丛枝菌根真菌调控植物耐盐碱机制研究进展

2022-10-28刘宇乐姜宛彤苏文欣吕亚茹严俊鑫

江苏农业科学 2022年19期

刘宇乐，姜宛彤，苏文欣，吕亚茹，王菲，严俊鑫

(东北林业大学园林学院，黑龙江哈尔滨 150040)

目前，土壤盐碱化已经成为我国乃至全球备受关注的土壤环境问题之一。根据联合国粮农组织的不完全统计，目前全球盐碱土地的面积约为9.5亿hm，其中我国约为9 900万hm，约占全球盐碱土地的十分之一，严重威胁着植物的正常生长和经济的可持续发展。根据盐碱地不同盐分的差异，人们将盐碱胁迫分为以NaCl、NaSO为主的中性盐胁迫和以NaHCO、NaCO为主的碱性盐胁迫。随着土壤盐碱化和次生盐碱化程度的不断加剧，如何增强植物的耐盐碱性、加强土壤盐碱化的治理以及盐碱土的综合开发已经成为现代生态发展的重大课题。

丛枝菌根真菌(AMF)广泛存在于土壤中，可以在土壤中形成庞大的根外菌丝网络。研究表明，AMF可以与自然界中90%以上的植物形成根系共生关系，菌根可以从植物体内获得维持其生长的营养物质，植物可以借助根外菌丝的吸收能力从更深层的土壤中获得更多的水分和矿质元素，提高植物的经济价值和产量。近年来研究发现，菌根侵染植物后，寄主植物的耐盐碱、干旱、重金属以及极端温度等的能力也得到明显提高。本文对国内外有关丛枝菌根真菌提高植物耐盐碱胁迫的作用机制进行了综述，分析了丛枝菌根真菌对盐碱胁迫下植物的抗氧化防御系统、渗透调节物质、离子平衡、养分吸收、植物激素、光合作用以及土壤环境等方面的影响，以期为相关理论研究以及加强盐碱土的综合治理提供一定的参考价值。

1 盐碱胁迫对植物的危害

在自然环境中，我国盐碱土多为混合盐碱土，盐胁迫和碱胁迫往往交错发生。土壤中盐分含量过高会导致植物体内水分向外渗出，对植物造成渗透胁迫，严重时导致植物死亡。盐碱土中Na浓度过高会使植物细胞中Na大量积累，打破了植物细胞中原有的离子比例平衡，对植物直接产生离子胁迫。Na还会干扰植物根系对其他离子的吸收，造成植物养分亏缺。植物的生理代谢常伴随着活性氧(ROS)的产生，正常情况下ROS的产生和消除会处于一种平衡状态，盐碱胁迫导致植物体内ROS大量积累，其强氧化性会对植物细胞的结构和功能造成损伤，使植物产生氧化胁迫。碱胁迫除对植物产生渗透胁迫、离子胁迫和氧化胁迫外，还会使碱性盐中主要含有的NaCO、NaHCO成分发生水解反应，在盐胁迫的基础上对植物产生高pH值伤害。一方面根际周围的高pH值环境会导致土壤中Ca和Mg沉淀，而间接对植物造成营养胁迫，另一方面在天然碱胁迫下还会导致土壤板结，降低土壤微生物和酶的活性，影响植株根系微环境生态稳定。此外，高pH值会影响叶肉细胞微环境的酸碱平衡，使叶绿体结构受损，导致叶片叶绿素含量下降，影响其正常的光合作用，因此碱胁迫对植物的危害远高于盐胁迫。

2 AMF对盐碱胁迫下植物生长的影响

研究表明，盐碱土中存在大量的AMF，1928年，Mason首次发现AMF可以与盐生植物形成根系共生关系。岳英男对东北松嫩盐碱草地上包括蔷薇科、禾本科、菊科、蓼科等在内的26种植物进行调查发现，这26种植物都可以被AMF侵染，其中禾本科、蔷薇科植物侵染率可达90%以上，而一些认为较难被AMF侵染的植物，如碱蓼()、扁蓄蓼()和蓬子菜()等也观察到了不同程度的菌根结构。许多试验已经表明，AMF能够在盐生植物的生长中发挥促进作用，对盐生植物如碱茅()、碱蓬()、羊草()等研究发现，在盐碱胁迫条件下菌根植株的株高、生物量均大于非菌根植株。除此之外，丛枝菌根提高植物耐盐碱方面的作用在不同苗木、农作物和牧草上也均被证实。研究表明，接种AMF可缓解盐碱胁迫对向日葵()、金叶女贞()、桑树()、杜梨()等植物的抑制作用，并且使其生物量显著提高。AMF可以使盐碱胁迫下植物的品质显著提高，叶林的研究表明，在混合盐碱胁迫下接种AMF使西瓜()中可溶性固形物、可溶性糖、维生素C的含量与未接种植株相比提高了14.50%、4.03%、18.59%。接种AMF的番茄()植株的果实干质量和产量分别为未接种植株的1.5倍和2.1倍。AMF还可以使药用植物缬草()中的缬草素和甘草()中的甘草酸等活性成分含量相对于盐胁迫下显著提高，提高了其药用价值，有助于扩大植物的栽培范围和提高盐碱地的综合开发利用。

