陳永亮，陳保冬，劉 蕾，胡亞軍，徐天樂，張 莘

(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

菌根(mycorrhiza)是菌根真菌與植物根系形成的共生體，是自然界普遍存在的一種生物共生現(xiàn)象。叢枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizal fungi，AMF)是自然界分布最廣泛的一類菌根真菌，能夠與大部分高等植物的根系形成共生關(guān)系［1］。這種共生體的形成除了能明顯改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)(磷、氮、硫以及微量元素等)，還能增強(qiáng)宿主植物抗病、抗干旱、抗鹽害、抗重金屬毒害等諸多抗逆能力［1］。

叢枝菌根真菌根外菌絲可以利用NH+4、NO－3和簡單形態(tài)的氨基酸［2］，并在一定條件下還可以加速有機(jī)氮的礦化進(jìn)而使有機(jī)氮成為其可利用的氮素形態(tài)［3］。AMF在氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)中也發(fā)揮著重要作用，可通過一些途徑顯著影響氮素的生物吸收與同化、有機(jī)氮礦化、生物固氮、硝化和反硝化，以及氮素淋洗等諸多土壤氮素循環(huán)過程［4］。與此同時(shí)，AMF還可通過地下菌絲網(wǎng)絡(luò)(common mycorrhizal networks，CMNs)在植物間礦質(zhì)營養(yǎng)元素的再分配中起到重要的作用。

鑒于此，本文重點(diǎn)討論了AMF吸收利用的氮素形態(tài)及其在土壤氮素循環(huán)中的重要作用等方面的最新研究進(jìn)展，旨在為今后的相關(guān)研究提供參考。

1 叢枝菌根真菌與氮素吸收、礦化

1.1 叢枝菌根真菌對(duì)無機(jī)氮和簡單形態(tài)有機(jī)氮的吸收

無機(jī)氮是植物的重要氮源，其中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物可以直接利用的兩種主要氮源。然而，土壤中的絕大部分氮為有機(jī)態(tài)，只有在被微生物分解成無機(jī)氮后才能被植物吸收利用。研究表明，AMF根外菌絲可以吸收各種簡單形態(tài)的氮，包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮［2，5］和一些氨基酸［2］，并且相比于 NO－3，AMF優(yōu)先利用NH+4。Tanaka 和 Yano［5］使用分室隔網(wǎng)裝置研究發(fā)現(xiàn)玉米接種G．a(chǎn)ggregatum后，其根外菌絲從菌絲室吸收的15NH+4約是15NO－3的10倍;同樣，當(dāng)銨態(tài)氮換成樹脂包裹的尿素時(shí)，玉米地上部氮吸收量的74%來自于15N標(biāo)記的尿素，而從15NO－3中獲得的氮素僅占到植物氮吸收量的2.9%。此外，AMF吸收NH+4的速度要快于NO－3。這可能是因?yàn)锳MF根外菌絲吸收同化NH+4的代價(jià)要小于NO－3(NO－3由硝酸鹽還原酶轉(zhuǎn)化為NH+4這一步驟需要能量);或者AMF缺乏將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)移到植物的能力［5］。

不同種類的叢枝菌根真菌對(duì)氮素的吸收效率表現(xiàn)不一。Frey等［6］發(fā)現(xiàn)接種3種叢枝菌根真菌G．intraradices，G．Margarita和 Acaulospora laevis均能顯著提高植物地上部氮含量和15N含量，但是前兩個(gè)菌種與后者的差異也達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)椴煌N屬的叢枝菌根真菌生理性狀存在差別，其根外菌絲在土壤中有不同的浸染策略［7］。目前，關(guān)于不同AMF種類對(duì)氮素的吸收大部分僅限于球囊霉屬，較少研究關(guān)注了非球囊霉的AMF［8］。

1.2 叢枝菌根真菌對(duì)復(fù)雜有機(jī)氮的礦化

外生菌根真菌和杜鵑科菌根真菌能夠幫助寄主植物直接利用有機(jī)氮。然而，AMF利用有機(jī)氮的能力存在爭議［9］。作為一種專性活體營養(yǎng)真菌，AMF被認(rèn)為只能吸收其它腐生微生物降解有機(jī)物質(zhì)釋放出來的無機(jī)氮，但是 Whiteside等［10－11］應(yīng)用最新的技術(shù)－量子點(diǎn)(quantum dots)標(biāo)記的方法證明AMF可以直接吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)有機(jī)氮，并且還觀察到量子點(diǎn)標(biāo)記的有機(jī)氮存在于土壤根外菌絲、植物根系和植物莖部。

大量研究表明，AMF具有從復(fù)雜有機(jī)氮中吸收氮 素 的 能 力 并 且 加 速 了 其 降 解 過 程［3，12－14］。Aristizábal等［15］在 3 種植物 Myrica parvifolia，Myrica pubescens和Paepalanthus的降解葉片中發(fā)現(xiàn)了AMF菌絲和泡囊的分布。Hodge等［3］研究發(fā)現(xiàn)G．hoi的根外菌絲能利用復(fù)雜的有機(jī)氮源(13C和15N雙標(biāo)記的黑麥草)，接種植物吸收的15N是對(duì)照的3倍之多。Leigh等［14］利用同樣的有機(jī)氮源為材料，發(fā)現(xiàn)植物氮吸收量的20%來自于根外菌絲對(duì)標(biāo)記15N的吸收，并且G．intraradices比G．ho i有更強(qiáng)的氮吸收能力，這可能主要與其產(chǎn)生的大量根外菌絲有關(guān)。Hodge等［12］發(fā)現(xiàn)AMF從降解有機(jī)氮中獲得了大約1/3的氮，并且將其含量的3%傳遞給了植物。另外，Atul－Nayyar等［13］發(fā)現(xiàn) G．clarum、G．claroideum 和 G．intraradices均能加速有機(jī)氮(15N標(biāo)記的野生黑麥)的礦化，相對(duì)不接種處理平均提高228%，并且G．clarum和G．intraradice礦化有機(jī)氮的效果要優(yōu)于G．claroideums。

