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叢枝菌根真菌影響植物氮素吸收和轉(zhuǎn)運的研究進展

2024-12-31 00:00:00蒲子天王菲李暢王鑫鑫
關(guān)鍵詞:叢枝菌根真菌氮素

摘要:叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能與寄主植物形成共生體,廣泛存在于陸地生態(tài)系統(tǒng)中,接種AMF可使寄主植物具有更強的氮(N)素吸收能力。AMF與寄主共生能夠通過直接與間接途徑促進植物對N的吸收。直接途徑為AMF與寄主共生可改善植物根系性狀,擴大根吸收總面積與活躍吸收面積,并在植物根部形成菌絲,擴寬對土壤的探索面積;同時,根外菌絲還可在寄主根間形成菌絲橋,提升寄主間N吸收能力及N的交流。間接途徑為菌根共生可促進寄主根分泌物以及菌絲分泌物的增加,提高寄主對土壤N素的吸收;此外,菌絲能夠承載大量細菌,且菌絲分泌物能刺激微生物生長與活性,進而改變寄主植物根系微生物組成;同時,AMF與根瘤菌互作能夠提升寄主對N素的固定與吸收能力。AMF除影響寄主對N的吸收外,還可影響寄主體內(nèi)N的轉(zhuǎn)運途徑,主要表現(xiàn)為菌根共生體中根外菌絲吸收土壤中的無機N,將無機N轉(zhuǎn)化成精氨酸(arginine,Arg),通過菌絲體運輸?shù)礁鶅?nèi)菌絲,被分解成尿素和鳥氨酸(ornithine,Orn),通過鳥氨酸循環(huán)再次形成NH+4 -N,并通過銨轉(zhuǎn)運蛋白(ammonium transporter,AMT)將NH+4-N轉(zhuǎn)移給寄主細胞,供植物生長所需。綜述了AMF影響植物對N素吸收及N素轉(zhuǎn)運機制的研究,以期為菌根互作對植物N素的吸收和轉(zhuǎn)運研究提供參考。

關(guān)鍵詞:叢枝菌根真菌;氮素;轉(zhuǎn)運途徑

doi:10.13304/j.nykjdb.2023.0166

中圖分類號:S182 文獻標志碼:A 文章編號:10080864(2024)11017109

氮(N)素是植物生長繁殖過程中所需的大量元素,也是植物生長發(fā)育的限制因子之一[1]。研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物在土壤N轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)運過程中有至關(guān)重要的作用,但土壤微生物對N的需求也會與植物間形成競爭,且微生物往往在競爭中占據(jù)優(yōu)勢[2]。由于微生物的競爭優(yōu)勢,在低N和高碳氮比(C/N)土壤會抑制植物生長,然而這種負面影響可以通過叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizalfungi,AMF)成功地消除[34]。

AMF能與大多數(shù)高等植物形成共生體,廣泛存在于各種生態(tài)系統(tǒng)中,是與植物關(guān)系最密切的土壤微生物之一[5]。AMF能夠促進植物對養(yǎng)分的吸收,如N、磷(P)、鋅(Zn)等[6-8]。但AMF需要大量的N,研究表明AMF菌絲中的N含量要高于寄主植物[2, 9]。AMF 與寄主植物之間也可能存在N 競爭[7],在草原生態(tài)系統(tǒng)中,禾本科植物與AMF之間的N競爭已被證實[1011]?,F(xiàn)階段研究表明,在這種競爭關(guān)系中,AMF對寄主植物的促進效果更強。因此,AMF對寄主植物的N吸收有直接促進作用。

