植物與真菌共生的植物菌根類型

植物和真菌之間的共生現(xiàn)象普遍存在于自然界。同時(shí)，真菌從植物根部獲得必要的生長物質(zhì)，同時(shí)，真菌從土壤中吸收礦物質(zhì)，供應(yīng)植物生長。菌根是土壤中的菌根真菌與植物的根系形成的具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的共生聯(lián)合體。菌根具有擴(kuò)大宿主植物的吸收營養(yǎng)面積、增加宿主植物對(duì)營養(yǎng)成分的吸收、提高宿主植物抗逆性等功能,在森林生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色。Harley等依據(jù)形成共生體系的真菌、宿主植物種類及共生體系的特點(diǎn),將菌根分為7種類型,即叢枝菌根、外生菌根、內(nèi)外生菌根、歐石楠類菌根、蘭科菌根、漿果鵑類菌根和水晶蘭類菌根,其中歐石楠類菌根又稱為杜鵑花類菌根。杜鵑花類菌根是內(nèi)生菌根中的一個(gè)特殊類型,在杜鵑花科植物的生長發(fā)育過程中起著重要作用。除野草莓、漿果鵑屬(Arbutus)、熊果屬(Arctostaphylos)外,杜鵑花科植物一般都有明顯的杜鵑花類菌根共生,目前已知杜鵑花科越橘、擬歐石楠、北美杜鵑花、長序杜鵑花、馬醉木、山月桂、加茶杜香、平鋪白珠樹等和尖苞樹科的幾種植物可形成典型的杜鵑花類菌根(ERM)結(jié)構(gòu)。目前,大量研究表明杜鵑花類菌根在杜鵑花科植物的營養(yǎng)吸收、逆境生理、生態(tài)適應(yīng)性等方面具有重要作用,相關(guān)真菌的群體多樣性和功能研究受到國外學(xué)者廣泛的關(guān)注。人工接種菌根真菌可以增加越橘、擬歐石楠等杜鵑花科植物的抗逆性、生長量等,因而對(duì)這類菌根的研究,對(duì)促進(jìn)菌根在杜鵑花科植物上的應(yīng)用和發(fā)展有重要意義。藍(lán)莓又名越橘,屬杜鵑花科(Ericaceae)越橘屬(Vaccinium)。藍(lán)莓是我國的新興果樹,其果實(shí)營養(yǎng)價(jià)值豐富,市場(chǎng)上供不應(yīng)求,經(jīng)濟(jì)效益高,是潛力巨大的經(jīng)濟(jì)林樹種。藍(lán)莓屬于淺根系、無根毛植物,自然條件下常年生長,與菌根真菌形成互惠共生關(guān)系,具有促進(jìn)宿主植物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收,增強(qiáng)植物的生長勢(shì),改良根系環(huán)境以及增強(qiáng)植物對(duì)病蟲害的抵抗能力等作用[12,13,14,15,16,17]。近年來,菌根真菌已成為藍(lán)莓上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。我國的藍(lán)莓栽培起步較晚,大多數(shù)藍(lán)莓栽培地區(qū)缺乏相應(yīng)的菌群,這樣在一定程度上限制了藍(lán)莓的生長,篩選高效菌根真菌、制備菌根制劑并將其應(yīng)用于栽培對(duì)藍(lán)莓的生產(chǎn)將有深遠(yuǎn)的影響。筆者對(duì)近年來有關(guān)藍(lán)莓菌根方面的研究進(jìn)行了歸納和論述,并展望了藍(lán)莓菌根的研究方向,以期能為我國藍(lán)莓菌根的研究及藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。1有機(jī)菌根真菌感染的主要機(jī)制藍(lán)莓形成的典型菌根結(jié)構(gòu)屬于杜鵑花類菌根,形成杜鵑花類菌根的植物都可以形成特殊的“毛根”。