然而，關(guān)于叢枝菌根真菌調(diào)節(jié)有機(jī)氮礦化的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。作為土壤微生物的重要組成部分，AMF對(duì)菌絲際微生物有直接影響，AMF菌絲可分泌一些碳化合物，給菌絲際微生物帶來了大量的C 源，改變了土壤微生物群落組成［16－17］，進(jìn)而可能會(huì)直接影響有機(jī)氮的礦化、吸收。然而到目前為止還沒有直接證據(jù)表明AMF具有分泌有機(jī)氮礦化相關(guān)酶類的能力。盡管如此，AMF可能會(huì)通過改變其它土壤微生物的群落組成從而間接調(diào)控有機(jī)氮的礦化過程。Nuccio等［18］利用生物微矩陣芯片的方法發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌G．hoi使菌絲際凋落物中10%的細(xì)菌群落發(fā)生了改變，并且指出N素輸出可能是AMF改變土壤微生物群落的一種潛在機(jī)制，進(jìn)而加速了凋落物的降解過程。同樣，Cheng等［19］也發(fā)現(xiàn)AMF減少了土壤中NH+4的濃度，進(jìn)而加速了凋落物的降解。另外，叢枝菌根真菌還可通過增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)無機(jī)氮源的利用從而加速有機(jī)氮降解［20］，但是對(duì)細(xì)菌群落的改變能力有限［21，18］。

1.3 叢枝菌根真菌自身對(duì)氮素的利用

隨著研究的深入，人們開始關(guān)注叢枝菌根真菌本身對(duì)氮素的需要，而暫時(shí)拋開AMF在菌根共生體中所起的作用。金海如等［22］等研究發(fā)現(xiàn) G．intraradices孢子萌發(fā)時(shí)可以利用內(nèi)部儲(chǔ)存的氮合成游離氨基酸，也能利用外源無機(jī)氮和有機(jī)氮合成大量的氨基酸。另外，G．intraradices孢子在分別吸收外源尿素、NH+4和 NO－3后，可以觀察到孢子內(nèi)從頭合成氨基酸。Hodge等［3］發(fā)現(xiàn)AMF根外菌絲在存有有機(jī)氮的菌絲室中大量增殖，并且菌絲室菌絲密度大于未接種宿主植物室菌絲密度，這說明菌絲室中有機(jī)氮的存在促進(jìn)了AMF根外菌絲的生長。此外，Leigh等［14］發(fā)現(xiàn)AMF根外菌絲進(jìn)入含有有機(jī)氮的菌絲室后其菌絲密度隨著時(shí)間的延長而顯著增加。這些結(jié)果表明有機(jī)氮可能代表了AMF自身生長的一種重要氮源。更有研究表明AMF甚至可以促進(jìn)非菌根植物對(duì) N 的吸收［23］，而 Cappellazzo 等［24］發(fā)現(xiàn)少量的有機(jī)氮能刺激G．intraradices發(fā)生轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，說明氮在AMF中可能是一種信號(hào)分子物質(zhì)。Tanaka 和 Yano［5］也發(fā)現(xiàn)供應(yīng)15NO－3給玉米時(shí)，AMF根內(nèi)菌絲含有大量的15N，這說明根外菌絲吸收的15NO－3并不全部轉(zhuǎn)移給植物，而是有相當(dāng)大的比例存在于菌根真菌菌絲體內(nèi)。由此可見，AMF把吸收的氮運(yùn)送到植物可能是由于供應(yīng)給AMF過多的氮素所致;AMF本身在一定程度上或許可以調(diào)控氮素的轉(zhuǎn)移并且只有當(dāng)自身N素被滿足后才可能把剩余的氮素傳遞給植物。有研究表明增加植物的碳供給刺激了AMF共生體內(nèi)N的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，并且N在共生體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)只有在碳源被宿主植物運(yùn)輸?shù)骄缑鏁r(shí)才會(huì)增加，而當(dāng)碳源直接以醋酸鹽的形式供給AMF根外菌絲時(shí)N的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)并沒有增加［25］。這為研究者提供了N在菌根共生體內(nèi)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的新視野。

隨著研究的深入，一些叢枝菌根真菌本身的氮轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝基因相繼被發(fā)現(xiàn)。在叢枝菌根真菌G．intraradices內(nèi)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè) NH+4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因GintAMT1、GintAMT2［26－27］。其中 NH+4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因GintAMT1是在G．intraradices的根外菌絲中發(fā)現(xiàn)的，與其它真菌的NH+4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有高度的序列相似性，GintAMT1在外界NH+4濃度較低時(shí)表達(dá)上調(diào)，而在外界NH+4濃度較高時(shí)表達(dá)下調(diào)，說明這個(gè)基因是高親和性的NH+4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。相比于GintAMT1，GintAMT2在G．intraradices根內(nèi)菌絲的轉(zhuǎn)錄水平大于其在根外菌絲的轉(zhuǎn)錄水平，并且這兩個(gè)基因在叢枝浸染的皮層細(xì)胞中都能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。此外，在G．intraradices中還發(fā)現(xiàn)一個(gè)NO－3轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 GiNT［28］，并且NO－3可以刺激GiNT基因的表達(dá)。從叢枝菌根真菌G．intraradices和G．mosseae中分別發(fā)現(xiàn)了氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 GintAAP1和 GmosAAP1［29］，并且后者能與質(zhì)子耦合從而運(yùn)輸脯氨酸。這些基因的發(fā)現(xiàn)為叢枝菌根真菌吸收利用氮素提供了直接的分子證據(jù)。

