丛枝菌根真菌介导植物磷元素吸收机理的研究进展

吴昀纾，蔡柏岩

(黑龙江大学生命科学学院/黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室/农业微生物技术教育部工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150080)

磷是植物生长发育必需的主要营养元素之一，在提高作物品质和产量方面有重要作用。土壤中的磷主要包括有机态磷和无机态磷，其中有机态磷可分为植酸类磷、核酸类磷、磷脂类磷，而无机态磷可分为水溶态磷、吸附态磷、矿物态磷[1－3]。土壤中的无机磷易于被Ca2＋、Al3＋及Fe2＋等金属阳离子吸附形成难溶物质，从而造成土壤有效磷含量下降，抑制植物生长发育[4，5]。与其他元素相比，虽然土壤中有机磷和无机磷含量较高，但是一般仅有0.02%~0.20%的磷能被植物直接吸收和利用，因此土壤缺磷制约大多数植物的生长[6]。

缺磷会导致植物体内的代谢途径受阻，致使细胞分化受到影响，最终导致植物的外部形态结构产生变化，如植株矮化、枝叶量减少、叶片暗黄、果实少而小等[7]。若磷素供给不足，植物外部和根系形态就会发生变化，生理生化特性也会出现转变，如根系分泌物不足、酶活性降低等[8，9]。目前为了增加土壤有效磷含量，人们通常施加大量磷肥，同时还有诸多研究表明解磷菌的存在可以有效提高土壤有效磷含量。

作为陆地生态系统中不可或缺的一类真菌，丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，简称AMF)在植物根际土壤中的分布很广泛[10]。AM真菌可以与大多数高等植物建立共生关系，这对生态系统具有重要意义[11]。AM真菌不仅在提高植物对环境的适应性方面发挥着巨大作用[12]，同时还能促进磷素吸收，对缓解外部生态环境胁迫起到很好作用[13，14]。土壤中解磷菌的存在对于植物生长及养分吸收具有重要影响，解磷菌能与固氮菌、根瘤菌等具有其他功能的微生物发生协同作用，促进植物的生长发育。AM真菌与土壤解磷菌关系密切，因此，研究AM真菌如何促进土壤解磷菌发挥作用，介导植物吸收土壤磷素具有重要意义。本文对国内外关于丛枝菌根真菌介导植物磷元素吸收的作用机理进行综述，并就将来的研究方向进行展望。

1 土壤中解磷菌的种类及解磷机制

1.1 解磷菌种类

土壤中的解磷菌包括细菌、真菌及放线菌，其中解磷细菌种类最多，解磷真菌的解磷能力最强(表1)[15]。

表1 解磷菌种类及优势菌种

1.2 解磷菌的解磷机理

解磷细菌分解无机磷的机理最常见的是解磷细菌分泌有机酸或同化释放出H＋，降低环境pH值[16]。不同宿主植物以及不同土壤环境筛选出来的解磷优势菌不同，不同解磷细菌分泌的有机酸也不同。冯哲叶等[17]从大豆土壤中分离出7种解磷效果较佳的解磷菌，研究结果发现能分泌柠檬酸和草酸的解磷菌具有最好的解磷效果。而解磷细菌降解有机磷主要是通过分泌磷酸酶，进而酶解磷酸酯键，释放无机磷酸来实现的。李文红等[18]在西湖沉积物中分离筛选出两株具有解有机磷能力的菌株，并发现解磷机理是酶解作用。陈丹阳等[19]利用平板溶磷圈法筛选出两株解磷细菌JXJ－11和JXJ－15，发现其能够分泌磷酸酶，降解不溶性磷，增加可溶性磷的浓度。

青霉菌和AM真菌是解磷真菌类别中两类重要菌属。张林[20]研究发现AM真菌与解磷细菌为互作关系，共同作用溶解土壤中的有机磷，提高有效磷浓度。何迪等[21]发现草酸青霉菌HB1通过分泌H＋，降低pH值实现溶磷作用，并且土壤中磷含量越低，解磷效果越好。刘春菊等[22]在以Ca3(PO4)2为磷源的固体培养基上筛选出一株高效解磷青霉菌株，并发现其解磷机制是菌株分泌有机酸，进一步溶解土壤中的难溶性磷酸盐。

张炳火等[23]发现放线菌JXJ－0136在土壤中通过分泌有机酸(如H2C2O4、C3H6O3等)来溶解难溶性磷，使土壤中的有效磷增多，进而促进植物的生长发育。李学平等[24]在盐碱化土壤中筛选出一株高效解磷放线菌F1312，表明在碳氮源为麦芽糖和酵母浸膏粉时，该解磷放线菌长势最好。目前对解磷放线菌的研究较少，其作用机制仍有待深入研究。