研究表明,AMF可通過直接與間接2種途徑影響寄主植物對N的吸收(圖1)。直接途徑主要包括:①AMF可改變寄主植物的根結(jié)構(gòu),擴大根吸收總面積與活躍吸收面積[12];②AMF與寄主植物共生,在寄主根部形成菌絲,在擴大根對土壤探索面積的同時,AMF菌絲還可直接吸收土壤和有機質(zhì)中的N[13];③寄主植物根間可形成AMF菌絲橋,進而提升寄主植物間的N素交流,促進寄主植物的N吸收能力[14]。間接途徑主要包括:①AMF可促進寄主根分泌物以及AMF 菌絲分泌物增加[15];②AMF菌絲可攜帶大量細菌,菌絲分泌物能夠刺激微生物,改變寄主植物根際微生物組成,間接提升寄主的N吸收能力[1617];③AMF與根瘤菌互作可提升寄主根對N的固定與吸收[18]。

AMF與寄主植物共生還可影響N在寄主植物根內(nèi)的轉(zhuǎn)運。AMF根外菌絲通過吸收土壤中的無機N,將無機N轉(zhuǎn)化成精氨酸(arginine,Arg),在菌絲體內(nèi)運輸?shù)紸MF根內(nèi)菌絲;在AMF根內(nèi)菌絲中Arg分解成尿素和鳥氨酸(ornithine,Orn),Orn循環(huán)形成NH+4-N,通過銨轉(zhuǎn)運蛋白(ammoniumtransporter,AMT)將NH+4-N轉(zhuǎn)移到寄主細胞,供植物生長所需。

本研究主要對近年來AMF與不同類型植物共生對N素的獲取方式及轉(zhuǎn)運途徑進行了匯總,以期為AMF影響植物N素吸收和轉(zhuǎn)運途徑的研究提供參考。

1 不同施N 水平和N 源對AMF 侵染程度的影響

不同施N 水平和不同N 源供應(yīng)會導(dǎo)致AMF對寄主植物的侵染情況產(chǎn)生較大差異。趙飛等[19] 研究發(fā)現(xiàn),在不同土壤N 水平(0、1、15 mmol·L-1 NH4NO3)下,15 mmol·L-1 NH4NO3 處理使AMF 對寧夏枸杞(Lycium chinense Miller)侵染率最高,達到62.8%,且枸杞葉片和根的NH+4-N含量顯著提升。研究表明,低N 處理更能促進楊樹(Populus L.)根與AMF 共生體的形成,而超高N 水平處理能夠促進AMF 生理代謝活動,添加N 直接改變土壤理化性質(zhì),從而間接影響根與AMF的共生關(guān)系[20]。

研究表明,NH+4-N 條件下,AMF 對杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]總C 和N含量的影響更顯著[21],其原因可能為相較于NO-3-N,AMF對NH+4-N的吸收能力更強,導(dǎo)致植物擁有更高的N含量。李俠等[22]采用空氣隔板分室法,對玉米(Zea mays L.)和紅三葉草(Trifoliumpratense L.)接種2類AMF,通過觀察同位素15N的流動發(fā)現(xiàn),2類AMF的根外菌絲對NH+4-N的吸收與傳遞能力均高于NO-3-N。由此表明,AMF更易吸收NH+4-N。

綜上所述,不同N水平和不同N源會對AMF侵染程度以及對N的吸收產(chǎn)生較大影響,在同等條件下,AMF能夠更好地促進植物對N素的吸收,并更容易吸收與傳遞NH+4-N。但AMF 為何易吸收NH+4-N,以及不同N水平處理是如何影響AMF對寄主植物的侵染及其程度仍需要進一步探究。