2 叢枝菌根真菌在調(diào)控土壤固氮過程、硝化過程、反硝化過程和淋洗過程中的作用

2.1 叢枝菌根真菌與固氮過程

相比于其它土壤氮素循環(huán)過程，固氮過程是一個(gè)被研究較多的過程，固氮促進(jìn)了全球范圍內(nèi)土壤中氮素的累積。很多研究證明接種AMF可以增強(qiáng)豆科植物根瘤的固氮能力［30－31］，兩者雙接種具有協(xié)同增效作用。一般認(rèn)為接種AMF通過改善植物的P營養(yǎng)以及促進(jìn)對(duì)微量元素如銅、鋅的吸收等，從而提高植物的固氮能力。從進(jìn)化的角度分析，AMF是根瘤菌進(jìn)化的祖先，根瘤共生體是由古老的AMF共生體演變而來［32］。就豆科植物而言，菌根突變體植株同時(shí)也是結(jié)瘤突變體植株［33－34］。AMF與根瘤菌在根系根瘤內(nèi)部也存在相互作用。Scheublin和van der Heijden［35］研究發(fā)現(xiàn) AMF侵染了3種不同豆科植物的根瘤，根瘤內(nèi)部AMF的存在表明AMF能直接傳遞營養(yǎng)元素給根瘤用于氮的固定?；诜肿由飳W(xué)的方法也表明根系根瘤內(nèi)部的AMF群落在不同豆科植物之間是相似的，但是均與根系內(nèi)的AMF群落顯著不同［36］。

AMF與固氮過程功能微生物存在一定的相互作用。具有編碼固氮酶含鐵蛋白功能的nifH基因是參與固氮過程的關(guān)鍵基因，也是研究固氮微生物的理想遺傳標(biāo)記。Veresoglou等［37］首次報(bào)道了兩種叢枝菌根真菌G．intraradices和G．margarita均能顯著改變菌根際nifH基因群落組成，因此可能影響了固氮過程。AMF侵染植物根系后可能改變了流向菌根際的碳流量，進(jìn)而對(duì)nifH功能基因群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。造成這一現(xiàn)象的內(nèi)在原因還需要進(jìn)一步解釋，在未來可針對(duì)nifH的豐度展開研究，進(jìn)而系統(tǒng)地闡述AMF對(duì)固氮過程功能微生物的影響。

2.2 叢枝菌根真菌與硝化過程

氨氧化作用(氨→亞硝態(tài)氮)是氮素循環(huán)的限速步驟，也是硝化作用的第一步反應(yīng)。具有氨單加氧酶基因amoA的氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)是自然界氨氧化作用的主要參與者，并且廣泛存在于草原、農(nóng)田、濕地和海洋等各種生態(tài)系統(tǒng)中［38－41］。在土壤環(huán)境中，銨濃度、溫度、pH 值、鹽度、氧分壓、水分含量、養(yǎng)分含量、植被種類以及污染物等環(huán)境因子的微小改變均會(huì)對(duì)氨氧化菌的數(shù)量和群落組成造成影響。

叢枝菌根真菌和氨氧化菌(AOA、AOB)在土壤氮素循環(huán)中都有著十分重要的作用，兩種微生物都以NH+4為底物，因此兩者之間的相互作用在土壤氮循環(huán)中可能具有潛在的重要作用。相比于AMF，氨氧化菌在對(duì)土壤基質(zhì)中可交換NH+4的競爭上處于劣勢［42］，因此在土壤 NH+4有限的情況下，AMF對(duì)NH+4的優(yōu)先利用和競爭會(huì)導(dǎo)致氨氧化菌對(duì)NH+4的利用降低，造成其豐度和硝化速率的下降，進(jìn)而可能導(dǎo)致菌根際支撐不同的 AOA、AOB群落。Amora－Lazcano等［43］研究發(fā)現(xiàn)用兩種叢枝菌根真菌 G．mosseae、G．fasciculatum接種玉米后，菌根際AOB種群豐度大于非菌根際，AMF促進(jìn)了AOB的生長。Klopatek等［44］發(fā)現(xiàn)，AMF的存在降低了土壤中硝化細(xì)菌的總量。而Cavagnaro等［45］在田間原位條件下以番茄野生型/菌根突變體植株(不能被AMF侵染)為材料，發(fā)現(xiàn)AMF對(duì)AOB群落組成和豐度均沒有顯著影響。另外，Veresoglou等［46］發(fā)現(xiàn)菌根植物菌根際土壤的氨氧化潛勢低于非菌根植物，這意味著接種AMF可能降低了氨氧化菌的豐度。Chen等［47］通過室內(nèi)盆栽模擬試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了叢枝菌根真菌與氨氧化菌之間的直接與間接作用，研究發(fā)現(xiàn)AMF可通過間接途徑(植物途徑)顯著降低菌根際AOA、AOB豐度，并且還分別間接、直接影響菌根室、菌絲室中AOA的群落組成。由此可見，AMF與氨氧化微生物之間的相互作用并未得出一致結(jié)論。但是，AMF仍然可能在調(diào)控土壤硝化過程中起到非常重要的潛在作用。