2 AM真菌吸收和转运磷的机理

2.1 AM真菌对解磷菌解磷能力的影响

土壤中存在着大量微生物，其中就包括解磷菌。解磷菌在土壤磷循环中起着重要作用，土壤中可被植物利用的有效磷也主要依靠解磷菌作用产生。AM真菌能够将植物4%~20%的光合产物运输并分泌到周围土壤中，为微生物提供碳源，促进微生物生长。Bharadwaj等[25]利用GC－MS方法测定发现，AM真菌菌丝分泌物主要包含单糖、有机酸和氨基酸等，而人们对于菌丝分泌物影响土壤微生物的研究较少。竹嘉妮等[26]研究发现，接种AM真菌显著增加土壤中解磷细菌数量以及土壤磷酸酶活性，土壤有效磷含量增加。Zhang等[27]研究发现，菌丝分泌物中的果糖和葡萄糖均能够刺激解磷细菌生长，果糖刺激解磷细菌还能够增加土壤磷酸酶活性。其主要原因是果糖刺激了解磷细菌磷酸酶基因和分泌系统相关基因的表达。这也进一步表明，AM真菌对于土壤解磷细菌的解磷具有积极作用。

2.2 AM真菌吸收磷的机理

菌根植物吸收磷元素主要通过以下两种途径:其一，植物根系直接从土壤中吸收磷素；其二，植物通过AM真菌共生体的菌根吸收磷素[28，29]。很多研究结果显示，菌丝吸收的磷素远远高于植物根系吸收的磷素。土壤中的磷具有难溶解性、难迁移性[30]。如果土壤中的磷被植物根系吸收后，磷补充和供给不及时，就容易出现“缺磷区”。AM真菌以生物营养方式定殖于大多数植物的根皮层，并形成自由基外菌丝体。AM真菌的根外菌丝可以以植物为中心向四周蔓延，扩大了与土壤的接触范围，从而帮助寄主植物获得水分和养分[31，32]。AM真菌菌丝具有延展性，可向根外磷素充足的区域延伸11.7 cm，即使AM真菌处在“缺磷区”，也能源源不断地吸收土壤其他区域的磷素。此外AM真菌菌丝还具有以下优势:缩短根系养分吸收距离，提升土壤磷的有效空间。Zheng等[33]研究表明丛枝菌根真菌的菌丝能在土壤空隙中广泛吸收磷素，并沿着菌丝传输给宿主植物。Cardoso等[34]认为AM真菌在土壤中吸收磷的机理与根系相似，但相比于植物根系，AM真菌菌丝的磷亲和力更高，吸收的磷素自然就更多，AM真菌菌丝可以在更大的空间内有效吸收磷。因此，在“缺磷区”，AM真菌菌丝吸收的磷素远远高于植物根系。

此外，AM真菌一旦有机会和宿主植物构建共生体系，就可通过菌根释放根系分泌物，也可诱导宿主植物释放根系分泌物，如有机酸、磷酸酶等，对土壤中的有机磷进行矿化处理，提高磷酸酶的活性，为植物创造更有利的生长环境，提升植物体的磷吸收效率，促进植物体的生长发育[35，36]。孙金华等[37]认为AM真菌是通过水解无机磷和矿化有机磷两个途径来提高土壤磷的有效性。AM真菌能将无机固定态磷和有机磷转化为有效磷，从而增加土壤有效磷含量[38]。AM真菌借助胞外菌丝，将磷元素吸收至真菌细胞质中，通过细胞运输将吸收的磷转化为多聚磷，然后借助胞间菌丝将多聚磷分解为小分子，从而促进宿主植物的吸收利用[39，40]。

在低磷环境下，接种AM真菌的植物根系可以通过提高特异性磷酸酶活性，加快有机酸的产生，如HCOOH、C6H8O7、C3H6O3等，同时还能有效提高植物生长发育速度和磷素吸收效率[41，42]。然而磷浓度超过特定界限时，反而会对AM真菌生长发育产生抑制作用。Xu等[43]通过添加不同浓度的KH2PO4，发现菌根磷吸收与根系定殖存在显著相关性。虽然在试验研究中磷源一般都是以钾、钙形态结合的，但在现实环境中，丛枝菌根一般都是从土壤中吸收利用占总磷含量1/2到1/5的有机磷，土壤中的有机磷不能直接被植物根系所吸收，需要将其水解为更易吸收的可溶性磷酸盐。宋勇春等[44]以红三叶草为供试植物，发现在接种AM真菌后，红三叶草碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性整体呈现升高趋势，添加外源有机磷后，植物磷含量和酸性磷酸酶活性显著升高，外源有机磷的利用率提升40%以上[45]。