2 AMF 直接影響植物對氮素的吸收

2.1 AMF 改善植株根形態(tài)特征

根是植物吸收養(yǎng)分的主要器官,植物根性狀的增強能夠直接提升植物對養(yǎng)分的吸收能力。AMF與宿主形成共生菌根后,寄主植物的根尖表皮加厚、細胞層數(shù)增多,促進了根的生長與分枝,擴大了寄主根吸收土壤養(yǎng)分的范圍[12]。接種AMF,可使寄主植物的根長、吸收面積、根體積等根形態(tài)特征增強,從而提升植物對氮素的吸收能力[23-27]。研究表明,將大青楊苗木(Populusussuriensis)分別接種摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae)、根內(nèi)球囊霉(Rhizophagus intraradices)、彎絲球囊霉(Glomus sinuosa)和地表球囊霉(Glomus versiforme),發(fā)現(xiàn)根內(nèi)球囊霉對寄主根特征的提升效果最好,寄主的根總吸收面積擴大56.2%,活躍吸收面積顯著擴大[28];辣椒(Capsicumannuum L.) 在接種幼套球囊霉(Glomusetunicatum)、摩西管柄囊霉和地表球囊霉3種AMF菌劑后,均表現(xiàn)出根體積、根表面積以及一級側(cè)根數(shù)增加等現(xiàn)象[29];荊條(Vitex Negundo)和長豆角(Ceratonia siliqua L.)在施入AMF菌劑后,其根長、根體積與根表面積都有不同程度的增強,根尖數(shù)與分叉數(shù)也有所增加[16, 30];黃花蒿(Artemisia annuaLinn.)接種摩西管柄囊霉后,其根長、根表面積和根活力均顯著增加,較對照分別提升87.0%、97.0%和19.6%[31]。馬放等[32]通過對巴林禾(Poa pratensisL.)接種摩西管柄囊霉、根內(nèi)球囊霉以及二者混合菌劑發(fā)現(xiàn),隨著菌根侵染率的提升,寄主根更發(fā)達,其生物量更高,其中混合AMF對N、P的截留效果更顯著。

綜上所述,不同種類的AMF能夠通過改善不同類型植物的根長、根體積、根表面積等根特征,增強植物對N素吸收能力。但不同種類AMF對植物根的改善效果存在差異,如何在不同土壤N條件下快速確定對植物調(diào)節(jié)效果最優(yōu)的菌種,對未來發(fā)展尤為重要。同時,AMF以何種方式改變寄主植物根系變化仍需進一步研究。

2.2 根外菌絲對氮素的直接吸收

由于土壤N的化學(xué)固定、淋溶損失以及植株根探尋區(qū)域有限,易形成營養(yǎng)匱乏區(qū)[33],AMF與植物共生在根部形成根外菌絲網(wǎng)絡(luò),能有效拓展植物根與土壤的接觸面積[13],致密的菌絲網(wǎng)絡(luò)能夠直接從土壤吸收NH+4-N和NO-3-N等N素,并輸送給寄主植物。AMF可通過為植物提供營養(yǎng)物質(zhì),獲取植物光合作用的碳水化合物,并且植物大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)是通過菌絲吸收,且吸收效率可高達100%[34]。研究表明,胡蘿卜(Daucus carota var.sativa Hoffm.)根吸收的N中有1/3是由AMF吸收的無機N提供[35]。葡萄(Vitis vinifera L.)扦插苗接種AMF后,植株體內(nèi)N、P、K含量均明顯提升[36]。通過15N培養(yǎng)植物發(fā)現(xiàn),20%的N被根外菌絲吸收,由此證明,根外菌絲是提高植物N吸收的重要途徑[37]。根外菌絲吸收的N并不全部輸送給寄主,甚至有大量N留在了菌絲體內(nèi),形成“N庫”,從而作為C源的交換資本[38]。AMF也可直接吸收有機質(zhì)中的N,同位素試驗發(fā)現(xiàn),AMF根外菌絲能夠在有機質(zhì)中迅速擴增[2, 38-41],有機質(zhì)為菌絲提供了31%的15N,但僅有少量的15N傳遞給寄主,表明菌絲能夠吸收有機質(zhì)降解后的無機N化合物[2]。然而,目前研究僅發(fā)現(xiàn)Glomeraceae 類AMF能夠吸收有機質(zhì)N源的特性,而Gigasporaceae 類菌根對植物N吸收貢獻較小[42]。

