（植物病理学专业论文）兰州百合与丛枝菌根真菌的共生效应.pdf

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k n o w nf o ri t sr i c hn u t r i t i o na n dm e d i c i n a lf u n c t i o n s l a n z h o ul i l y g r o w so nt h e h i l l s l o p e sa n dt e r r a i n sa tt h ea l t i t u d e s19 0 0 2 30 0m e t e r s ，w h e r et h ec l i m a t ei ss e m i a d d a r b u s c u l a rm y c o r r h i z a l ( a m ) a s s o c i a t i o ni st h em o s tp r e v a l e n tm u t u a l i s t i ca s s o c i a t i o n b e t w e e np l a n t sa n dm i c r o b i a lo r g a n i s m s ，w h i c hi se s t i m a t e dt h a tm o r et h a n8 0 o fa l l t e r r e s t r i a lp l a n t sf o r mt h i st y p eo fa s s o c i a t i o n a r b u s c u l a rm y c o r r h i z a ep l a yak e yr o l ei n n a t u r a le c o s y s t e m sa n di n f l u e n c ep l a n tp r o d u c t i v i t y , p l a n tn u t r i t i o na c q u i s i t i o na n dp l a n t c o m m u n i t ys t r u c t u r e i no r d e rt od i s c o v e rt h ee f f e c t so fa mo nt h eg r o w t ho fl a n z h o u l i l y ， f i e l de x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fa m f u n g io np l a n tg r o w t ha n d b u l bp r o d u c t i o ni nl a n z h o u l i l y 1 r e s u l t ss h o w e dt h a ta m f u n g is u c c e s s f u l l yc o l o n i e dt h er o o t so fl a n z h o ul i l y f o r m i n ga r u m - t y p em y c o r r h i z a t h ed i f f e r e n tc o n t e n t so fp h o s p h o r u ss i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e dt h e g r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fa mf u n g i ( p o 0 5 ) t h em y c o r r h i z a l c o l o n i z a t i o nr a t e ss i g n i f i c a n t l yd e c l i n e dw i t hi n c r e a s i n gp h o s p h a t el e v e l s ( 尸 o 0 5 ) i nt h e l o wl e v e lo fp h o s p h o r u st r e a t m e n t s ，b e n o n y l s i g n i f i c a n t l y i n h i b i t e d t h eg r o w t ha n d d e v e l o p m e n to f a mf u n g i ( p 0 0 5 ) 2 a mc o l o n i z a t i o nr a t e s e x t r e m e l ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e e dw i t ht h eg r o w