毛根的直徑很小,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,其內(nèi)有中柱,中柱由導(dǎo)管、篩管及伴胞組成,中柱的外圍是只有外皮層和內(nèi)皮層2層細(xì)胞構(gòu)成的皮層結(jié)構(gòu)。表皮層是研究杜鵑花類菌根的一個(gè)不可缺少的結(jié)構(gòu),它在外皮層的最外層,由縱向排列的膨大細(xì)胞組成。從外表看來,杜鵑花菌根與普通的根沒有明顯差異,而杜鵑花類菌根成熟的表皮細(xì)胞和皮層細(xì)胞內(nèi)有由菌絲纏繞而形成的菌絲圈或菌絲節(jié),有時(shí)這些菌絲結(jié)構(gòu)可能充滿細(xì)胞。菌根真菌侵染首先是真菌菌絲進(jìn)入表面增厚的表皮細(xì)胞,然后侵入到細(xì)胞的菌絲進(jìn)行分枝,在細(xì)胞內(nèi)形成圈狀或分枝狀的菌絲團(tuán)。細(xì)胞表面的菌絲在侵入表皮細(xì)胞時(shí)會(huì)在表皮細(xì)胞表面形成類似附著胞的結(jié)構(gòu),菌絲通過這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)變細(xì),然后侵入表皮細(xì)胞內(nèi)部。被侵染的細(xì)胞可能有不止一個(gè)侵入點(diǎn),因此每個(gè)菌絲圈都與胞外菌絲直接相連。被杜鵑花類菌根真菌侵染的寄主植物毛根表層不形成哈蒂氏網(wǎng),也不形成真正的菌套,而是僅在根的表面可以觀察到稀疏的根外菌絲。表皮細(xì)胞內(nèi)的菌絲被宿主植物細(xì)胞質(zhì)膜包裹,在真菌細(xì)胞壁和宿主植物毛根細(xì)胞膜之間存在界面基質(zhì),而且共生體間的養(yǎng)分運(yùn)輸必須通過這一膜—界面基質(zhì)。杜鵑花類菌根真菌菌絲中含有典型的與伏魯寧體相結(jié)合的內(nèi)陷隔膜。毛根表面上的菌絲多數(shù)是游走菌絲,這些游走菌絲發(fā)育出一些側(cè)生分枝,繼而進(jìn)入表皮細(xì)胞。2有機(jī)物料的加入菌根對(duì)藍(lán)莓的生長有很重要的促進(jìn)作用。野生藍(lán)莓中普遍存在菌根真菌寄生,楊秀麗對(duì)大興安嶺地區(qū)野生藍(lán)莓菌根真菌侵染率進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其侵染率達(dá)到75%。但在人工栽培條件下藍(lán)莓形成菌根真菌是很困難的,并且是一個(gè)很漫長的過程。在美國北卡羅來納州,野生藍(lán)莓中菌根真菌侵染率達(dá)85%,但在栽植園中僅有1%~3%。菌根真菌侵染率的高低與土壤有機(jī)質(zhì)含量、礦質(zhì)營養(yǎng)、土壤pH值、植物種類、菌群源和環(huán)境條件等有密切關(guān)系,同時(shí),溫度和植株的年齡也是影響菌根形成的重要因素。與藍(lán)莓一樣,侵染藍(lán)莓根系的菌根真菌也需要酸性環(huán)境。不同有機(jī)物料同硫磺粉混合進(jìn)行土壤改良可以改變土壤pH值,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,有利于菌根真菌侵染并提高根系活力。唐雪東等通過露地和盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在越橘生長的土壤中加入不同的有機(jī)物料和硫磺粉的各處理,菌根真菌侵染率存在明顯的差異,加入苔蘚處理的植株,其菌根真菌侵染率比較高,有利于菌根真菌的侵染。于強(qiáng)波等研究了5種有機(jī)物料的覆蓋處理對(duì)越橘的影響,結(jié)果表明,經(jīng)5種有機(jī)物料覆蓋處理的越橘菌根真菌侵染率和根系活力分別提高了5%~35%和12%~49%;高叢越橘各覆蓋處理的菌根真菌侵染率均高于對(duì)照,其中玉米秸稈最高,為63.33%,其次為苔蘚,為43.33%。