雖然AMF的根外菌絲能夠直接吸收土壤和有機質(zhì)中的N素,但目前對于菌絲中“N庫”的具體作用以及“N庫”中N素的流向和能量的交換仍需深入研究。

2.3 AMF 對間作植物氮素利用的影響及菌絲橋?qū)Φ膫鬟f

研究發(fā)現(xiàn),AMF對間作植物的N積累有顯著影響。趙乾旭等[43]通過對間作玉米/大豆[Glycinemax (Linn.) Merr.]接種土著AMF,結(jié)果表明,外施有機N或無機N,與單作相比,接種AMF的間作處理下寄主根系減少土壤無機N積累的能力得到加強。汪新月等[44]對間作玉米/大豆接種土著AMF,接種AMF的玉米和大豆植株的N含量和N吸收量顯著提高,同時減少了根際土堿解N的殘留。除經(jīng)典豆科/禾本科植物間作模式外,劉圓圓等[45]通過間作辣椒(Capsicum annuum L.)/菜豆(Phaseolusvulgaris Linn.)試驗發(fā)現(xiàn),無論是提供有機或無機N,接種AMF均能顯著提升辣椒、菜豆的生物量與N吸收量;相較于單作,有機N源的間作處理對寄主N吸收量的提升效果最為顯著,辣椒、菜豆的N吸收量分別提升39.9%和93.0%;同時,間作協(xié)同土著AMF增加了土壤有機質(zhì)含量及土壤蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶活性,此現(xiàn)象在黃瓜(Cucumissativus L.)/大豆間作模式下也表現(xiàn)出一致性[46]。

綜上所述,在間作條件下,接種AMF能提升間作植物雙方的N含量及N吸收量,其原因可能是在間作條件下AMF共生體根外菌絲密度更高,提升了根侵染概率,擴大了根活動空間與作用范圍,促進了植株對N的吸收利用[47]。除菌絲的直接吸收途徑外,還可能與AMF菌絲橋有關(guān)。菌根共生體的根外菌絲在土壤中延伸,當菌絲接觸到其他寄主時,可對其他寄主再次侵染,在二者根之間形成菌絲橋結(jié)構(gòu),建立龐大菌絲橋網(wǎng)絡(luò),通過菌絲網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)不同植物之間的營養(yǎng)分配,以及對資源的競爭[48-50],使養(yǎng)分在不同寄主植物間進行傳遞。研究表明,通過分室根箱培養(yǎng)法,發(fā)現(xiàn)3種不同受體植物均含有來自供體香樟[Cinnamomum camphora(L.) presl]的15N[14]。艾為黨等[51]通過五室分隔法發(fā)現(xiàn),玉米和花生根間菌絲橋可以對N素進行雙向傳遞,且花生所傳遞的N素明顯高于玉米。研究表明,共生體通過菌絲橋?qū)由固N植物傳遞給非固N植物,但是固N植物并非一定是N供體[52];只有10%的N通過菌絲橋由綠豆[Vigna radiata (Linn.)Wilczek.]向旱稻傳遞[53]。這也進一步表明菌絲橋?qū)素的傳遞能力較弱。

綜上所述,間作植物接種AMF能夠有效提升寄主植物對N素的吸收,但AMF對間作植物的主要影響是通過何種途徑來提高寄主植物的N吸收能力尚不明確。雖然AMF菌絲橋能夠形成寄主間N素交流的通道,但這個通道是否存在雙方寄主對N素吸收的競爭,以及N素在雙方之間的具體流向,還需進一步研究。