t ho f l a n z h o ul i l y 俨 0 01 ) ，s h o w e dt h a tt h ed i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e so fl a n z h o ul i l y i n f l u e n c e dt h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fa mf u n g i a mc o l o n i z a t i o nr a t e si ns e e d l i n g s t a g ew e r et h el o w e s ta n di nb u l bg r o w i n gs t a g ew e r et h eh i g h e s t t h e na mc o l o n i z a t i o n r a t e sb e g a nt od e c l i n ei nd o r m a n t s t a g e 3 t o t a lpc o n t e n t sa n dt o t a lnc o n t e n t so fb u l b sw e r eh i g h e rt h a nt h o s ei nr o o t so fa l l t h et r e a t m e n t s 俨 0 0 5 ) t o t a lpc o n t e n t so fb u l b si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp h o s p h a t e l e v e l s r e s u l t ss h o w e dt h a ti n c r e a s i n gt h ep h o s p h o r u sl e v e l sc o u l dn o tp r o m o t et o t a ln c o n t e n t so fb u l b sa n dr o o t s i nt h el o wl e v e lo fp h o s p h o r u st r e a t m e n t s ，b e n o n y li n f l u e n c et h e 3 兰州大学硕i 学位论文 兰州百合与从枝菌根真茼的共生效应 曼曼曼鼍i 一 一 一 一；| 一 ；i 皇曼! 皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼皇曼 t o t a lpc o m e m so fb u l b sa n dr o o t ss i g n i f i c a n t l y ( p o 0 5 ) 4 t h eb i o m a s so fb u l b so fl a n z h o ul i l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gp h o s p h a t el e v e l s i nt h el o wl e v e lo fp h o s p h o r u st r e a t m e n t ，t h eb i o m a s so fb u l b ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da f t e r u s i n gb e n o n y l ( p o 0 5 ) 5 v a r i e t yo fa c i dp h o s p h a l a s e ( a c p ) a n da l k a l i n ep h o s p h a l a s e ( a l p ) a c t i v i t yu n d e r d i f f e r e n tp h o s p h o r u sl e v e l si nt h er h i z o s p h e r ea n dn o n - r h i z o s p h e r eo fl a n z h o ul i l yw a s s t u d i e d r e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，w h e nt h ep h o s p h o r u sc o n t e n t si nt h es o i li n c r e a s e d ，a c pa n d a l p a c t i v i t yi nt h er h i z o s p h e r es o i lo fl a n z h o ul i l yd e c r e a