2.3 AM真菌转运磷的机理

磷酸转运蛋白对磷具有较强亲和能力和结合能力，能通过AM真菌根外菌丝体胞外膜的流动性和膜容性，对土壤中的游离态磷进行富集，并经胞饮胞吞等胞外转运作用，将磷吸收至外菌丝体细胞环境中，并借由磷酸酶和氧化酶等，将游离态磷转化为活性磷酸盐。磷酸盐在胞内电化学电位梯度的作用下，会转化为多聚磷酸盐，并被包纳储存于AM真菌的胞内液泡中[46，47]。根内菌丝体能将多聚磷酸盐再次转化为低聚集小分子状态的磷酸盐，并释放到根系细胞间，由植物磷酸盐转运蛋白将磷酸盐转运至植物体的其他部位，参与植物体的代谢循环[48]。寄主植物吸收磷的范围、深度和空间体积，因为菌丝结构体参与，同正常植物根系相比，都得到了扩大和拓展。受定殖菌丝的影响，寄生根的磷酸盐亲和力更强，即使在土壤环境中磷素处于生境胁迫水平时，通过根部所聚集吸收的磷也能保证主体植物正常生命活动所需[49]。

目前，已经从AM真菌中检测出3种不同的磷酸转运蛋白(GvPT、GiPT、GmosPT)，当植物处于缺磷状态时，根外菌丝会表达磷酸转运蛋白基因，将菌根摄取的磷向宿主植株有序传输[50]。经过菌丝转运，磷元素会进入丛枝细胞内，AM真菌诱导宿主植物Pht1家族部分成员表达，以提升植物体的磷素吸收率。

3 磷从菌丝到植物根系的迁移转化路径

磷从菌丝到植物根系的迁移转化过程具体如下:首先磷主动从土壤中向AM真菌迁移，然后向菌丝和根系的临界面迁移，最后磷从菌丝和根系的临界面向根系迁移。宿主植物吸收多少磷取决于AM真菌菌丝和根毛之间磷传递速率[51，52]，AM真菌与宿主植物磷含量的差值决定磷的迁移方向和速率，菌丝和根系的磷浓度梯度决定磷的被动传输[53]。

Jiang等[54]研究发现，有机磷的富集和矿化作用及解磷细菌在有机磷斑块中的迁移和转运，能通过AM真菌胞体外菌丝得到刺激和加强。解磷细菌必须借以菌丝分泌物形式存在的有机酸类作为能源供给，完成向有机磷斑块中的迁移运动。同时还利用真菌体外培养试验，对AM真菌菌丝分泌物影响解磷细菌的生理途径和活动模式相关方面进行研究，发现在真菌菌丝边缘形成的厚水膜中，解磷细菌存在大量运动轨迹。

4 同位素示踪技术研究植物吸收磷

同位素标记能够通过AM真菌检测和量化土壤和植物之间的养分通量。借助同位素示踪技术(isotopic tracer technique)可以在AM真菌、宿主植物的矿质养分吸收和转运的研究方面取得更深入的进展。如依托于32P、33P示踪技术研究植物吸收磷素情况，可以发现菌根途径的作用不容忽视[55]。而且对比于非菌根营养植物而言，接种AM真菌后，菌根营养植物的磷素摄取量更高，同时还能将磷转运给宿主植物。Cruz-Paredes等[56]将含磷标记的土壤进行分隔培养，发现在菌根植物根中，磷转运蛋白可能完全失活，吸收磷几乎完全归因于菌根途径。Yang等[57]将32P示踪技术应用于白车轴草试验中，同样证实接种AM真菌的植物对磷素的吸收更强。Ardakani等[58]借助32P示踪技术进一步研究了接种AM真菌植物对磷素的吸收情况，结果显示植物获取磷素的多少取决于菌根吸收效率的高低。

5 展望

植物根系只有从土壤中吸收足够量的钾、钠、铵等磷酸盐，才能满足其正常的生长发育需求。不可否认，土壤磷素匮乏已然成为现阶段影响粮食作物产量和品质的重要因素。为了提高土壤磷素利用效率，实现农业可持续发展，提升人们的生活质量，推广AM真菌接种生物技术势在必行。近年来，丛枝菌根与植物磷素供给途径方面的研究受到越来越多的关注，目前绝大部分研究仅局限于对其现象的发现和推理，极少涉及到代谢途径和有关机理的实现过程，未来应在以下几个方面进一步深度研究:①注重目前现有试验结果和发现机理与大田试验进行关联分析和深化研究，推导二者之间存在的数学关系与逻辑联系，达到科学研究、实践推广的核心目的，并将种植模式[59－61]和施肥技术[62－64]等经典农学方法相互结合；②虽然在植物磷摄取、转运中磷转运蛋白起着至关重要的作用，但由于研究的滞后性，无论是基于形态学机制还是基于分子学机制而言，关于磷转运蛋白的研究还有待深入。③深化研究根际土壤微生物，利用组织化学分析、分子生物学技术、同位素标记等多元化方法，全方位多层次地展开研究，力求使AM真菌和根际微生物间达到最佳的作用效果。随着对其相互作用机理研究的不断深入，AM真菌与根际微生物的研究有望在生态学上取得突破，这对于提高植物根系磷的吸收速率和土壤磷素利用率具有重要意义。