根际磷吸收和相关菌根真菌研究综述 by 赵一鸣
编者按：土壤微生物是土壤中一个重要组成部分，本文综述了其中一种真菌的研究进展。这篇综述行文格式为标准的科技论文，希望大家会喜(shi)欢(ying)。
本文作者@赵一鸣，作者保留所有版权。
摘要 自然条件下往往会出现植物磷缺乏现象。为应对低磷胁迫，植物往往会发展出适应性来获得磷素，其中诱导菌根真菌与植物细胞形成菌根共生体是较为常见的一种适应行为。根系分泌物中的有机酸能够通过降低土壤pH、解吸在结合位点上的磷元素等机理促进难溶磷活化，而根系也增加磷酸酶分泌以活化土壤中磷元素，磷酸酶活性和菌根真菌之间存在着一定的关系。而在研究菌根共生体形成过程中，关键的信号分子——独脚金内酯(strigolactones)的研究越来越深入。这类植物激素对菌根真菌分枝、寄生植物萌芽具有诱导作用，近年来又发现独脚金内酯对植物分枝和根系形态发育也有调控作用。
关键词低磷胁迫；适应行为；菌根真菌；独脚金内酯
磷元素是重要的植物营养元素，但是作物仍然很难在自然条件下获得充足的磷元素，这主要是由于容易被植物吸收利用的磷元素在土壤中的含量偏低。植物在自然界中利用的最主要的磷元素形式是正磷酸盐，主要为H2PO4-以及HPO42-，它们在土壤溶液中以扩散形式流动[1]。土壤中80%以上的磷元素由于吸附、沉降或是转化成难以溶解的有机物等原因，难以被植物吸收利用[2]。正因为植物缺乏可供利用的磷元素，经常可以观察到从根际土壤到非根际土壤之间的可溶磷元素浓度梯度降低，甚至磷元素在根际的耗尽[3]。
而在对植物吸收磷元素的研究中，由于菌根共生体与植物吸收磷元素的活动关系密切，并且其中还有很多疑问没有揭开，近些年来，对菌根与植物根系磷的吸收的研究逐渐成为一个热门课题。从植物缺磷状态下和菌根的互动入手，又可以探究植物内部生理和菌根生命周期等许多问题。奥陶纪和泥盆纪的化石显示，早在那时就有丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal, AM)共生体存在的迹象，这或许表明，丛枝菌根在植物登陆的过程中起了重要作用[4]。
植物诱导菌根真菌萌发又涉及到根系分泌的信号分子，这种信号分子——一种植物激素——只是在近些年才逐步为人所知，而且它还被揭示出许多其它调节植物自身生长和植物与其它寄生植物关系的功能。
由于缺磷环境的普遍性，提高植物对土壤中原本难以利用的磷元素的利用能力显得十分重要，为此要对植物根系以及根系与菌根真菌共生体吸收磷元素的机制进行探究。本文综述了近些年来在植物对磷吸收这方面的研究，以及相关的菌根真菌促进植物吸收磷素的机理，最后介绍了近些年菌根真菌研究的热点——诱导菌根真菌萌发的信号分子独脚金内酯的研究。
1 植物根系对低磷胁迫的适应
为应对低磷胁迫，植物根系会产生一系列变化。植物根系一般仅能吸收距根表面1~4 mm的根际土壤中的磷[5]，又由于适于植物吸收的正磷酸盐在土壤溶液中扩散缓慢，植物根系的形态、覆盖范围和深入程度对植物吸收磷元素十分关键。植物此时要尽量扩大其根系覆盖的土壤面积，因此植物根系侧根伸长，根毛伸长并增多，甚至如白羽扇豆这样的植物会长出排根[6]。在低磷胁迫下，许多植物也会通过与菌根真菌形成共生体，通过菌根真菌的菌丝深入土壤，扩大与土壤的接触面积，吸收磷元素。
此外，植物也会增加根际分泌物的分泌，特别是有机酸和磷酸酶，来活化土壤中难利用的磷元素[7]。Jianguo[2]等在对水稻进行研究时发现，磷缺乏状态下，水稻根际土壤中溶于硫酸的磷元素相比于比溶于氢氧化钠或溶于氟化铵溶液的磷元素，消耗程度更大，得出酸溶性磷元素可能更易被水稻吸收的结论，并推测降低根际土壤pH可能是植物适应磷缺乏环境的一种行为。沙晓晴[8]等人对玉米的研究也说明，低磷水平下根际土壤比非根际土壤的pH普遍要低。磷缺乏过程中土壤酸化还涉及到磷元素与H+的共运机制，即耗能的通过H+ATPases的共运机制[9]，但也有一部分是植物根际分泌的有机酸的贡献。又由于降低pH，土壤中H2PO4-增加，HPO32-逐渐转化为H2PO4-