s e d 妒 0 0 5 ) a c pa c t i v i t yw a s h i g h e rt h a na l pa c t i v i t yi nt h er h i z o s p h e r es o i lo fl a n z h o ul i l y ( p o 0 5 ) ，w h i l ea c p a c t i v i t yw a sl o w e rt h a na l pa c t i v i t yi nt h en o n - r h i z o s p h e r es o i lo fl a n z h o ul i l y ( p 1 6 ，最高气温2 6 2 8 ， 7 9 月平均气温日较差为1 2 ；生长阶段o 的积温为2 3 5 0 3 0 0 0 d ，年均降 雨量4 6 0 m m ，7 9 月份降雨量占年降雨量的5 0 以上；土壤以黑土为主，黑麻土、 兰州人学硕f j 学位论文兰州兀合j 从技茼根真茼的共生效应 大白土、红沙土、红绞土次之，土层深厚，质地疏松( 丁书荣，1 9 9 4 ；陈艳华等，2 0 0 3 ) 。 已有学者对观赏百合的一些品系接种a m 真菌，证实观赏百合能与a m 真菌形成共 生体，且形成的菌根共生体对百合的生长具有促进作用( a m e s & l i n d e r m a n ，1 9 7 7 ； v a r s h n e ye ta 1 ，2 0 0 2 ) 。目前，尚未见兰州百合菌根方面的研究报道，由于兰州百合 生境的特殊性，在这样独特的生境下兰州百合与广泛分布于土壤中的a m 真菌会产生 何种共生效应，a m 真菌是否对兰州百合的生长和品质产生影响都尚待深入研究。 有鉴于此，本研究在前期预备试验研究中发现兰州百合与a m 真菌具有良好的亲 和性。在此基础上提出开展兰州百合与a m 真菌的共生效应研究。由于丛枝菌根在自 然界中对土壤营养元素的吸收和转运均以磷元素为最佳，因而本研究选择磷元素开展 相关的研究工作，如对侵染率、吸p 量、生物量和根际磷酸酶活性的影响。 本课题主要开展如下几方面的工作：( 1 ) 研究不同生长时期a m 真菌对兰州百合 根系的侵染情况。( 2 ) 对比研究灭菌处理( 喷施苯菌灵) 是否影响兰州百合的生长。 ( 3 ) 研究菌根在不同土壤有效磷水平条件下对兰州百合生长的影响。 6 兰州人学顺 ：学化论文兰州兀合j 从枝茼根真菌的其生效应 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 1 a m 真菌与宿主植物共生的分子机理 共生是自然界普遍存在的一种生物现象，指不同的生物通过一定的种间关系共同 生活在一起的方式，现在通常特指生物体间的互惠共生。陆地上的生物在长期的进化 过程中面临各种生境因子的综合作用，其中许多因子常常以胁迫因子的形式存在，如 营养物质的匮乏、干旱胁迫、病虫害侵袭等，研究发现共生是生物适应胁迫环境的有 效策略之一( p i r o z y n s k ie t a l ，1 9 7 5 ；王树和等，2 0 0 7 ；金棵等，2 0 0 7 ) 。丛枝菌根真 菌是最为古老的一类共生真菌，丛枝菌根的出现最早约为4 亿年前的泥盆纪，几乎与 陆生植物同时出现在地球上( r e m ye la 1 ，1 9 9 4 ) 。从枝菌根的形成能提高植物的耐 盐、耐旱、耐重金属和抗病的能力( a i k a r a k ie la 1 ，1 9 9 8 ；r u i z l o z a n oe ta 1 ，2 0 0 0 ； v o g e l m i k u g e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。丛枝菌根这些功效的发挥始于a m 真菌与植物共生关系 的建立，研究表明，a m 真菌一植物共生体的建立过程是基因表达、代谢和形态发育、 器官建成等许多生理生化的综合结果( b o n f a n t e & p e r o t t o ，1 9 9 5 ) 。 1 1a m 真菌对植物信号的感应 a m 真菌与宿主植物间信号的相互感应启动了共生关系的建立，a m 真菌与宿主 植物相互感应的过程就是它们相互识别、交换信号分子、相互作用的过程( s p a i n ke l a 1 ，1 9 9 6 ；g i o v a n n e t t ie la 1 ，1 9 9 6 ；s t r a c k ee la 1 ，2 0 0 2 ；e n d r ee ta 1 ，2 0 0 2 ；a k i y a m a 甜a 1 ，2 0 0 2 ) 。a m 真菌对宿主植物的识别是共生关系建立的开始，植物根系不断释 放根系分泌物，这种混合物中包含有共生微生物能够感应的特定物质。根分泌物中的 类黄酮物质能够促进a m 真菌孢子的萌发、菌丝伸长和分枝。