檢測(cè)到表達(dá)的與氮吸收代謝相關(guān)的基因

3 菌根真菌吸收利用有機(jī)氮實(shí)驗(yàn)裝置的研究

以從枝菌根真菌為例．叢枝菌根真菌是一種專性寄生真菌，目前仍不能進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)，必須與植物一起培養(yǎng)．現(xiàn)今所用的實(shí)驗(yàn)裝置基本上仍是在一個(gè)容器中，用尼龍網(wǎng)將一個(gè)菌根室與一個(gè)或多個(gè)菌絲室分隔開［44-47］，或者用聚四氟乙烯薄膜(PTFE)(防滲透)［48-49］，該裝置通常都是用來(lái)種植整株植物．此外，叢枝菌根真菌G．intraradices與毛根農(nóng)桿菌質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)化的胡蘿卜根(Ri TDNA transformed carrotroots)建立的離體雙重培養(yǎng)系統(tǒng)(兩室有蓋培養(yǎng)皿培養(yǎng)裝置)，也被用來(lái)研究叢枝菌根真菌菌絲體氮的運(yùn)輸［19］．

目前，研究的主要難題是如何控制氮在菌絲室和菌根室之間的大量流動(dòng)．控制室間氮大量流動(dòng)可通過(guò)以下3條途徑:1)造成長(zhǎng)期缺N條件，即在尼龍網(wǎng)旁邊用空氣層隔開［44-47］;2)用聚四氟乙烯薄膜，它能使15N的被動(dòng)運(yùn)輸減少86%［48-50］;3)用兩室有隔培養(yǎng)皿［21］．顯然，兩室有隔培養(yǎng)皿是最好的裝置，因?yàn)樗坏軌驀?yán)格控制添加的營(yíng)養(yǎng)液在菌絲室和菌根室間流動(dòng)，而且還能示蹤營(yíng)養(yǎng)從菌絲體到根的全過(guò)程．但兩室培養(yǎng)體系也存在局限性，即它不能承載嫩枝．

4 展望

土壤中含有豐富的有機(jī)氮源(占土壤總氮量的85%以上［4］)，種類繁多的天然菌根真菌資源為開發(fā)天然生物肥料提供了充足的條件．利用菌根真菌實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，符合低碳減排綠色環(huán)保循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，因此，研究菌根真菌對(duì)有機(jī)氮吸收利用的意義深遠(yuǎn)．

目前，在生理學(xué)和分子學(xué)方面人們已經(jīng)獲得了一些菌根真菌對(duì)有機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)吸收利用的研究結(jié)果，但仍有許多問題待解決，尤其是:含氮化合物在宿主植物根-菌根真菌交界處交換機(jī)制是怎樣的?交換機(jī)制又是如何被控制的?現(xiàn)有2種研究方法:1)盡力完成基因測(cè)序和注釋;2)聯(lián)合標(biāo)記試驗(yàn)與差異組織分析．建立氮交換圖譜似乎很重要，途徑圖譜包括不同氮源、不同濃度，如果能夠判斷出關(guān)鍵的代謝產(chǎn)物——它的濃度決定菌根共生體轉(zhuǎn)移氮到宿主細(xì)胞的效率，那樣再拓寬了解其他的真菌，而非近年來(lái)已研究的少數(shù)幾種，將會(huì)有助于更好地掌握農(nóng)田菌根共生體的生態(tài)功能［1］．

以上是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下菌根真菌利用有機(jī)氮的獨(dú)立研究，可以了解單獨(dú)的菌根真菌的有機(jī)氮代謝途徑．要想達(dá)到菌肥大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)有的研究進(jìn)展及需要克服的問題，還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:

1)菌根真菌利用有機(jī)氮較優(yōu)的生理生化條件及其生態(tài)系統(tǒng)中其他氮的影響;

2)菌根真菌對(duì)有機(jī)氮的代謝過(guò)程與氮礦化的關(guān)系;

3)菌根真菌活動(dòng)性與土壤有機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化的關(guān)系;

4)土壤生態(tài)系統(tǒng)中原位評(píng)估菌根真菌吸收利用有機(jī)氮對(duì)植物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率，追蹤有機(jī)氮對(duì)植物生長(zhǎng)的長(zhǎng)期效應(yīng)．

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