丛枝菌根对防治植物缺铁性黄化病的作用机理与应用研究

张玉婷 陈佳毅 李培根 琚淑明

(徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221018)

植物缺铁性黄化病是由于植物体内Fe元素含量相对过低而导致的叶片黄化，植物生长势衰弱，甚至危害植物生存的一种生理性病害。自20世纪初缺铁性黄化病多被报道，为防治黄化病对植物造成的危害，相关领域研究人员相继研发了土壤改良、茎干Fe元素注入等有效的防治措施，但是现存措施存在易复发、经济投入过高等缺点，因此研究经济、长效、安全的防治措施成为亟待解决的问题。 丛枝菌根真菌(ArbuscularMycorrhizalFungi,AMF)应用于困难立地造林，多有报道，例如马尾松造林、南京地区楸树困难立地造林、油松造林等，AMF研发的微生物菌肥在农业生产实践中广泛应用。丛枝菌根真菌在自然界广泛存在，属于微生物肥料的重要组成部分，备受相关领域研究人员的关注。美国、欧盟、韩国等国家以及目前国内外科学家对于丛枝菌根做了大量相关的研究，对植物黄化现象有了较为深入的了解。本研究从丛枝菌根对植物缺铁性黄化病的机理与应用研究进行综述，同时对未来植物黄化研究方向提出了展望，旨在探明丛枝菌根对防治植物缺铁性黄化病的机理，为植物黄化病的防治提供长期有效的方案。

1 缺铁性黄化病致病机理

国内外学者对植物缺铁性黄化病致病原因及相关机理进行了深入的探讨，对其防治措施进行了大量实践。研究认为导致植物缺铁主要有两方面的原因，即分为植物功能性吸收障碍和土壤中植物有效铁含量低。

1.1 植物功能性吸收障碍

植物缺铁性黄化病是因为植物体内缺少铁元素导致植物体内的叶绿素合成受到阻碍，导致植物生长缓慢，严重至生长停滞而死亡[1-2]。徐万泰等人发现树木本身的生长状况也可造成植物缺铁性黄化病，例如香樟黄化病的发病率随香樟的胸径增大呈先上升后下降的趋势，胸径为15cm为发病率最高[3]。晁无疾等人发现葡萄不同种群和品种发生黄化病的程度有明显差异，如欧亚种群葡萄明显比欧美杂交种葡萄抗黄能力更强[4]。

1.2 土壤中植物有效铁含量过低

植物叶片缺铁失绿黄化表观原因是叶片组织缺铁，本质上是土壤铁素营养失调引起的一种生理病害，与土壤中铁元素的形态和活性有很大关系。何天明等人对香梨产区土壤样品进行理化特征分析，土壤高pH和有效铁含量低是香梨叶片出现黄化病的主要原因[5]。

针对碱性土壤导致的缺铁性黄化病的致病原因，土壤改良与植株亚铁盐的直接补给是主要的防治措施。土壤改良是通过施用有机肥、腐殖酸、醋糟等基质调节土壤的pH，促进Fe3+向Fe2+的转化，提高植物有效Fe2+的含量，从而缓解植物缺铁性黄化病，而研究显示这些方法虽然能缓解植物缺铁，但都存在一定的弊端。土壤改良耗时耗力，有效期短，直接向土壤施用铁肥由于很快被土壤固定而转变为无效铁，失去肥效。叶面喷施络合态铁的方法由于植物体内铁的移动性很小，新生长的叶片仍呈黄化症，需反复喷施，实际应用的成本过高[13]。

所以，寻找高效的解决植物缺铁的方法就显得尤为重要。针对目前碱性土壤植物缺铁性黄化病防治措施存在的问题，提出利用微生物进行土壤微生态系统的调整，来促进植物对Fe的吸收。

2 丛枝菌根对防治植物缺铁性黄化病的机理

AMF在自然界广泛存在，能与世界上80%的维管束植物形成互利共生关系的菌根[14]，AMF通过菌丝侵入到植物根系与宿主植物根系形成菌根，根系外延菌丝通过利用植物碳水化合物维持生长并吸收土壤养分供给宿主植物实现互利共生[15]，这对植物个体间营养平衡方面具有重要的作用，并对宿主植物的N、P等养分的转移分配产生影响[16-17]，它将改变植物个体功能形状和营养状况以及表型形状等。缺铁导致植物黄化病主要是土壤有效性铁元素含量低，提高土壤中的有效性铁的含量，促进植物对铁的吸收是缓解植物缺铁型黄化病的重要机制。

2.1 增加土壤铁的有效性

植物的根系在缺Fe的土壤环境中分泌出酚类、黄素等有机物质[18-19]。而酚类、黄素以及其他有机物质对土壤微生物具有毒害胁迫作用[20-23]，同时部分分泌物又可以作为某些微生物的碳源物质，刺激微生物的生长繁殖，从而在植物的根际形成特殊的微生物群落结构，这些改变的微生物群落结构转而影响植物对铁营养的吸收[24]。为了克服铁有效性低的问题，许多微生物自身合成并且分泌高铁载体。释放到土壤中的高铁载体再通过配合基的螯合反应，使难溶性的铁(如氧化铁和氢氧化铁)得以释放出来，并且形成Fe 螯合物,增加了土壤中铁的生物有效性[25-26]。这既能达到校正植物缺铁失绿，又能达到保护生态和谐，因此不失为一条可行性途径。此外，铁载体的螯合过程不受pH影响，这对于石灰性土壤抗缺铁营养胁迫具有特殊的意义。