由于a m 真菌是专性 共生生物，只有与宿主植物形成共生体后才能完成自身的生活史( b o n f a n t e & b i a n c i o t t o ，1 9 9 5 ) ，两者共生关系建立过程中的第一要素是宿主植物根系分泌释放的 称为“b r a n c h i n gf a c t o r s ，b f s ”的信号分子刺激a m 真菌菌丝的生长和分枝( g i o v a n n e t t i 甜a 1 ，1 9 9 6 ) 。因此，类黄酮物质曾经被认作是b f s 在a m 真菌与宿主植物共生关系 建立过程中的信号分子。但是，b u 6 e 等的研究结果表明，查耳酮合成酶缺失的玉米 突变体和野生型的玉米都能促使a m 真菌孢子萌发和菌丝分枝的产生。由于查耳酮合 7 兰州人学硕i ! 学位论文兰州丌合了从枝菌根真菌的共生效应 !m|l i i -_ - - - i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼 成酶是类黄酮生物合成的关键酶，因而根分泌物中的类黄酮物质作为b f s 的可能性被 排除( b u 6 ee ta i ，2 0 0 0 ) 。另外，b u r b u l i s 等在非菌根营养型植物拟南芥( a r a b i d o p s i s t h a l i a n a ) 根系分泌物中也检测到了栎精、杨梅酮、类黄酮等物质( b u r b u l i se t a l ，1 9 9 6 ) 。 对于b f s 突破性的研究是从日本百脉根( l o t u s j a p o n i c u s ) 的根系代谢物中分离出一 种s t r i g o l a c t o n e ( 5 一d e o x y - s t r i 9 0 1 ) 物质，能够诱发a m 真菌菌丝大量分枝，推测 s t r i g o l a c t o n e 是a m 真菌与宿主植物共生关系建立的信号传导物质( a k i y a m ae ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。目前，s t r i g o l a c t o n e 仅知为倍半萜烯( s e s q u i t e r p e n e s ) ，但其生物合成途径尚 待深入研究( a k i y a m ae t a l ，2 0 0 2 ) 。 1 2 宿主植物对a m 真菌的感应 宿主植物对a m 真菌的感应是共生体系建立的另一个关键因子。在宿主植物与 a m 真菌的共生过程中，a m 真菌在宿主植物信号分子的启动下，能够释放可扩散的 信号物质促使一些与共生相关的植物基因表达( t a m a s l o u k h te ta 1 ，2 0 0 3 ；k o s u t ae ta 1 ， 2 0 0 3 ) 。k o s u t a 等用玻璃膜将截形苜蓿( m e d i c a g ot r u n c a m l a ) 的根和a m 真菌菌丝进 行物理隔离，但允许信号交换，采用p m t e n o d l1 - g u s a 检测到m t e n o d l l 基因在根 部的表达，表明植物对a m 真菌释放的信号分子有响应；而采用同样的方法，将a m 真菌用病原真菌( p h y t h o p h t h o r am e d i c a g i n i s ，p h o m am e d i c a g i n i sv a r p i n o d c l l a 和 f u s a r i u ms o l a n i s p p h a s e o l i ) 代替，则在植物根部未检测到有m t e n o d l l 基因表达 ( k o s u t ae ta 1 ，2 0 0 3 ) 。推测a m 真菌释放的可扩散信号分子就是此前被一些研究者 所提出的类似于根瘤菌产生结瘤因子的信号物质( c a t o i me ta 1 ，2 0 0 0 ；w a l k e re ta 1 ， 2 0 0 0 ) ，目前，将这类物质称之为菌根因子( m y cf a c t o r ) ，m y cf a c t o r 是几丁质寡聚物 ( c h i t i no l i g o m e r s ) ，不同于病原真菌产生的几丁质片段( c h i t i nf r a g m e n t s ) ( k o s u t ae t a 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 3a m 真菌激活的植物信号传导 a m 真菌与宿主植物相互感应后，a m 真菌激活的植物信号在宿主植物体内传导， 介导一些植物基因的表达、代谢和形态发育、器官建成等诸多生理生化过程。