，而一般来说植物是较为倾向于吸收H2PO4
-[9]，降低根际土壤pH对植物吸收磷元素有利。
除了降低土壤pH之外，有机酸阴离子还能够和磷争夺土壤颗粒上的吸附位点，并与铁离子、铝离子、钙离子等金属离子螯合，促进磷的解析，将难以被植物吸收的磷元素释放出来[10]。
植物在低磷胁迫下可以对磷酸酶（APase）分泌进行调节，许多实验证明低磷胁迫下一些植物能大量提高土壤中磷酸酶活性，植物中具有应对低磷胁迫的基因调控磷酸酶分泌，在羽扇豆中找到的一种cDNA，命名为LASAP1，是编码分泌酸性磷酸酶的基因[11]。
2 关于菌根促进植物磷吸收的研究
对菌根的营养生理学研究中，关于磷吸收的研究较多，并且衍生出许多相关研究，涉及菌根侵染植物的分子生物学机理乃至过程分析等。
菌根促进植物磷吸收表现一定的特性，有一些研究揭示了菌根共生体吸收磷的一些特点。宋勇春[11,12]等人通过对红三叶草及玉米的研究发现，利用分室隔网技术，以植酸或是卵磷脂作磷源，菌根植物的吸磷总量都比相应的非菌根植物高很多，但是菌根对根际含磷量的促进作用大于地上部。赵昕[13]等也发现菌根形成对喜树幼苗茎和叶片的磷含量影响不大，而对根的磷含量有显著增加的作用。就目前研究所知，菌根吸收磷的机理与植物根系吸收机理有许多相似之处。比如，菌根通过扩大与土壤颗粒接触的表面积来扩大吸收磷元素的范围。有趣的是，在一些植物中，菌根与根毛互为补益，一些根毛短的突变体类型往往有较多的根系区段被菌根侵染[14]。也有分子生物学研究确认菌根基因GvPT，这种基因能够编码细胞外菌丝上的一种高吸收磷转运蛋白，这种转运蛋白与植物上的对应转运蛋白在形态和功能上都很相像[15]。
当然，菌根在磷吸收方面也有许多独到之处。菌根能够吸收利用难以被植物根系利用的有机磷形式的磷素，如植酸、ATP、CMP及RNA等[16]。而且，植物为菌根供应碳素，菌根真菌在与其它真菌争夺磷元素时处于较为有利的地位[17]。另外，外生菌根能够通过分泌酸性磷酸酶（AcPase）来增加根际磷酸酶活性[18]。但是泡囊丛枝菌根能否向土壤分泌磷酸酶仍然有争议。宋勇春[11,12]等人通过对红三叶草及玉米的研究发现，泡囊丛枝菌根对根际的磷酸酶活性增加有一定促进作用，但促进作用范围较窄，在红三叶草上影响范围约为5mm，在玉米上影响范围约为10mm。
还有一些比较有意思的研究利用了菌根与酸性磷酸酶的关系，如对与菌根共生的兰科植物根细胞进行超微细胞化学研究。金辉[19]等利用磷酸铅颗粒对根细胞切片染色，标记出酸性磷酸酶活跃的部位，借以观察菌根真菌的生命周期，表明了菌根真菌能使被入侵的植物根细胞细胞壁变形，细胞器消失，细胞核逐渐降解，溶酶体大量出现以消化入侵真菌，使菌丝细胞被消化，最终溶酶体消失，细胞核、细胞器重现，最后细胞恢复全部生命功能的全过程。
图1. 几种天然独脚金内酯及其类似物GR24的结构
Fig.1 Structures of several strigolactones and the analogue of strigolactones, GR24
3 诱发菌根萌发的关键激素——独脚金内酯
3.1独脚金内酯的发现
如果没有遇到寄主根系，菌根生活史将不能完成[20]。菌根共生体的形成因此就需要根系和菌根菌丝之间具有信号传导,从而诱导距离较远的丛枝菌根真菌分枝。根系会分泌化学信号，刺激丛枝菌根真菌向根系生长[21]。化学信号成分很复杂，植物根系分泌的CO2也可以起到一定的刺激作用[22]。但是在这一过程中最重要的信号分子，则因为浓度很低、化学信号成分复杂而迟迟不能分离出来。
最早被发现的独脚金内酯类物质是Cook[23]等人从棉花中鉴定出来的刺激寄生植物发芽的物质独脚金醇(strigol)（如图1.）。之后，在对独脚金和列当属植物萌发的研究中，独脚金内酯类物质被不断发现，其诱导独脚金和列当这两种寄生植物的功能逐渐显现[24,25,26]。后来在菌根真菌的研究中发现，独脚金内酯作为植物与菌根真菌之间的信号分子能够诱导丛枝菌根真菌萌发[27]。最初被当做一种与土壤微生物及寄生植物交流的信号分子的独脚金内酯，近年来被揭示出其调节植物体生长的作用——它是一种植物激素或植物激素前体，抑制植物分枝，调节植物根系形态和根毛长度[28,29,30]。其调节植物地上部分枝和根系形态的作用涉及多种基因调控，并和生长素及细胞分裂素有关，作用机理较为复杂，仍然有很多疑问尚待解决。