3 AMF提高植物耐盐碱胁迫的作用机制

3.1 缓解氧化胁迫

植物面临盐碱胁迫时，其体内ROS大量积累会导致膜脂过氧化从而使细胞膜的结构和功能遭到破坏。植物清除ROS的抗氧化系统包括酶促保护系统和非酶促保护系统。酶促保护系统主要包括过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)等抗氧化酶，抗氧化酶的活性的提高可以显著减少活性氧对植物的损伤。Hashem等研究发现，在盐胁迫下接种AMF的黄瓜()与对照相比，其叶片中的SOD、CAT、APX、GR活性分别提高了6.87%、28.83%、34.10%和26.17%。赵霞等研究证实，AMF能提高混合盐碱胁迫下紫苜蓿()的SOD、CAT、POD活性。这一结果也在大叶女贞()、鹰嘴豆()的研究中得到体现。Ren等研究发现，接种AMF能提高盐胁迫下田菁()体内SOD、CAT、GR的活性，并且上调了其相关基因的表达。Chen等研究了盐胁迫下刺槐()的、、、、等抗氧化酶功能基因的表达情况，发现这5种功能基因在刺槐中均表达上调，相关的抗氧化酶活性也随之提高，以此达到抵抗氧化胁迫的效果。此外，Palma等从丛枝菌根真菌中分离出的编码Cu/Zn超氧化物歧化酶的基因()经研究表明也与提高植物的耐盐性有关。

非酶类抗氧化剂主要包括抗坏血酸(ASA)、谷胱甘肽(GSH)等，这些物质既可以直接清除ROS，也可以作为底物为上述酶类抗氧化剂提供还原力，从而清除活性氧。植物中抗坏血酸-谷胱甘肽(ASA-GSH)循环系统是清除ROS的重要途径，维持体内抗氧化系统的稳定。研究证实盐胁迫下接种AMF的黄瓜幼苗叶片和根系的ASA含量以及抗坏血酸/脱氢抗坏血酸(ASA/DHA)、谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽(GSH/GSSG)的比值与对照相比显著提高。植物面对盐碱胁迫时，可以通过合成次生代谢产物作为抗氧化剂来清除ROS的积累，如酚类、黄酮类化合物。Wang等对在碱性盐胁迫下接种AMF的星星草()植株进行蛋白质组学分析，发现苯丙烷类化合物生物合成的关键酶如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、咖啡酸甲基转移酶(CAOMT)和肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)表达显著上调，有助于香豆素、木质素和酚类等次生代谢产物合成。这些结果表明，接种AMF激活次生代谢基因，合成次生代谢产物可能在提高植物耐盐碱性过程中起重要作用。

3.2 缓解渗透胁迫

植物在盐碱胁迫环境中可以通过合成脯氨酸、可溶性蛋白和甜菜碱等渗透调节物质来促进水分向植物体转运，缓解渗透胁迫。研究表明，AMF促使植物积累更多的渗透调节物质来维持体内水分的充盈。Shi等研究发现，接种AMF可促进桑树可溶性蛋白和糖的积累以增加细胞液浓度，维持细胞膨压，提高寄主植物耐盐性，且可溶性物质含量增加与植株菌根化程度正相关。接种AMF可以促进枸杞()中淀粉水解成可溶性糖和还原糖，进而提升其渗透调节能力。Evelin等研究证实，在盐胁迫下接种AMF可使胡卢巴(-)叶片甜菜碱的含量增加，提高植物细胞渗透压，使细胞在面临生理性干旱时仍能保持一定水分，提高寄主植物对盐胁迫的耐受性。植物对pH值的调节主要依赖于体内有机酸的分泌。有机酸作为一种小分子的渗透调节物质，可以修复植物体内无机阴离子的匮乏，维持细胞内pH值稳定和离子平衡，对植物抗盐碱特别是碱胁迫的生理过程有重要意义。韦莉莉等的研究表明，AMF可以与寄主植物互作分泌大量有机酸来调节植物体内及根外的pH值，从而减少根系的伤害。在NaHCO胁迫下，接种AMF的星星草植株体内包括莽草酸、尿囊酸在内的部分有机酸含量增加，这对维持植物在碱胁迫下的离子平衡起着重要作用。在分子水平的研究表明，植物受到干旱、盐碱胁迫等会编码与脯氨酸生物合成有关的关键限速酶基因。Kesari等在烟草()中转入基因，其表达提高了植物抵抗渗透胁迫的能力。Kishor等研究证实，盐胁迫下接种AMF的植株编码的基因显著上调，增强了脯氨酸的积累，缓解渗透胁迫，从而提高植株的耐盐性。