在a m 真菌与宿主植物共生关系信号传导途径的研究中发现，根瘤菌与a m 真菌享有一些相 同的共生途径。s y m r k ( s y m b i o s i sr e c e p t o r - l i k ek i n a s e ) 基因的发现，推测它是根瘤 兰州大学顺f j 学化论文兰州订合j 从枝菌根真菌的共生效应 曼曼曼! ! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼i 一_ ii o 皇舅 菌结瘤因子受体激酶n f r l 和n f r 5 的下游事件，该基因编码的蛋白是使l j a p o n i c u s 识别和应答土壤中生活在宿主植物根部周围的固氮细菌和a m 真菌链式反应早期一 环所必需的。s y m r k 分子的化学结构表明，它自身可能就是识别a m 真菌和固氮细 菌产生的特异分子并与之结合的受体( s t r a c k ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。另外，在豌豆( p i s u m s a t i v u m ) 上发现的p s s y m l 9 基因、在截形苜蓿( mt r u n c a t u l a ) 上发现的d m l 2 ( d o e s n o tm a k ei n f e c t i o n s ) 基因和在紫花苜蓿( ms a t i v a ) 上发现的n o r k ( n o d u l a t i o nr e c e p t o r k i n a s e ) 基因，均为s y m r k 的同源基因( o r t h o l o g u eg e n e ) ( e n d r ee ta l ，2 0 0 2 ；c a t o i r a 甜a 1 ，2 0 0 0 ；w a l k e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，它们在两类微生物与宿主植物形成共生体的过程 中具有相同的功能。类似于d m l 2 基因的还有d m l l 和d m l 3 ，它们都是首先在m t r u n c a t u l a 上发现的控制共生的d m i 基因( e n d r ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。d m l l 基因的功能是 编码一个s y m r k 下游预测的离子通道( a n ee ta 1 ，2 0 0 4 ) ，而d m l 3 基因编码形成钙 及钙调素依赖型蛋白质激酶( c c a m k ) ，c c a m k 包含有钙和钙调素结合位点，能够 转导c a 2 + s p i k i n g 信号，产生一个磷酸化作用，从而介导植物与a m 真菌和根瘤菌之 间共生关系的建立( l a we ta 1 ，2 0 0 4 ：p a m i s k e ，2 0 0 4 ) 。 a m 真菌和根瘤菌激活的植物信号传导，目前尚未形成完整的传导理论，除对可 能的受体蛋白已经开展了一定研究之外，还对根毛细胞中一些离子的浓度变化进行了 研究( 删se ta 1 ，2 0 0 0 ；c a r d e n a se ta 1 ，2 0 0 0 ) ，尽管离子浓度改变的确切作用尚待 查明，但它们却可看作是信号分子传导的有效检测工具。研究表明，作为第二信使的 c a 2 + 之所以能够在信号传递中能发挥信号传递作用，多数可能是通过c a 2 + f l u x 和 c a 2 + s p i k i n g 来传递( c a r d e n a se ta 1 ，2 0 0 0 ；o l d r o y d & d o w n i e ，2 0 0 4 ) 。 1 4a m 真菌一植物共生体的形成 a m 真菌与宿主植物相互识别后，不断伸长和分枝的a m 真菌菌丝与宿主植物的 根系相接触，一些菌丝在植物根表皮形成附着胞( a p p r e s s o r i a ) 。附着胞是a m 真菌 的菌丝特化形成的侵入宿主植物组织的特殊结构，它的形成是a m 真菌与宿主植物成 功识别的重要体现( g i o v a n n e t t ie ta 1 ，1 9 9 3 ；b u 6 ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。在附着胞的形成过 程中，研究发现植物的表皮细胞对附着胞有感应现象，首先，附着胞下方表皮细胞中 的细胞核快速移向附着胞所在位置，之后细胞核移走，但是在细胞中位于附着胞下方 形成一个手指状的结构，称作前侵入栓( p r e - p e n e t r a t i o na p p a r a t u s ，p p a ) ，p p a 由微 9 兰州夫学硕l ：学位论文兰州雨合与从枝菌根真菌的其生效应 管、微丝的肌动蛋白、内质网的扁囊形成。