叢枝菌根真菌調(diào)控硝化過程主要是通過與氨氧化菌競爭土壤中的可利用銨。AMF也可通過改變根系生理形態(tài)進(jìn)而調(diào)控氨氧化過程，接種AMF能促進(jìn)宿主植物側(cè)根的形成并且能增加根長［48］，從而提高宿主植物對(duì)無機(jī)氮(NH+4)的利用［49］，降低氨氧化菌可利用的底物濃度。

2.3 叢枝菌根真菌與反硝化過程

叢枝菌根真菌與土壤反硝化過程的研究較少，到目前為止只有少量的試驗(yàn)研究了AMF與反硝化細(xì)菌之間的相互作用。Amora－Lazcano等［43］發(fā)現(xiàn)接種兩種叢枝菌根真菌G．mosseae和G．fasciculatum均可顯著降低菌根際反硝化細(xì)菌的數(shù)量。Meyer和Linderman［50］研究發(fā)現(xiàn)玉米接種叢枝菌根真菌 G．fasciculatum后，其根際熒光假單胞細(xì)菌的數(shù)量顯著降低。這可能是由于接種AMF后，植物根系分泌的有機(jī)碳化合物會(huì)顯著降低，因而導(dǎo)致反硝化細(xì)菌的數(shù)量降低。然而，上述試驗(yàn)中檢測反硝化細(xì)菌群落大小的方法有一定的缺陷，因此結(jié)果值得商榷。

叢枝菌根真菌與反硝化過程功能微生物也存在一定的相互作用。亞硝酸的還原過程是反硝化過程中的重要限速步驟，催化該還原過程的Cu－亞硝酸還原酶是由nirK基因所編碼。nirK基因是反硝化功能基因中研究最多的基因之一，因此被廣泛應(yīng)用于反硝化菌群落的研究。Veresoglou等［37］研究發(fā)現(xiàn)兩種叢枝菌根真菌G．intraradices和G．margarita均能顯著改變菌根際土壤nirK基因的群落組成，因而可能影響反硝化過程。這可能主要是由于AMF侵染植物根系后改變了菌根際碳沉降量，進(jìn)而對(duì)nirK功能基因群落組成產(chǎn)生影響。然而此試驗(yàn)并沒有檢測nirK基因的豐度以及其它反硝化過程功能基因如nirS和nosZ等，因此并沒有系統(tǒng)的闡述AMF對(duì)反硝化過程功能微生物的影響。未來可針對(duì)參加反硝化過程的其它功能基因如nirS和nosZ的豐度和群落組成開展進(jìn)一步的研究，進(jìn)而系統(tǒng)的闡述AMF與反硝化功能微生物之間的相互作用，探討AMF在反硝化過程中的潛在作用。

2.4 叢枝菌根真菌與氮素淋洗過程

叢枝菌根真菌在氮素淋洗過程中也有十分重要的作用。Heijden等［51］研究發(fā)現(xiàn)在低營養(yǎng)元素濃度時(shí)接種AMF能夠顯著降低羊茅(Festuca ovina)淋洗液中NH+4的濃度，在高營養(yǎng)元素濃度時(shí)接種AMF能顯著降低草地早熟禾(Poa pratensis)淋洗液中的NH+4濃度。更重要的是接種AMF并沒有顯著增加植物的生物量，這預(yù)示著接種AMF可能是減少草原生態(tài)系統(tǒng)中 N損失的有效途徑之一。Asghari和Cavagnaro［52］也發(fā)現(xiàn)，菌根真菌植物土壤濾出液中含有較低的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度，然而此試驗(yàn)中接種AMF明顯促進(jìn)了宿主植物的生長。此外，他們還采用馬鈴薯菌根突變體(不能被AMF侵染)和野生型為植物材料，發(fā)現(xiàn)野生型菌根植物顯著減少了濾出液中硝態(tài)氮的含量(減少了將近40倍)，并且野生型菌根植物土壤表層、中層的硝態(tài)氮含量顯著低于突變體植株［53］，這些結(jié)果表明AMF可顯著減低土壤淋洗液中的無機(jī)氮濃度。

關(guān)于叢枝菌根真菌調(diào)控土壤氮素淋洗過程的機(jī)理有如下幾種。其一，AMF改善菌絲際土壤結(jié)構(gòu)增加了土壤的保水能力［54］;其二，AMF促進(jìn)宿主植物對(duì)無機(jī)氮的吸收，減少了土壤中的無機(jī)氮濃度;其三，AMF與氨氧化微生物相互作用可降低氨氧化菌豐度從而降低土壤溶液中的無機(jī)氮濃度，尤其是NO－濃度［40］。