在藍(lán)莓的栽培上,草炭往往會(huì)被用到,Haynes等認(rèn)為,草炭的絡(luò)合能力很強(qiáng),它能作用于許多金屬離子及它們的氫氧化物,從而形成具有化學(xué)穩(wěn)定性的金屬絡(luò)合物,而且草炭中的各種土壤酶活性較低,這也會(huì)影響菌根真菌對(duì)越橘的侵染。因此,越橘栽培上使用草炭時(shí),最好與具有生物活性的其他有機(jī)物料如苔蘚、鋸末等一起使用。Yang等在藍(lán)莓上研究發(fā)現(xiàn),通過接種菌根真菌可以提高藍(lán)莓菌根侵染率。因此可以通過在育苗中采用純培養(yǎng)的菌絲體接種或采用菌根混合制劑接種來提高藍(lán)莓植株的菌根真菌侵染率。新西蘭就已將接種菌根真菌作為促進(jìn)藍(lán)莓生長、改善藍(lán)莓營養(yǎng)吸收狀況、提高肥料利用率和果實(shí)產(chǎn)量的一種有效措施。3植物內(nèi)生菌根真菌形態(tài)鑒定從杜鵑花科植物中分離并鑒定為杜鵑花類菌根菌的真菌種類都屬于子囊菌類。許多學(xué)者從歐石楠、帚石楠和杜鵑花等植物菌根上分離到了最典型的杜鵑花類菌根真菌,即子囊菌綱盤菌亞綱柔膜菌目的真菌Hymenoscyphusericae。在系統(tǒng)觀察早期,分離到的真菌的特征是生長緩慢的黑色無孢菌絲體。1974年Read從越橘根系分離出一個(gè)能產(chǎn)生子囊盤并形成菌根的菌根菌,定名為Pezizillaericace。以后,Couture等于1983年分別從矮叢越橘和高叢越橘根系中各分離了3個(gè)菌根菌種并且都能夠侵染越橘根系形成內(nèi)生菌根結(jié)構(gòu)。Dalpe等從越橘(Vacciniumangustifolium)根中分離出的共生真菌柱頂孢(Scytalidiumvaccinii),其菌絲特征與H.ericae相似,后來則被鑒定為是H.ericae的無性型。絲孢菌類的樹粉孢屬(Oidiodendron)是另一種比較常見的杜鵑花類菌根真菌類型,如玉米粉枝孢(O.maiusBarron)、O.periconioidesMorrall和O.griseumRobak等。Dalpe研究表明,O.griseum、O.rhodogenum、O.cerealis,Oidiodendron的2個(gè)變型Myxotrichumsetosum和Gymascelladanklienses也都能夠侵染越橘根系形成內(nèi)生菌根。袁軍從重慶縉云山越橘屬植物中分離得到菌根真菌并成功回接到栽培藍(lán)莓品種中,其中2種經(jīng)鑒定為樹粉孢屬真菌和青霉屬真菌。另外,筆者研究表明深色有隔內(nèi)生真菌(Darkseptateendophytes,DSE)在野生藍(lán)莓中普遍存在,而且侵染率也比較高,它對(duì)藍(lán)莓的作用是今后一個(gè)值得深入探討的問題。4菌根對(duì)藍(lán)莓的影響4.1接種菌根真菌對(duì)藍(lán)莓生長的影響菌根可以促進(jìn)藍(lán)莓植株對(duì)營養(yǎng)元素尤其是氮和磷的吸收。藍(lán)莓通常吸收銨態(tài)氮的效率要高于硝態(tài)氮,Kosola等研究表明藍(lán)莓苗成功接種菌根真菌后吸收硝態(tài)氮的能力提高。對(duì)于杜鵑花類菌根真菌可以促進(jìn)寄主植物對(duì)有機(jī)氮的吸收,大量文獻(xiàn)從不同角度進(jìn)行研究,表明無論在試驗(yàn)條件下或自然生境中杜鵑花類菌根都能提高藍(lán)莓對(duì)有機(jī)氮的吸收效率,從而促進(jìn)其生長。Stribley等通過對(duì)藍(lán)莓接種菌根真菌,并在土壤中標(biāo)記15N的銨態(tài)氮,6個(gè)月后分析發(fā)現(xiàn)接種菌根真菌的藍(lán)莓植株與未接種植株氮含量分別為1.20%和0.98%,而二者15N含量分別為15.38%和20.03%;經(jīng)土壤分析發(fā)現(xiàn)只有很少的15N與土壤中的有機(jī)質(zhì)結(jié)合,這說明菌根真菌促進(jìn)了藍(lán)莓對(duì)有機(jī)態(tài)氮的吸收。