附着胞上的侵染丝可经由p p a 进入植物 细胞，最后在皮层细胞中定植( g e n r ee t a l ，2 0 0 5 ) 。d m i 发生突变的mt r u n c a t u l a 突变体上，在共生关系的建立中不能形成p p a ，表明p p a 对a m 真菌侵入宿主植物 非常重要( g e n r ee ta 1 ，2 0 0 5 ) 。a m 真菌菌丝穿透宿主植物表皮进入皮层后，沿胞 间和胞内扩展，一些进入皮层细胞内的菌丝不断二叉分枝形成高度分枝的丛枝结构， 称为丛枝( a r b u s c u l e s ) 。研究表明，丛枝的主要个功能是a m 真菌与宿主植物进行物 质交换的场所，后来的研究发现丛枝的发育数量与其提高植物的抗病性有关( 刘润进 和陈应龙，2 0 0 7 ) 。一些a m 真菌的菌丝在宿主植物皮层细胞内或细胞间隙能形成泡 囊( v e s i c u l a r ) ，泡囊是丛枝菌根菌丝顶端膨大的一个结构，呈椭圆形、卵形等，幼 时泡囊壁薄而透明，后则随年长而增厚，泡囊内有油滴和液泡。泡囊是调节营养交换 和贮存营养的器官( 刘润进和陈应龙，2 0 0 7 ) 。 2 a m 真菌对植物营养代谢的影响 a m 真菌与宿主植物形成共生体后所表现出的生态效应在个体水平上提高了植 物的耐盐、耐旱、耐重金属和抗病的能力( a i k a r a k ie ta 1 ，1 9 9 8 ；r u i z l o z a n oe ta 1 ， 2 0 0 0 ；v o g e l m i k u 誊, e ta 1 ，2 0 0 5 ) ，在种群与群落水平上表现出菌根营养植物的群落不 同于非菌根营养植物的整体效应( v a nd e rh e i j d e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。研究发现菌根效应 得以发挥的主要机制之一是a m 菌根促进宿主植物对营养物质等的吸收，进而促进宿 主植物的生长发育。 2 1a m 真菌与植物氮元素营养 a m 真菌菌丝可直接吸收土壤中的硝态氮和铵态氮，并将其转移到根部( h a w k i n s e ta l ，2 0 0 0 ) 。h o & t r a p p e 发现，摩西球囊霉( g l o m u sm o s s e a e ) 的孢子能将硝酸盐 还原成亚硝酸盐，而且菌根植物地上部分和根系中硝态氮还原酶的数量和活性都较无 菌根植物高，说明菌根植物同化利用硝酸盐的能力强( h o & t r a p p e ，1 9 7 5 ) 。h i l d e b r a n d t 等在a m 菌根中发现一些硝酸盐转运相关蛋白在菌根中的转录水平升高( h i l d e b r a n d t 甜a l ，2 0 0 2 ) 。另外，根内球囊霉( gi n t r a r a d i c e s ) 的硝酸盐还原酶能够在菌根中表 达，因此可能也涉及硝酸盐的转运( k a l d o f fe ta 1 ，1 9 9 8 ) 。h a r l e y 认为a m 真菌对 硝态氮的专性吸收作用即使有也是微不足道的( h a r l e y ，1 9 8 9 ) 。a m 菌根增加对硝态 l o 兰州大学硕i j 学位论文兰州雨合与从枝菌根真蔺的共生效应 氮的吸收，可能与土壤中硝态氮含量及土壤水分状况有关，土壤中的硝态氮是高度移 动的，随质流迅速到达根表，在土壤含水量充分的条件下，菌根真菌在促进硝态氮吸 收上没有显著性差异；在干旱土壤中，一方面根系生长受到抑制，另一方面硝态氮的 移动也受到抑制，这种条件下，菌根表现出明显的促进营养物质吸收的作用( t o b a re t a 1 ，1 9 9 4 ) 。研究表明，在干旱胁迫条件下，与未接种植株相比，接种a m 真菌的植 株体内与n 吸收和同化相关的酶类( 硝酸还原酶，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶) 活性提高，茎杆中的全n 含量提高( s u b r a m a n i a n & c h a r e s t ，1 9 9 8 ：a z c o ne t a l ，2 0 0 8 ) 。 土壤中的铵态氮通常被土壤颗粒吸附，菌丝扩大了根系的吸收空间，增加了植物 对n 旷4 的吸收，因此，菌根植物通过外生菌丝对铵态氮的吸收远远大于非菌根植物 ( 贺学礼，1 9 9 6 ) 。研究表明，接种株施用硝态氮的比施用铵态氮的作用更有效。其 可能的原因是菌株对不同形态氮的吸收和运输具有选择性，并且是有差异的，也可能 是与寄主植物的习性有关( 周文龙，1 9 9 3 ) 。 a m 真菌除了直接吸收利用土壤中的硝态氮和铵态氮外，与土壤中固氮微生物的 相互作用对促进植物氮元素的利用也有关系。