3.3 调节离子平衡

在盐碱胁迫中，植物体内Na浓度过高对植物造成离子毒害。研究表明，AMF可以将Na保留在根外菌丝中，减少土壤中进入植物根系的Na。例如，接种AMF显著降低了青杨()雌株和雄株根、茎、叶中的Na、Cl。AMF也可以将Na区隔在植物根系中，从而减少Na向地上部分转运。Kong等研究发现，盐碱胁迫下接种AMF的番茄植株与对照相比，其茎和叶的Na浓度分别下降24.84%和39.67%，而根中Na浓度上升5.11%，表明接种AMF可以减少有害Na的吸收，并抑制Na从根向地上部的转运。在分子水平上，植物细胞中维持Na平衡的离子转运蛋白主要有液泡膜Na/H逆向转运蛋白(NHX1)和质膜Na单向转运蛋白(HKT1)等。盐碱胁迫下，NHX负责将Na区隔于液泡中，降低其对其他细胞器的离子毒害；植物的基因过量表达可以使Na从木质部中转运到木质部薄壁细胞，避免Na被转运到地上部分，从而保证植物的光合作用不被破坏。陈婕的研究表明，接种AMF提高了刺槐根系在200 mmol/L NaCl处的表达，说明AMF能够减少Na向植株地上部分的运输，但接种AMF对刺槐根系和叶片的表达均没有显著影响。然而，Porcel等的研究表明，盐胁迫下接种AMF的水稻()中编码和；基因表达上调，促进Na的液泡区隔化，减少了Na向植株地上部分的运输，提高了水稻耐盐性，这是因为水稻中基因都发挥着液泡(Na、K)/H反向协同转运的功能。因此，需要进一步对其他编码NHX蛋白基因的表达情况进行研究，才能更清楚地阐明接种AMF植株中这些基因对Na区室化作出的贡献。

SOS途径是植物在盐碱胁迫条件下维持离子平衡的主要信号调节途径。在盐碱胁迫下，过量的Na会触发细胞质内的Ca信号。EF手型钙结合蛋白(SOS3)进一步解码Ca信号，并与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(SOS2)互作，激活Na/H反向转运体(SOS1)，将Na从细胞质中排出。Zhang等研究发现，盐胁迫下接种AMF的芦笋()植株中包括编码SOS3和SOS2的基因在内的多个参与SOS信号通路的基因表达上调。此外，高浓度Na会使K吸收降低，打破了细胞内K/Na离子比例平衡，使K参与的生理生化反应受到影响，维持胞质K/Na平衡也是植物耐盐碱性的关键机制之一，研究证明，基因在特异调控毛果杨()K/Na平衡中发挥了重要作用。Chen等研究发现，在盐胁迫条件下，接种AMF可以通过提高刺槐基因的相对表达和K/Na比率提高耐盐性；Porcel等研究发现，AMF可以通过上调水稻等阳离子转运蛋白基因的相对表达量以促进Na胞浆外排和液泡区隔化，改善内部K/Na比值提高水稻耐盐性。还有研究表明，基因能够调控SOS通路，减少植株的Na积累，增强了植株的耐盐性。在盐胁迫72 h后，接种AMF植株与对照相比显著增加酸橙()基因()的表达水平，可以得出，基因可能是通过调节Na积累，在耐盐性的发展中起着积极的作用。

3.4 促进养分吸收

植物受到盐碱胁迫时，土壤中盐离子过多会抑制植物对其他离子的吸收从而导致植物营养失衡影响其正常生长。AMF细小、众多的菌丝使植株根系吸收营养物质的范围扩大，促进了寄主植物对矿物质元素的吸收，进而间接提高植株耐盐碱性。