3 AMF 間接影響植物對N 素的吸收

3.1 AMF 促進根分泌物的增加

AMF與寄主共生后,不僅促進了寄主根分泌物的增加,而且AMF菌絲自身也能夠分泌物質(zhì)以提高寄主對土壤N素的吸收。同時,Arg是菌根共生體吸收N素重要的中間產(chǎn)物,與Arg合成相關(guān)的酶主要有谷氨酰胺合成酶、磷酸合成酶、谷氨酸酶、精氨琥珀酸裂解酶、精氨琥珀合成酶等[54]。張永福等[15]通過對不同葡萄品種接種F.m發(fā)現(xiàn),AMF能夠顯著提升共生體菌絲的堿性磷酸酶和琥珀脫氫酶活性,導(dǎo)致植株N、P含量顯著提升。在養(yǎng)分脅迫下,甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)接種摩西管柄囊霉可以改善根結(jié)構(gòu)、提高類黃酮化合物的積累,提升植物對P、K、Mg、Cu、Zn 和Mn 的吸收[55]。接種摩西管柄囊霉還可提升黃花蒿對N、P和K養(yǎng)分的吸收,改善光合作用,增加青蒿素含量[56];同時,孫晨瑜等[31]發(fā)現(xiàn),摩西管柄囊霉還可顯著提升黃花蒿根分泌物含量,使黃花蒿根系中可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸含量分別增加74.38%、16.13%、203.00%,并且顯著提升有機酸種類及含量。研究表明,AMF能夠提高硝酸還原酶活性,提高植物N代謝有效性,改善植物N狀況[12]。

雖然寄主根系和AMF菌絲的分泌物可以促進寄主植物對土壤N的吸收,但在土壤環(huán)境中究竟是根系分泌物還是AMF菌絲分泌物在寄主植物N吸收過程貢獻程度更高還需進一步研究。

3.2 AMF 改善根際微生物群落

菌根共生被認為是AMF寄主植物之間的相互作用。AMF可承載大量細菌,不同的細菌群落表現(xiàn)出不同的功能。研究發(fā)現(xiàn),雖然AMF菌絲不能降解有機質(zhì)[57],但卻能直接吸收有機質(zhì)降解后的無機N化合物,其原因可能是菌絲分泌物刺激了微生物的代謝活動,加速了有機質(zhì)降解,間接影響植物對N素的吸收[2, 16, 39-43],因此,AMF菌絲介入可能導(dǎo)致土壤微生物組成發(fā)生改變[4, 17, 58]。Toljander等[58]研究證實,AMF菌絲分泌物影響土壤微生物組成,并在菌絲分泌物中發(fā)現(xiàn)蔗糖和有機酸等小分子化合物,以及一些大分子聚合物。祁紅英等[59]通過對番茄(Solanum lycopersicum L.)接種AMF,發(fā)現(xiàn)AMF不但促進了番茄幼苗的生長,提升了土壤酶活性,而且使土壤由“真菌型”向“細菌型”轉(zhuǎn)變。這進一步說明AMF能夠改變根際微生物組成。張學(xué)林等[60]通過分室法發(fā)現(xiàn),玉米接種摩西管柄囊霉后可使植株N含量提升,并有效改善土壤細菌群落組成,主要增加了土壤鏈霉菌屬和芽單胞菌屬的相對豐度。張富糧等[61]對玉米接種F.m,發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)的N肥處理能夠改善土壤細菌群落組成,促進玉米籽粒N積累,其中Tepidisphaerales目和Bradyrhizobium 屬細菌的相對豐度顯著增加。

AMF和根瘤菌之間有著緊密的聯(lián)系[18],它們相互作用直接影響豆科植物的生長、產(chǎn)量及豆科植物-根瘤菌-AMF三者共生體系的效率[62]。AMF與根瘤菌同時接種對共生植物的促進作用要超過單一接種,AMF與根瘤菌具有協(xié)同作用,可顯著提高植株的結(jié)瘤、固N、營養(yǎng)、種子產(chǎn)量和生物量[62]。研究發(fā)現(xiàn),AMF 能夠顯著提高紫穗槐(Amorphafruticosa Linn.)根瘤菌結(jié)瘤數(shù)量,并且AMF侵染率達到25%時,AMF紫穗槐共生體根分泌物能夠誘導(dǎo)根瘤菌產(chǎn)生更多的結(jié)瘤因子,提高寄主植物的固N能力[63]。劉云龍等[64]發(fā)現(xiàn),AMF能夠顯著提升大豆根瘤的結(jié)瘤數(shù)以及植株N含量,其中在田間非AMF菌絲限制條件下能夠顯著提升大豆結(jié)瘤數(shù),較限制處理提升212.5%。