根瘤菌( r h i z o b i u m ) 是自然条件下豆 科植物的重要共生固氮菌。c r u s h 等在1 9 7 4 年发现a m 真菌强烈地刺激豆科植物的 生长和根瘤的形成，首次获得了a m 菌根促进豆科植物根瘤形成的证据( c r u s he ta 1 ， 1 9 7 4 ) 。此外，围绕a m 真菌与根瘤菌关系的研究日趋增加，很多学者都证明同时接 种a m 真菌和根瘤菌，二者具有互利和互惠作用( o l s e n e ta 1 ，1 9 9 5 ；b h a t i ae ta 1 ， 1 9 9 8 ：s h o c k l e ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 。a m 真菌促进豆科宿主植物增加水分和磷元素的吸收， 一方面保证了根瘤生长对磷元素的需求；另一方面也促进植株的营养生长，使植株能 够生长出更多的光合器官，从而为根瘤菌提供更多的光合产物，而充足的能源和碳源 是根瘤菌固定氮源的前提，从而进一步促进豆科植物的固氮能力。反之，根瘤固定的 氮源物质，也为a m 真菌的生长提供充足的氮源，从而有利于a m 真菌菌丝体的生 长发育，提高植株根系的菌根侵染率。进一步对它们共生机理的研究发现，a m 真菌、 根瘤菌与宿主植物共生关系的建立过程有惊人的相似之处，两种微生物与宿主植物根 系间用以相互识别的分子信号有一部分是相同的，即享有一条共同的信号传导途径 ( h i r s c he ta 1 ，1 9 9 9 ；s t r a c k ee ta 1 ，2 0 0 2 ；0 l a l l 甜a ，2 0 0 5 ) 。 固氮螺菌( a z o s p i r i l l u m ) 是一类能够与禾本科植物联合固氮的根际微生物。a m 真菌和固氮螺菌( 彳b r a s i l e n s e ) 在玉米上的混合接种能提高氮的吸收，进而促进植 兰州火学硕l ：学位论文 兰州雨合卜j 从枝菌恨真菌的共生效应 物生长( v d z q u e ze ta 1 ，2 0 0 0 ) 。在玉米和小麦上的试验表明不同基因型的固氮螺菌 菌株和a m 真菌混合接种后对促进植物生长的作用有差别，但是它们对菌根共生体的 形成都没有影响( r u s s oe ta 1 ，2 0 0 5 ) 。b a l o t a 等研究认为a m 真菌和固氮螺菌的相 互作用促进植物生长的机理在于固氮螺菌产生的生长素( i a a ) 能够提高a m 真菌孢 子的萌发和菌丝的生长，使a m 真菌的侵染率提高，促进菌根的形成，从而进一步促 进植物的生长( b a l o t ae ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 在土壤放线菌研究中，人们发现能与非豆科植物根系共生固氮的弗兰克氏放线菌 ( f r a n k i a ) 也能与a m 真菌相互作用，促进氮的吸收利用。t i a ne ta 1 研究证实用a m 真菌和f r a n k i a 放线菌共同接种到西藏沙棘( h i p p o p h a et i b e t a n a ) 上能提高植株的生 长和氮的固定能力，混合接种后植株的生长量和固氮水平与单独用a m 真菌或 f r a n k i a 放线菌相比较都是极显著的( t i a i l 甜a 1 ，2 0 0 2 ) 。 2 2a m 真菌与植物磷元素营养 丛枝菌根作为自然界中普遍存在的植物和微生物形成的共生体，能够促进宿主植 物的生长逐渐成为共识，研究表明菌根促进植物生长的主要原因是对宿主植物磷营养 水平的改善，其机制在于外生菌丝对土壤磷的高效吸收和利用( b a l 矗之& v o s i t k a ， 1 9 9 7 ；s c h w e i g e r & a b b o t ，2 0 0 3 ；r a g h o t h a m a & k a r t h i k e y a n ，2 0 0 5 ) 。因此，丛枝菌 根对土壤中磷的吸收和利用机制一直是人们关注的焦点。 2 2 1 外生菌丝扩大根系吸收空间 由于土壤颗粒对磷的吸附和固定，磷在土壤中的移动性很差，只能通过扩散过程 到达根系表面，导致根围常出现“缺磷区 ，a m 真菌与植物根系建立共生关系后， 纤细的外生菌丝在土壤中穿插，极大地扩展了根系的吸收范围( l ie ta 1 ，1 9 9 1 a ； s c h w e i g e r & a b b o t ，2 0 0 3 ) 。l i 甜口正利用分室隔网系统研究发现，三叶草一菌根真菌 共生体系中外生菌丝至少可以延伸到根外1 1 7 c m 远( l ie ta 1 ，1 9 9 1 a ) 。