马朋坤的研究表明，在盐碱化湿地土壤上接种AMF的碱蓬地上部N、P、K、Ca、Mg的含量与对照相比分别提高204%、77%、35%、84%、70%，这一结果也在缬草、榉树()中得到了证实。N是植物生长发育的必需营养元素，谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)和谷氨酸合成酶(GOGAT)是参与氮同化的关键酶。Zhang等研究发现，盐胁迫下接种AMF的芦笋植株编码GS、GDH和GOGAT的基因以及硝酸盐转运蛋白(NRT1/PTR)基因家族中编码的2个在N吸收和转运中发挥多功能的基因显著上调，提高了芦笋的营养利用率，从而增强其耐盐性。菌根形成后，植物根系吸收的P几乎都是通过菌丝体吸收的，磷转运蛋白在吸收P元素过程中起到关键作用。迄今为止，已从3种AMF中鉴定出高亲和力磷转运蛋白编码基因(、和)。AMF还可以诱导植物的磷转运蛋白表达，曹庆芹等的研究表明，接种AMF使草莓()根系中的、和被高效诱导表达，有利于草莓对土壤中磷素的高效吸收。马志博对盐胁迫下接种AMF的酸枣()植株进行研究发现，其根中磷转运蛋白基因、、、、表达显著上调，促进了根系对磷的吸收。此外，Liu等研究发现，高亲和K转运蛋白仅在接种AMF的番茄中表达显著上调，证实AMF能够介导与相关的K摄取途径，改善植株K营养，还能增加根系碳水化合物积累，促进AMF定殖。

植株在碱胁迫下常常会因为缺Fe而表现出失绿症状，这是由于碱性土壤的pH值增高，Fe大多以Fe形式存在，溶解度降低而无法为植物所利用，所以提高植物对铁元素的吸收成为缓解碱胁迫的关键之一。AMF可以通过不同途径改善植株体内Fe元素。AMF侵染植株根系后形成大量根外菌丝，可以直接吸收土壤中的矿质元素，研究表明，在NaHCO胁迫下，接种AMF的黄瓜叶片中Fe元素的含量相对于对照来说显著提高14%。此外AMF的根外菌丝分泌的球囊霉素可以与土壤中的铁离子等金属离子形成螯合物，当环境中铁元素含量下降时可以通过可逆反应来释放部分铁元素从而改善寄主植物根外铁环境。FRO基因家族可以调节植株根系Fe的吸收，王明元的研究表明，接种AMF可以增强寄主植物根系在缺铁条件下基因的转录水平，进而增强了三价铁鳌合物还原酶的活性，使根际土壤中更多的Fe向Fe转化，增强植株对铁的吸收利用。

3.5 调节植物激素

脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、赤霉素(GA)等内源激素在植物适应逆境胁迫中发挥着重要的作用。AMF在侵染植物后，可以诱导植物体内如ABA、IAA等内源激素的合成，提高了植物抵抗盐碱胁迫的能力。贺忠群等研究发现，盐胁迫下接种AMF的番茄植株，其体内的GA、IAA、ABA水平均显著提高。但目前有关菌根植物内源激素的研究结果仍有不同，在研究AMF对西瓜盐碱胁迫的调控机制中发现，未接种西瓜叶片中的ABA含量高于接种AMF植株，这结果可能是西瓜受到胁迫后经AMF调控后植株ABA含量先升高后降低所致，缓解了胁迫伤害。此外，AMF能诱导植物激素的合成，植物激素又能作为信号分子参与调控丛枝菌根的共生过程。独脚金内酯能刺激AMF菌丝产生分枝，是AMF侵染根系不可或缺的化学信号。有研究表明，AMF的非寄主植物不能与AMF共生部分取决于其根系分泌物中缺少或减少了独脚金内酯。在盐胁迫下，接种AMF提高了生菜()的独脚金内酯含量，促进了AMF对植株的侵染，从而提高了其耐盐能力。在分子水平上ABA不只是生长抑制物质，还是植物对逆境因子产生响应的一种信号因子，盐胁迫下植物体内ABA加速积累，ABA响应元件在大量积累脱落酸的条件下受到刺激并产生表达，从而使植物产生抗性。Testerink等研究发现，AMF可以通过2-甲基--赤藻糖醇-4-磷酸途径(EMP)促进ABA的生成，进而诱导胁迫因子磷脂酸的形成，引起植物信号反应，在耐盐性方面有重要作用。