3

3 叢枝菌根真菌在土壤氮素循環(huán)中的生態(tài)學(xué)意義

3.1 叢枝菌根真菌地下菌絲網(wǎng)絡(luò)在養(yǎng)分傳遞以及再分配中的作用

AMF地下菌絲網(wǎng)絡(luò)的作用正日益引起人們的關(guān)注。AMF侵染宿主植物根系后，根外菌絲向根外介質(zhì)廣泛分枝延伸形成致密的菌絲網(wǎng)。由于大多數(shù)AMF并沒有寄主偏好性和專一性［1］，當(dāng)根外菌絲接觸到其它寄主植物時(shí)可再度侵染，從而形成根系之間的菌絲橋。眾多的植物間菌絲橋可以在土壤中形成一個(gè)密集的地下菌絲橋網(wǎng)絡(luò)，在植物間傳遞營養(yǎng)物質(zhì)的過程中起著重要的作用，并且同種植物、不同種植物均可形成地下菌絲網(wǎng)絡(luò)［55］。Cheng和Baumgartner［56］研究發(fā)現(xiàn)在標(biāo)記 Bromus hordeaceus、Medicago polymorpha 5、10d后就在相鄰葡萄樹中發(fā)現(xiàn)了15N的存在。

叢枝菌根真菌地下菌絲網(wǎng)絡(luò)還可以調(diào)節(jié)NH+4和NO－3在植物間的再分配，包括在固氮植物和非固氮植物之間、以及草本植物和木本植物之間。在大多數(shù)情況下，氮素通過菌絲橋由固氮菌根植物傳遞給非固氮菌根植物［55，57］。固氮菌根植物向非固氮菌根植物單向傳遞氮素的比例在0—80%之間［58］。但是固氮植物并不一定是氮供體，少數(shù)的研究也發(fā)現(xiàn)氮素可以通過菌絲橋由非固氮菌根植物向固氮菌根植物轉(zhuǎn)移，不過傳遞氮的比例最多只有10%左右［59－60］。氮素在供體和受體之間的這種傳遞具有重要的生態(tài)意義，可以影響到植物之間的生長和競爭，進(jìn)而維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 叢枝菌根真菌菌絲的N庫功能以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的間接影響

Treseder和 Cross［61］根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)估計(jì)全球范圍根系內(nèi)AMF的生物量能達(dá)到土壤微生物總量的4%左右，而且這些數(shù)據(jù)還沒有包括AMF根外菌絲生物量。Olsson等［62］認(rèn)為土壤中AMF的生物量是根內(nèi)的10倍之多。即使保守的認(rèn)為AMF根外菌絲生物量等同于根內(nèi)菌絲生物量，AMF生物量也會(huì)占據(jù)土壤微生物總量的5%—10%，并且真實(shí)的數(shù)據(jù)可能會(huì)更高。另外，Hodge和Fitter［12］研究發(fā)現(xiàn)AMF的根外菌絲有較高的N含量(3%—5%)，并且約有31%的氮來自于對(duì)菌絲室有機(jī)氮的礦化吸收，說明AMF可能需要吸收利用這些氮素用于自身的生長代謝并且其本身可能代表了土壤的一個(gè)重要N庫。考慮到AMF在全球范圍的普遍性［1］，其菌絲內(nèi)的N庫是相當(dāng)可觀的，在規(guī)模上可能與根系中的N庫相媲美［12］。另外，土壤中的AMF根外菌絲能迅速分解、轉(zhuǎn)化［63］，如此高的周轉(zhuǎn)率意味著AMF在全球氮素循環(huán)中可能發(fā)揮著重要的作用。

此外，叢枝菌根真菌與宿主植物之間的共生關(guān)系對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生間接影響。Sch?dler等［64］用菌根與非菌根草原植物凋落物作為材料，在土壤中包埋八周后發(fā)現(xiàn)接種AMF處理的凋落物降解速度顯著快于非菌根植物的凋落物。這可能是由于接種AMF提高了宿主植物組織中礦質(zhì)元素含量(N、P等)，因而增加了分解者的活性。由此可見，菌根是影響植物凋落物降解速度的一個(gè)重要因子，而其所起的作用可能迄今仍然被忽略。

4 問題與展望

綜上所述，AMF能夠從多方面影響土壤N素循環(huán)的各個(gè)過程，因而在調(diào)控土壤N素循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用，然而更深入的研究還有待進(jìn)一步進(jìn)行，主要包括:

(1)AMF吸收傳遞氮素的生態(tài)學(xué)意義

盡管AMF能吸收、傳遞 N給宿主植物，但是AMF吸收傳遞N的生態(tài)學(xué)意義還存在相當(dāng)大的爭議。首先，目前的很多研究在模擬控制條件下并沒有引入土壤微生物群落，因此AMF的作用可能被夸大;其次，無機(jī)氮尤其是硝態(tài)氮本身易于流動(dòng)和擴(kuò)散。因此，開展菌根模擬研究時(shí)要注意引入土壤土著微生物群落，并且要設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)裝置來防止無機(jī)氮在不同分室之間的流動(dòng)和擴(kuò)散。

(2)AMF和土壤N素循環(huán)功能微生物的相互作用

土壤氮素循環(huán)過程是由一系列相關(guān)的N素循環(huán)功能微生物所驅(qū)動(dòng)。AMF與N循環(huán)功能微生物的相互作用能闡述AMF在土壤各個(gè)氮素循環(huán)過程中所起的作用。雖然目前一些室內(nèi)模擬盆栽試驗(yàn)闡述了兩者之間的相互作用，但是試驗(yàn)設(shè)計(jì)并不能從根本上消除接種AMF對(duì)植物生長的影響。另外，土壤微生物經(jīng)過滅菌后需要經(jīng)過較長的時(shí)間才能恢復(fù)到平衡期甚至有些情況下無法再達(dá)到平衡期。因此，特殊植物材料的使用(菌根突變體和野生型)是一個(gè)可能的代替途徑。