另外，外生 菌丝极大地增加了对矿质元素的吸收表面积，研究表明菌丝室中菌丝密度可以达到 2 5 7 0 m c m 3 之间，这远远高于土壤中根系的密度( l ie ta 1 ，1 9 9 1 a ) 。而且，a m 真 菌菌丝的直径仅为2 - - 4u m ，比植物根毛小2 。5 5 倍( b o l a n ，1 9 9 1 ) 。在低磷土壤中接 种gm o $ s e a e 研究菌根对植物磷营养的促进作用，定量地计算根系吸收的磷和外生菌 1 2 兰州火学硕l j 学位论文兰州了t 合j 从枝茼根真茼的共生效应 丝吸收的磷，结果发现外生菌丝吸收的磷占宿主植物吸磷总量最高可达9 0 ，这充 分体现了外生菌丝巨大的吸收土壤磷的能力( l ie t a l ，1 9 9 1 b ) 。 2 2 2 活化土壤中难溶性无机磷酸盐 在缺磷条件下，植物能分泌多种有机物质，如有机酸、氨基酸、酚类化合物和糖 类物种等( 刘军等，2 0 0 7 ) 。其中有机酸对活化土壤难溶性无机磷酸盐具有重要意义 ( 陈龙池等，2 0 0 2 ) 。另一些有机酸则分别对固定磷的铁、铝和钙具有较强的配合或 螯合能力，从而将磷释放到土壤溶液中，或者是有机酸与磷和金属元素形成可溶性的 多元复合体，易于向根表迁移，这也能增加植物对磷的吸收( 刘军等，2 0 0 7 ) 。试验 结果表明，与植物根系通过分泌物活化难溶性磷酸盐相同，菌根外生菌丝也能通过茵 丝分泌物活化难溶性磷酸盐( l ie ta 1 ，1 9 9 1 c ：李晓林和姚青，2 0 0 0 ) 。在五室隔网系 统试验中发现，在以c a ( n z p 0 4 ) 2 为磷源、( n h 4 ) 2 8 0 4 为氮源条件下，三叶草的菌丝际 p h 值显著下降约1 个单位，受影响的菌丝际达5 m m 。由于p h 值下降，菌丝际产生 磷亏缺区( l ie la 1 ，1 9 9 1 c ) 。菌根真菌对n r c , - n 的偏好性吸收使得菌丝际p h 值的 下降具有普遍的意义，为菌根真菌活化难溶性磷酸盐提供了可能。另外，a m 真菌菌 丝能分泌有机酸，李晓林等用层吸纸收集菌根和非菌根的分泌物，h p l c 分析其中的 有机酸发现菌根能够分泌苹果酸，而非菌根不能分泌该有机酸，菌根分泌的有机酸总 量高于非菌根的分泌总量( 李晓林和姚青，2 0 0 0 ) 。这可能是丛枝菌根活化难溶性磷 酸盐的另一种机制。用3 2 p 示踪技术研究菌根真菌与植物的磷源实验所得结果一致， 都可以活化和吸收利用诸如c a s p 型，f e p 型，a i p 型等难溶性磷酸盐，而不能活 化c a l o p 型磷酸盐( 李晓林和姚青，2 0 0 0 ) 。但是，菌根真菌的外生菌丝所占据的土 壤空间远远大于根系所占据的土壤空间，使得它活化难溶性磷酸盐的量可能高于根系 的活化量。 2 2 3 活化土壤中有机磷 土壤中约有2 0 0 o - - - 8 0 的磷以有机态形式存在，有机磷循环对磷的有效性和生态 系统的可持续发展有重要作用( k r a m e r & g r e e n ，2 0 0 0 ) 。丛枝菌根能活化吸收土壤 中植物难于利用的有机磷( b a l d & v o s c i t k a ，1 9 9 7 ：r a g h o t h a m a & k a r t h i k e y a n ，2 0 0 5 ) 。 有机态磷只有被酶水解后才能被植物吸收利用，根际土壤有机磷的有效性与根际磷酸 酶和植酸酶的活性有关( b e c ke ta l ，1 9 8 9 ) 。植物对缺磷的反应之一，是向根际增加 释放磷酸酶的数量，促进有机磷的水解，缓解植物磷饥饿状况( 涂书新等，2 0 0 0 ；谢 钰容等2 0 0 5 ) 。研究表明，在距离根表3 m m 以内的根际范围存在一个非常明显的有 机磷耗竭区，这是根系分泌磷酸酶作用的结果；根际以外的土壤有机磷则不能被植物 利用( 宋勇春等，2 0 0 1 ) 。如何促进植物利用土壤中巨大的有机磷源，是提高植物对 土壤磷元素高效利用的重点之一。菌根真菌接种试验表明，茵根的有机磷耗竭区比非 菌根的对照宽；菌丝室内土壤有机磷的含量明显低于对照，这说明外生菌丝具有活化 土壤有机磷的作用( 苏友波等，1 9 9 8 ；宋勇春等，2 0 0 1 ) 。进一步的研究结果表明， 菌根际的磷酸酶活性明显高于非菌根际的酶活性，碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性在根 系表面处最高，随着与根面距离的增加，活性逐渐降至一个稳定的水平；根际的酸性 磷酸酶活性高于碱性磷酸酶活性( 苏友波等，1 9 9 8 ；宋勇春等，2 0 0 1 ) 。影响菌根对 有机磷活化能力的因素包括土壤有机磷的种类、含量、菌种等。有机磷含量低的土壤 中，菌丝的活化能力弱；反之，菌丝的活化能力强，菌丝室内土壤有机磷的含量显著 降低( 苏友波等，1 9 9