3.6 增强光合作用

在盐碱胁迫下，植物的光合速率、蒸腾作用等均会受到影响，接种AM真菌能够提高植物的光合作用，从而增强植物抵抗不良环境的能力。贾婷婷等的研究表明，盐胁迫下接种AMF的沙枣()植株叶片净光合速率()、蒸腾速率()、胞间二氧化碳浓度()和气孔导度()显著高于未接种组。盐碱胁迫特别是碱性盐下产生的离子毒害和高pH值会阻碍光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统Ⅰ(PSⅠ)的正常运行以及PSⅡ反应中心的D1和D2蛋白会在胁迫下降解。陈婕的研究表明，AMF提高了与编码D1和D2蛋白有关的和基因在盐胁迫下的表达。当D1和D2蛋白在盐胁迫环境中降解时，AMF对这2个基因的上调可以使接种植株中PSⅡ有更好的修复能力。

高pH值还会影响叶绿素的合成以及叶绿体的结构从而使光合作用受到影响。在NaHCO胁迫下对星星草植株进行蛋白质组学分析发现，接种AMF的植株包括尿卟啉原脱羧酶(UROD)、叶绿素还原酶(NYC)、叶绿素合成酶(CHLG)在内的几个关于叶绿素合成的蛋白表达显著上调，并且参与叶绿素降解的脱镁叶绿酸氧化酶(PAO)显著下调，从而使其叶绿素含量显著高于未接种组。此外，AMF还能分泌细胞分裂素类似物，促进植物叶绿体发育，从而增加植物体内叶绿素含量。

3.7 改善土壤环境

在土壤盐碱化过程中，土壤的有效养分丧失严重，特别是碱土中高pH值会导致土壤中Mg、P(主要是磷酸盐)等矿质元素沉淀，影响根系对营养元素的吸收。袁丽环等的研究表明，对翅果油树()接种AMF使得根际土壤中氮、磷元素显著增加，并且菌根侵染率与氮、磷含量呈显著相关关系，其根际土壤磷酸酶活性也显著提高，增强了植株对土壤可利用磷的吸收。此外，AMF通过提高根区土壤酶活性，丰富了土壤微生物数量，增加根系分泌物，营造良好的根区土壤微生态环境。Gresh等研究发现，在盐碱混合胁迫下接种AMF的番茄植株根际土壤中细菌和放线菌的密度显著增加，其中放线菌相较对照增加了106.7%。接种AMF的西瓜幼苗根际脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性增强，表明西瓜根区速效养分含量提高，间接提高了西瓜的耐盐碱能力。

3.8 调控转录因子表达

在分子层面，转录因子是一种与特定DNA结合的蛋白质序列，可以接受上游盐碱胁迫信号，调控下游相关耐盐碱基因(如抗氧化基因、渗透调节基因)的表达。包括GRAS、AP2/ERF在内的几个基因家族与植物耐盐碱响应密切相关。

AP2/ERF家族根据结合域的个数和序列相似性可大致分为4个亚家族：ERF、DREB、AP2和RAV亚家族。其中，AP2亚家族与脂肪酸合成密切相关，研究表明，蒺藜苜蓿()中AP2亚家族转录因子通过调节参与脂肪酸生物合成和磷酸盐摄取的基因控制植物-菌根双向营养交换。除了参与脂肪酸合成外，AP2亚家族也能参与抗性调控，研究表明，其AP2亚家族成员ANT能够直接与下游钙传感器基因启动子结合，并与SOS2互作，通过调节离子稳态来保护拟南芥()幼苗免受盐胁迫。在对酸枣幼苗进行盐胁迫处理后发现，接种AMF参与了AP2/ERF转录因子调控响应，分别诱导了植物叶片和根中8个和19个AP2/ERF转录因子表达上调。但目前丛枝菌根通过AP2/ERF转录因子调控植物耐盐碱性的具体机制仍不清楚，更多分子机制和调控通路有待挖掘。

GRAS家族参与植物-真菌的共生，迄今为止，已经鉴定了包括NSP1、NSP2、RAM1、DELLA等几种参与菌根信号传导或菌根定殖的GRAS转录因子。研究表明，紫花苜蓿的双突变体丛枝结构严重受损，这表明DELLA在丛枝发育中起到积极调节作用；NSP2和NSP1可以影响 Myc-LCO 信号传导进而影响丛枝菌根菌丝分枝，与野生型植物相比，NSP2-2和NSP1突变体中菌根的定殖率显著降低。除此之外，DELLA蛋白是一种调节不同激素互作的关键因子。在拟南芥中，DELLA蛋白能够通过与脱落酸生物合成的诱导物XERICO互作，或者抑制盐胁迫反应中负调控因子JAZ蛋白表达来提高其耐盐性。GRAS家族既能参与菌根定殖又在提高植物抗性方面发挥着积极作用，因此可以合理推测GRAS家族在丛枝菌根提高植物耐盐碱性方面发挥作用，未来可进一步挖掘GRAS家族在丛枝菌根提高植物耐盐性中的作用和分子机制。