(3)AMF影響土壤N素循環(huán)的機(jī)制

AMF可以通過其根外菌絲對(duì)土壤N素循環(huán)產(chǎn)生直接影響;也可以通過植物群落或者其它微生物群落對(duì)土壤N素循環(huán)產(chǎn)生間接影響。到底是哪一種影響占據(jù)主導(dǎo)地位還是兩者共同作用調(diào)控土壤N素循環(huán)過程呢?相信隨著研究的逐步深入，這些問題將會(huì)不斷被回答。

(4)AMF吸收傳遞N的分子機(jī)制

AMF吸收傳遞氮傳遞給植物的分子機(jī)制尚不明確，目前只有少數(shù)的AMF氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因被克隆，隨著AMF基因組測序工作的完成，極大豐富的基因組序列信息將有助于推動(dòng)AMF本身的氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因的克隆與功能分析，這對(duì)AMF與植物間氮素轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究具有重要意義。

［1］ Smith SE，Read D J.Mycorrhizal Symbiosis.3rd ed.London，UK:Academic Press Ltd.，2008.

［2］ Hawkins H J，Johansen A，George E.Uptake and transport of organic and inorganic nitrogen by arbuscular mycorrhizal fungi.Plant and Soil，2000，226(2):275－285.

［3］ Hodge A，Campbell CD，F(xiàn)itter A H.An arbuscularmycorrhizal fungus accelerates decomposition and acquires nitrogen directly from organic material.Nature，2001，413(6853):297－299.

［4］ Veresoglou S D，Chen B D，Rillig M C.Arbuscular mycorrhiza and soil nitrogen cycling.Soil Biology and Biochemistry，2012，46:53－62.

［5］ Tanaka Y，Yano K.Nitrogen delivery to maize via mycorrhizal hyphae depends on the form of N supplied.Plant，Cell and Environment，2005，28(10):1247－1254.

［6］ Frey B，Schüepp H.Acquisition of nitrogen by external hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi associated with Zea mays L.New Phytologist，1993，124(2):221－230.

［7］ Hart M M，Reader R J.Taxonomic basis for variation in the colonization strategy of arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist，2002，153(2):335－344.

［8］ Reynolds H L，Hartley A E，Vogelsang KM，Bever JD，Schultz P A.Arbuscular mycorrhizal fungi do not enhance nitrogen acquisition and growth of old－field perennials under low nitrogen supply in glasshouse culture.New Phytologist，2005，167(3):869－880.

［9］ Talbot JM，Allison SD，Treseder K K.Decomposers in disguise:mycorrhizal fungi as regulators of soil C dynamics in ecosystems under global change.Functional Ecology， 2008， 22(6):955－963.

［10］ Whiteside M D，Treseder K K，Atsatt P R.The brighter side of soils:quantum dots track organic nitrogen through fungi and plants.Ecology，2009，90(1):100－108.

［11］ Whiteside M D，Digman M A，Gratton E，Treseder K K.Organic nitrogen uptake by arbuscularmycorrhizal fungi in a boreal forest.Soil Biology and Biochemistry，2012，55:7－13.

［12］ Hodge A， Fitter A H.Substantial nitrogen acquisition by arbuscularmycorrhizal fungi from organicmaterial has implications for N cycling.Proceedingsof the National Academy of Sciencesof the United States of America，2010，107(31):13754－13759.

［13］ Atul－Nayyar A，Hamel C，Hanson K，Germida J.The arbuscular mycorrhizal symbiosis links N mineralization to plant demand.Mycorrhiza，2009，19(4):239－246.

［14］ Leigh J，Hodge A，F(xiàn)itter A H.Arbuscularmycorrhizal fungi can transfer substantial amounts of nitrogen to their host plant from organic material.New Phytologist，2009，181(1):199－207.

［15］ Aristizábal C，Rivera E L，Janos D P.Arbuscular mycorrhizal fungi colonize decomposing leaves of Myrica parvifolia， M．pubescens and Paepalanthus sp..Mycorrhiza，2004，14(4):221－228.

［16］ Toljander JF，Lindahl B D，Paul LR，Elfstrand M，F(xiàn)inlay R D.Influence of arbuscular mycorrhizal mycelial exudates on soil bacterial growth and community structure.FEMS Microbiology Ecology，2007，61(2):295－304.

［17］ Welc M，Ravnskov S，Kieliszewska－Rokicka B，Larsen J.Suppression of other soil microorganisms by mycelium of arbuscular mycorrhizal fungi in root－free soil.Soil Biology and Biochemistry，2010，42(2):1534－1540.

［18］ Nuccio E E，Hodge A，Pett－Ridge J，Herman D J，Weber P K，F(xiàn)irestone M K.An arbuscular mycorrhizal fungus significantly modifies the soil bacterial community and nitrogen cycling during litter decomposition.Environmental Microbiology，2013，15(6):1870－1881.

［19］ Cheng L，Booker F L，Tu C，Burkey K O，Zhou LS，Shew H D，Rufty TW，Hu SJ.Arbuscularmycorrhizal fungi increase organic carbon decomposition under elevated CO2.Science，2012，337(6098):1084－1087.

［20］ Johansen A，Jakobsen I，Jensen E S.Hyphal transport of15N－labelled nitrogen by a vesicular－arbuscularmycorrhizal fungus and its effecton depletion of inorganic soil N.New Phytologist，1992，122(2):281－288.