劉燕從紅豆越橘中分離得到2株真菌并將其混合接種到藍(lán)莓幼苗中,80天后葉片數(shù)和總干重分別比對(duì)照提高了60.7%和76.1%;同時(shí),接種菌根真菌促進(jìn)了藍(lán)莓幼苗地下部分對(duì)氮、磷的吸收,多項(xiàng)指標(biāo)差異均達(dá)到了顯著水平,接種菌根真菌明顯改善了藍(lán)莓幼苗的生長狀況。杜鵑花類菌根真菌還可以促進(jìn)藍(lán)莓植株對(duì)其他元素的吸收。袁軍研究表明,接種杜鵑花類菌根真菌的藍(lán)莓植株體內(nèi)鉀元素含量顯著高于對(duì)照,促進(jìn)了藍(lán)莓植株內(nèi)鉀的積累。另外,Powell等研究證明接種了菌根真菌的高叢越橘枝條硫和鈣含量分別比對(duì)照增加了47%和14%。4.2菌根真菌對(duì)藍(lán)莓生長和生理的影響接種菌根真菌還可以促進(jìn)藍(lán)莓植株生長和果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)的提高。人工接種藍(lán)莓菌根真菌對(duì)藍(lán)莓的生長有明顯的促進(jìn)作用。Read研究了一種從藍(lán)莓上分離得到的菌根真菌對(duì)藍(lán)莓的侵染特性及對(duì)藍(lán)莓的生長作用進(jìn)行了研究,表明菌根真菌對(duì)藍(lán)莓生長和生理有明顯的影響。Powell用8個(gè)越橘品種進(jìn)行田間試驗(yàn),用混有菌根真菌的泥炭土接種,發(fā)現(xiàn)接種了菌根真菌的越橘果實(shí)產(chǎn)量提高了11%~92%,植株生長量增加了17%。袁軍研究結(jié)果證明經(jīng)杜鵑花類菌根真菌接種處理后的藍(lán)莓植株的果實(shí)內(nèi)蛋白質(zhì)和糖含量大都高于對(duì)照植株;接種杜鵑花類菌根真菌后,藍(lán)莓品種果實(shí)果皮的花青素含量有不同程度的提高。5藍(lán)莓菌根真菌的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)和完善目前,國內(nèi)有關(guān)藍(lán)莓菌根的研究還處于初步階段,藍(lán)莓菌根的研究應(yīng)該與杜鵑花類菌根的研究以及先進(jìn)的研究技術(shù)尤其是分子生物學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合起來。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和引入,菌根研究得到迅速發(fā)展。PCR、RAPD、AFLP、同工酶分析等技術(shù)在菌根研究上得到了廣泛應(yīng)用,主要集中在系統(tǒng)分類、生物多樣性、親緣關(guān)系及菌根真菌在生態(tài)系統(tǒng)的作用等領(lǐng)域,并取得了顯著進(jìn)展。目前,關(guān)于藍(lán)莓菌根的研究仍然存在許多的問題。關(guān)于藍(lán)莓菌根真菌的研究主要集中在H.ericae和樹粉孢屬Oidiodendron等個(gè)別種類上,研究范圍比較狹窄。關(guān)于藍(lán)莓菌根真菌的效應(yīng)研究往往只針對(duì)單一菌種,混合菌種以及菌根真菌與其他根際微生物的共同作用的效應(yīng)研究也具有重要的意義。今后可注重開展如下研究:利用我國豐富的野生藍(lán)莓真菌資源這一優(yōu)勢(shì),注重藍(lán)莓菌根真菌多樣性研究,以豐富菌根真菌種質(zhì)資源,為篩選抗寒、促生、抗病等高效菌種提供依據(jù)。注重分子生物學(xué)技術(shù)在藍(lán)莓菌根上的應(yīng)用,特別