4 菌根共生體中N 素的轉(zhuǎn)運

菌根共生體中N傳輸是在土壤中吸收無機N轉(zhuǎn)化為有機N、再轉(zhuǎn)化為無機N的過程[65]。其中,根外菌絲吸收土壤中的無機N(NH+4-N和NO-3-N),并將無機N 轉(zhuǎn)化成Arg,由菌絲體運輸?shù)礁鶅?nèi)菌絲,最終將無機N(NH+4-N)傳遞給寄主細胞,完成傳N去C的過程[36, 6667],該過程涉及大量N代謝功能基因和酶。通過對根內(nèi)球囊霉中功能基因的表達分析和酶活測定發(fā)現(xiàn),涉及NH+4-N和NO-3-N運輸離子泵、NO-3 泵以及參與高親和NH+4 吸收的NH+4泵[36, 66 6869]。AMF的NH+4 泵將NH+4-N運輸?shù)郊闹骷毎麅?nèi)叢枝、泡囊和植物皮層細胞之間的空隙[70],植物NH+4 泵將植物和真菌共生質(zhì)體界面處的NH+4-N轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)部,最后在細胞內(nèi)釋放出NH+4-N[58, 71]。硝酸鹽被菌絲吸收后,通過硝酸還原酶和亞硝酸還原酶將NO-3-N轉(zhuǎn)化為NH+4-N。NO-3-N轉(zhuǎn)化或從土壤中直接吸收的NH+4-N,經(jīng)過谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase,GOGAT)的聯(lián)合作用,轉(zhuǎn)化成Arg[7273],和含有能夠參與脯氨酸運輸?shù)耐感悦窯mosAAP1,其轉(zhuǎn)錄水平隨著氨基酸含量增加而上調(diào)[74]。研究發(fā)現(xiàn),AMF可以調(diào)節(jié)桑樹(Morus albaL.)根中PIPs 和TIPs 基因的表達,從而促進桑樹對N吸收[75]。

在共生體根內(nèi)菌絲中,Arg分解成尿素和Orn,通過Orn循環(huán)再次形成NH+4-N,AMT將NH+4-N轉(zhuǎn)移給寄主細胞,供植物生長所需。Arg作為Orn循環(huán)中的重要中間產(chǎn)物,能在根外菌絲和根內(nèi)菌絲之間快速地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螒B(tài)。除了AMF與寄主植物共生膜上的AMT 積極參與NH+4-N 的轉(zhuǎn)運過程外[7576],硝酸鹽也可直接以NO-3-N形式通過植物細胞膜上硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白被寄主植物吸收[77]。

5 展望

雖然研究者關(guān)于AMF在植物N素獲取和轉(zhuǎn)運方面有了很大進展,但仍有很多問題需要進一步研究。①大多數(shù)研究仍采用單一植物,在探究植物對N素獲取方式上依舊是采用單一菌劑或少量混合菌劑,不利于研究自然條件下菌根植物的養(yǎng)分狀況。AMF菌絲橋能夠形成寄主間N素交流的通道,但這個通道是否存在寄主間對N素吸收的競爭以及N素在雙方之間的具體流向,這些都需要進一步深入研究。②不同種類AMF與寄主植物形成共生體,AMF以何種方式影響寄主植物根分泌物及微生物組成還需進一步探究。③Arg以何種形式被Orn分解,或何種N代謝基因能夠促進這一轉(zhuǎn)化過程,也需要進一步深入研究。

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