［21］ Leigh J，F(xiàn)itter A H，Hodge A.Growth and symbiotic effectiveness of an arbuscular mycorrhizal fungus in organic matter in competition with soil bacteria.FEMS Microbiology Ecology，2011，76(3):428－438.

［22］ Jin H R，Tian M M.Different forms of nitrogen utilization and effect of exogenous glucose on their metabolism in germinating spores of AM fungus.Scientia Sinica Vitae，2010，40(3):239－249.

［23］ Hodge A.N capture by Plantago lanceolata and Brassica napus from organic material:the influence of spatial dispersion，plant competition and an arbuscular mycorrhizal fungus.Journal of Experimental Botany，2003，54(391):2331－2342.

［24］ Cappellazzo G，Lanfranco L，Bonfante P.A limiting source of organic nitrogen induces specific transcriptional responses in the extraradical structures of the endomycorrhizal fungus Glomus intraradices.Current Genetics，2007，51(1):59－70.

［25］ Fellbaum CR，Gachomo EW，Beesetty Y，Choudhari S，Strahan G D，Pfeffer P E，Kiers E T，Bücking H.Carbon availability triggers fungal nitrogen uptake and transport in arbuscular mycorrhizal symbiosis.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109(7):2666－2671.

［26］ López－Pedrosa A，González－Guerrero M，Valderas A，Azcón－Aguilar C，F(xiàn)errol N.GintAMT1 encodes a functional high－affinity ammonium transporter that is expressed in the extraradical mycelium of Glomus intraradices.Fungal Genetics and Biology，2006，43(2):102－110.

［27］ Pérez－Tienda J，Testillano P S，Balestrini R，F(xiàn)iorilli V，Azcón－Aguilara C， Ferrol N.GintAMT2， a new member of the ammonium transporter family in the arbuscularmycorrhizal fungus Glomus intraradices.Fungal Genetics and Biology，2011，48(11):1044－1055.

［28］ Tian C J，Kasiborski B，Koul R，Lammers P E，Bücking H，Shachar－Hill Y.Regulation of the nitrogen transfer pathway in the arbuscular mycorrhizal symbiosis:Gene characterization and the coordination of expression with nitrogen flux.Plant Physiology，2010，153(3):1175－1187.

［29］ Cappellazzo G，Lanfranco L，F(xiàn)itz M，Wipf D，Bonfante P.Characterization of an amino acid permease from the endomycorrhizal fungus Glomusmosseae.Plant Physiology，2008，147(1):429－437.

［30］ Ibijbijen J，Urquiaga S，Ismaili M，Alves B JR，Boddey R M.Effect of arbuscularmycorrhizal fungi on growth，mineral nutrition and nitrogen fixation of three varieties of common beans(Phaseolus vulgaris). New Phytologist， 1996， 134(2):353－360.

［31］ Toro M，Azcon R，Barea J M.The use of isotopic dilution techniques to evaluate the interactive effects of Rhizobium genotype，mycorrhizal fungi，phosphate－solubilizing rhizobacteria and rock phosphate on nitrogen and phosphorus acquisition by Medicago sativa.New Phytologist，1998，138(2):265－273.

［32］ Martin P.Arbuscular mycorrhiza:the mother of plant root endosymbioses.Nature，2008，6(10):763－775.

［33］ Marsh JF，Schultze M.Analysis of arbuscular mycorrhizas using symbiosis－defective plant mutants.New Phytologist，2001，150(3):525－532.

［34］ Shrihari P C，Sakamoto K，Inubushi K，Akao S.Interaction between supernodulating or non－nodulatingmutants of soybean and two arbuscular mycorrhizal fungi.Mycorrhiza，2000，10(3):101－106.

［35］ Scheublin，T R，van der Heijden，Marcel G A.Arbuscular mycorrhizal fungi colonize nonfixing root nodules of several legume species.New Phytologist，2006，172(4):732－738.

［36］ Scheublin T R，Ridgway K P，Young JPW，van der Heijden M G A.Nonlegumes，legumes，and root nodules harbor different arbuscular mycorrhizal fungal communities. Applied and Environmental Microbiology，2004，70(10):6240－6246.

［37］ Veresoglou S D，Shaw L J，Hooker J E，Sen R.Arbuscular mycorrhizalmodulation of diazotrophic and denitrifying microbial communities in the(mycor)rhizosphere of Plantago lanceolata.Soil Biology and Biochemistry，2012，53:78－81.

［38］ Wuchter C，Abbas B，Coolen M JL，Herfort L，van Bleijswijk J，Timmers P，Strous M，Teira E，Herndl G J，Middelburg J J，Schouten S，Sinninghe DamstéJS.Archaeal nitrification in the ocean.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2006，103(33):12317－12322.

［39］ Lam P，Jensen M M，Lavik G，McGinnis D F，Müller B，Schubert C J，Amann R，Thamdrup B，KuypersM M M.Linking crenarchaeal and bacterial nitrification to anammox in the Black Sea.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104(17):7104－7109.

［40］ Chen Y L，Xu ZW，Hu HW，Hu Y J，Hao Z P，Jiang Y，Chen B D.Responses of ammonia－oxidizing bacteria and archaea to nitrogen fertilization and precipitation increment in a typical temperate steppe in Inner Mongolia.Applied Soil Ecology，2013，68:36－45.

［41］ Shen JP，Zhang LM，Zhu Y G，Zhang JB，He JZ.Abundance and composition of ammonia－oxidizing bacteria and ammoniaoxidizing archaea communities of an alkaline sandy loam.Environmental Microbiology，2008，10(6):1601－1611.