3.2独脚金内酯诱导丛枝菌根真菌分枝的作用机理
在独脚金内酯诱导丛枝菌根真菌分枝的作用被揭示后，对这一作用机理的的研究也不断开展。在分子结构层面上，研究发现，B环4号碳原子上带有羟基能够增强诱发AM真菌分枝活性[31]。而将独脚金内酯C环和D环间的烯醇醚键中的碳碳双键换成碳碳单键或碳氮双键都不会导致其诱导AM真菌分枝的活性显著下降[31]。另外，A环或AB两环的缺失会导致诱导AM真菌分枝的活性显著下降乃至完全失活[31]。
独脚金内酯在非常低的浓度下能显示出很强的活性, 表明AM真菌对独脚金内酯有一个高度敏感的感知系统[31]。一系列研究显示，在接受独脚金内酯传递的信号之后，AM真菌分枝与线粒体活性增加有关。2003年Tamasloukht等[32]的研究发现胡萝卜根分泌物的粗提物能够诱导线粒体活性相关基因表达，提高线粒体的呼吸速率，最终促进菌丝分枝。进一步研究表明，抑制ATP合成酶并不能消除GR24对真菌菌丝的激活，而抑制线粒体的形成却抑制了菌丝分枝，接受GR24的诱导后，真菌线粒体氧化代谢速率加快，NADH浓度、NADH脱氢酶活性和ATP含量增大，在这一过程中并没有新基因参与[33,34]。线粒体在真菌菌丝的分枝过程中起到非常关键的作用，这种作用的机理仍有待进一步研究。
3.3 缺磷胁迫下植物分泌独脚金内酯的意义
在营养元素缺乏，尤其是磷元素缺乏的情况下，独脚金内酯作为一种调控植物体合理生长及植物与周围环境的信号分子，能够帮助植物适应缺磷胁迫。在缺磷胁迫下，植物合成的独脚金内酯一部分作为根系分泌物的组成部分被分泌到土壤中，诱导AM真菌分枝以形成菌根共生体，提高吸收磷元素效率；一部分随蒸腾作用的液流运送到地上部，抑制侧芽生长，优化植物地上部分枝状况，节约磷素；另有一部分在根部起作用，促进主根、侧根、不定根以及根毛的伸长，以扩大根系与土壤的接触面积，增加磷元素吸收。在这一过程中，由于独脚金内酯恰好也是诱发寄生杂草种子萌发的信号分子，寄生杂草可以借此获得寄生于植物体上的机会。充足的磷供应能够抑制刺激寄生植物种子萌发的独脚金内酯的产生，这也不难解释在缺磷地区独脚金等寄生杂草的危害反而更加猖獗[35]，而形成菌根共生体的植物寄生植物侵染率比未形成菌根共生体的植物寄生植物侵染率低[36]，可能是由于形成菌根共生体后植物向土壤中分泌独脚金内酯减少所致。前文提到的赵昕等人的研究结果，即丛枝菌根真菌普遍能促进根系磷元素含量增加，却对茎、叶片的磷元素含量影响不大，这一现象应该与独脚金内酯的调控作用有关。
4 总结和展望
全国化肥利用率很低，大多数在30%~40%徘徊，其余60%~70%的化肥进入了环境，且流失的化肥多为溶解态，容易诱发湖泊富营养化等环境问题[37]。所以提高土壤中磷元素的利用率，使植物能够利用原本不能被利用的磷元素，可以有效地减轻植物缺磷的症状，减少磷肥的施用，不仅能节约磷资源，还能有效减轻富营养化负担。这方面的研究还在不断深入，在植物抵抗缺磷胁迫能力的提升方面有望获得突破。
近年来菌根方面的论文层出不穷，但是由于这方面的研究尚处于起步阶段，所以还有很大的发展空间。我国对菌根的野外调查和分类研究已经取得了一定成果，形态学研究和DNA分子技术被运用到野外菌根真菌调查研究中[38]。新兴的菌肥和菌剂有望得到较快的发展，并被更广泛地运用到农业生产中。独脚金内酯仍然存在的很多令人惊喜的潜在功能，吸引人们继续探索。一旦独脚金内酯或其类似物在实际生产中能够大量合成，在作物播种或出苗前适量施用, 诱导寄生植物种子“自杀性萌发”，可以有效减轻杂草侵害的危害[39]。另外，若丛枝菌根真菌菌剂能够被应用于农业生产中，可以配合独脚金内酯的使用以促进其活性。
参考文献：(略)