2.2 影响植物生理状态

研究表明，AMF侵染对植物生理状态最大的影响在于增加了宿主植物根系的吸收面积。侵染的外生菌丝穿透植物根系表皮进入皮层细胞间或细胞内形成内生菌丝。它既是物质运输通道，也是AMF与宿主植物进行营养交换的器官和场所。物质在AMF菌丝的传输速度远大于在植物根系中的传输速度，而且侵染的菌丝使得宿主植物根系的吸收面积极大增加，从而提高了宿主植物根系的吸收效率[27-29]。

另一方面，从枝菌根还在一定程度上增加了根系Fe3+螯合物还原酶(FCR)的活性。高pH常引起根系FCR的降解，AMF提高了柑橘根系的FCR活性,从而提高了基质中铁的氧化还原能力，使更多的Fe3+转化为Fe2+,供植物根系直接吸收，进而增强植物对铁的吸收效果[30]。

3 丛枝菌根对植物铁元素吸收效果的影响因素

3.1 AMF菌根种类

大量研究显示菌根的形成不仅扩大了植株根系吸收的空间有效性，而且菌根通过分泌次生代谢产物，调节土壤 pH，提高土壤酶活性和营养元素的有效性[31]。研究显示，AMF能提高植物对Fe的吸收。王明元等人研究了碱性条件下地表球囊霉(Glomusversiforme)接种枳实生苗，促进了植株生长，提高了叶绿素、活性铁与全铁含量，增强了根系Fe3+还原酶活性，减轻了其缺铁性黄化病的产生[29-30.32]；摩西球囊霉(Glomusmosseae)接种三叶草形成共生菌根能显著提高植物体内铁元素含量[33]；集球囊霉(Glomusfasciculatum)和大果球囊霉(Glomusmacrocarpum)单一及复合接种大叶相思能显著促进植物生长，提高植物体内铁元素的含量，并且复合接种效应显著高于单一处理[34]。Gąsto等人研究了不同种类的复合AMF接种苹果苗，能不同程度提高植物体内铁元素的含量[35]。Balakrishnan以玉米为材料接种AMF(Glomusintraradices)研究菌根对土壤中铁与锌元素状态的影响，实验显示接种菌根后，植物根际植物有效性铁、锌元素含量明显提高。因此特定环境下，目标植物AMF优势功能性菌株的筛选成为项目成功实施的关键[36]。

3.2 植物种类

有报道认为AMF接种不同种类植物对铁元素吸收影响不同。例如，Pacoysky和Fuller认为在AMF存在的情况下,大豆的铁吸收会减少[37], Clark和 Zeto认为玉米的铁吸收会增加[38]，而Lambert等人探究发现AMF侵染的大豆和玉米的铁吸收都会增加[39]。唐振尧与何首林使用AMF接种4种柑桔砧木实生苗 (枸头橙、酸桔、红柠檬和枳)，得知红柠檬实生苗吸收铁量最多，其次为酸桔、枳和枸头橙[40]。

3.3 土壤环境因素

多项研究显示，土壤环境因素也成为影响AMF接种对植物吸收Fe效果的主要因素之一，即使是同一植物在不同的土壤条件下也会得出不同的实验结果。Raju等人经研究发现土壤pH磷的供应和土壤的温度等可能导致了实验结果之间的差异[41]。Clark和Zeto综述了AMF对植物吸收矿质元素的影响，认为在碱性土壤中，菌根能促进宿主植物的生长，提高Fe的吸收，而酸性土壤条件下铁变化不显著[42]。鹿金颖等人研究了AMF对酸枣实生苗吸收土壤铁元素的影响，显示菌根对植株体内Fe的浓度无显著影响[43]。金崇伟进行的铁同位素(59Fe)示踪试验显示AMF(Glomusmosseae)通过菌丝能吸收土壤中的Fe，而且在缺铁条件下，AMF接种效果明显[44]。

4 结论与展望

从以上综述可以看出，AMF接种促进植物对Fe的吸收，防治缺铁性黄化病，低成本、操作简单、持效性长，有重要的研究与应用前景。就其影响因素来看，不同种的AMF功能不同，而同种AMF在不同生境中长期生存会表现出不同的生态适应性。不同植物适宜的AMF种类不同，筛选高效的功能菌种会成为一个重要的研究内容。同时，外源AMF接种在一个新的环境下也必然有一个本土化的过程，外源AMF菌种/菌群的引入，势必导致其与土壤土著AMF菌群生态位的改变，整体AMF菌群“功能多样性”，即菌种生态位、AMF群落多样性及功能会发生一定的变化，而土著AMF可能更适应条件，竞争力更强。对于引入AMF的成功定殖，维持其长期较高的竞争力是尤其重要的。因此，探究引进筛选后的AMF与土著AMF之间的关系及其竞争的基本机制具有重要的意义，而且也是构建稳定植物-目标AMF共生体系，防治植物缺铁性黄化病的前提。