［42］ Bollmann A，B?r－Gilissen M J，Laanbroek H J.Growth at low ammonium concentrations and starvation response as potential factors involved in niche differentiation among ammonia－oxidizing bacteria.Applied and Environmental Microbiology，2002，68(10):4751－4757.

［43］ Amora－Lazcano E，Vazquez M M， Azcon R.Response of nitrogen－transforming microorganisms to arbuscular mycorrhizal fungi.Biology and Fertility of Soils，1998，27(1):65－70.

［44］ Klopatek C C，Klopatek J M.Nitrifiers and mycorrhizae in pristine and grazed Pinyon－Juniper ecosystems.Arid Soil Research and Rehabilitation，1997，11(4):331－342.

［45］ Cavagnaro T R，Jackson L E，Scow K M，Hristova K R.Effects of arbuscular mycorrhizas on ammonia oxidizing bacteria in an organic farm soil.Microbial Ecology，2007，54(4):618－626.

［46］ Veresoglou S D，Sen R，Mamolos A P，Veresoglou D S.Plant species identity and arbuscular mycorrhizal status modulate potential nitrification rates in nitrogen－limited grassland soils.Journal of Ecology，2011，99(6):1339－1349.

［47］ Chen Y L，Chen B D，Hu Y J，Li T，Zhang X，Hao Z P，Wang Y S.Direct and indirect influence of arbuscularmycorrhizal fungi on abundance and community structure of ammonia oxidizing bacteria and archaea in soilmicrocosms.Pedobiologia，2013，56(4/6):205－212.

［48］ Yao Q，Wang L R，Zhu H H，Chen J Z.Effect of arbuscular mycorrhizal fungal inoculation on root system architecture of trifoliate orange(Poncirus trifoliata L.Raf.)seedlings.Scientia Horticulturae，2009，121(4):458－461.

［49］ Fitter A H，Stickland T R，Harvey M L，Wilson G W.Architectural analysis of plant－root systems 1. Architectural correlates of exploitation efficiency.New Phytologist，1991，118(3):375－382.

［50］ Meyer JR，Linderman R G.Selective influence on populations of rhizosphere or rhizoplane bacteria and actinomycetes by mycorrhizas formed by Glomus fasciculatum.Soil Biology and Biochemistry，1986，18(2):191－196.

［51］ van der Heijden M G A.Mycorrhizal fungi reduce nutrient loss from model grassland ecosystems.Ecology，2010，91(4):1163－1171.

［52］ AsghariH，Cavagnaro TR.Arbuscularmycorrhizas enhance plant interception of leached nutrients.Functional Plant Biology，2011，38(3):219－226.

［53］ Asghari H，Cavagnaro T R.Arbuscular mycorrhizas reduce nitrogen loss via leaching.PLoSONE，2012，7(1):e29825.

［54］ Rillig M C，Hoye A T，Carran A.Minimal direct contribution of arbuscularmycorrhizal fungi to DOC leaching in grassland through losses of glomalin－related soil protein. Soil Biology and Biochemistry，2006，38(9):2967－2970.

［55］ Newman E I.Mycorrhizal links between plants:their functioning and ecological significance.Advances in Ecological Research，1988，18:243－271.

［56］ Cheng X M，Baumgartner K.Arbuscular mycorrhizal fungimediated nitrogen transfer from vineyard cover crops to grapevines.Biology and Fertility of Soils，2004，40(6):406－412.

［57］ He X H，Critchley C，Bledsoe C S.Nitrogen transfer within and between plants through common mycorrhizal networks(CMNs).Critical Reviews in Plant Sciences，2003，22(6):531－567.

［58］ He X H，Xu M G，Qiu G Y，Zhou JB.Use of15N stable isotope to quantify nitrogen transfer between mycorrhizal plant.Journal of Plant Ecology，2009，2(3):107－118.

［59］ Johansen A，Jensen E S.Transfer of N and P from intact or decomposing roots of pea to barley interconnected by an arbuscular mycorrhizal fungus.Soil Biology and Biochemistry，1996，28(1):73－81.

［60］ Li Y F，Ran W，Zhang R P，Sun S B，Xu G H.Facilitated legume nodulation，phosphate uptake and nitrogen transfer by arbuscular inoculation in an upland rice and mung bean intercropping system. Plant and Soil， 2009， 315(1/2):285－296.

［61］ Treseder K K， Cross A.Global distributions of arbuscular mycorrhizal fungi.Ecosystems，2006，9(2):305－316.

［62］ Olsson PA，Thingstrup I，Jakobsen I，B??th E.Estimation of the biomass of arbuscular mycorrhizal fungi in a linseed field.Soil Biology and Biochemistry，1999，31(13):1879－1887.

［63］ Staddon P L，Ramsey C B，Ostle N，Ineson P，F(xiàn)itter A H.Rapid turnover of hyphae ofmycorrhizal fungi determined by AMS microanalysis of14C.Science，2003，300(5622):1138－1140.

［64］ Sch?dler M，Brandl R，Kempel A. “Afterlife” effects of mycorrhization on the decomposition of plant residues.Soil Biology and Biochemistry，2010，42(3):521－523.

參考文獻(xiàn):

［22］ 金海如，田萌萌.叢枝菌根真菌萌發(fā)孢子利用不同氮素及外源葡萄糖對(duì)其代謝的影響.中國科學(xué):生命科學(xué)，2010，40(3):239－249.