丛枝菌根真菌对药用植物生产的影响研究

彭 雪，郭二丹，仇莹莹，徐 皓，2*

(1.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西汉中 723000；2.陕西理工大学秦巴生物资源与生态环境重点实验室(培育)，陕西汉中 723000)

药用植物在我国分布较为广泛，对其的认识、利用和培育具有几千年的历史，主要用于中医治疗过程，在保健品和食品等方面也广泛应用。除了关注药用植物的产量外，还要关注其品质，由于人们的过度采挖，野生药用植物资源逐年减少，而人工栽培的药用植物存在药效下降、产量不高、病虫害、过量施用化肥、农药残留超标、安全堪忧等问题[1]。因此，药用植物的提质增效迫在眉睫，种植栽培技术提升是重中之重。2019年，《中共中央 国务院关于促进中医药传承创新发展的意见》明确要求“推行中药材生态种植”，菌根栽培技术就是贯彻中药材种植的绿色发展理念应运而生的。它既是一种绿色生态菌剂，也是一种应用前景很好的微生物肥料。菌根栽培技术中使用最为广泛的真菌是丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)。

丛枝菌根真菌是一种植物根系微生物，广泛存在于自然界中，可以与80%以上的维管植物形成共生结构[2]，作用方式即菌丝侵入植物根部后，形成丛枝结构，从而与宿主交换营养物质[3]。宿主植物为丛枝菌根真菌提供碳源多数以脂肪酸的形式，而丛枝菌根真菌则可以通过相通的根外和根内菌丝形成菌丝网来扩大植物根系与土壤的接触面积，进而提高植物对水分及必要营养成分的吸收，形成一种互利互助、互通有无的共生结构[4-6]。AMF显著作用于药用植物，能增加对营养元素的吸收效率，增强光合作用，利于药用植物的生长，提高产量[7]；能改善营养元素配比，调控次级产物代谢过程，促进药用植物活性物质的合成、转运与积累，使药用植物品质提升[8]；能提高抗氧化酶活性，稀释高盐浓度，络合重金属，调控相关抗性基因表达，提高药用植物在不良环境中的耐受性[9]。因此，AMF在药用植物生产中有着良好的应用前景，但在药用植物中的作用机制尚不明确，有待进一步阐述。

该研究归纳和分析了丛枝菌根真菌对药用植物生长、有效成分的合成与积累以及在提高药用植物抗非生物胁迫的能力和对病虫害的抗性等方面的作用和机制，为丛枝菌根真菌在药用植物生产上广泛应用提供理论依据。

1 AMF对药用植物养分吸收和生长的影响

植物从土壤中获取养分的途径有2种，第一种是由根毛直接吸收的根系途径，另一种是菌丝发挥根毛作用吸收土壤营养的菌根途径，这2个途径既相互独立又相互作用，共同从土壤中吸收植物所需的营养物质[10]。丛枝菌根真菌可以促进P、N、S、Zn、Cu、Ca等矿质元素的吸收[11]。磷在植物生长发育中具有重要作用，土壤中缺磷会限制植物生长，有关统计表明，中国约50%的农田土质中都缺少磷元素，而AMF在促进植物磷元素吸收方面具有一定的作用。首先，AMF对磷的吸收效率相对于植物根系更高，原因在于AMF菌丝体中没有隔膜的阻挡，磷在真菌菌丝中的流动速度更快，且菌根菌丝对磷有一种较大的储存量，也利于将磷持续提供给植物[12]；其次，AMF可以通过与解磷细菌合作，实现对有机磷的活化利用。研究发现，AMF菌丝分泌物可诱导解磷细菌向菌丝移动并定殖，解磷细菌分泌磷酸酶，活化土壤中的有机磷[13-14]；AMF除通过根外菌丝直接摄取土壤有效磷外，还通过调控宿主体内一些关键的功能基因如磷转运蛋白基因的表达，从而有效地改善植物的缺磷状态[15]。徐丽娇等[16]以玉米接种AMF，结果显示低磷胁迫下，AMF显著上调了玉米碳磷代谢相关基因的表达来响应低磷胁迫，推测碳磷代谢相关基因的表达可能是由AMF的分泌物来调控的。由此可见，菌根植株可以获得土壤中有效磷浓度低到非菌根植株所不能吸收到的磷，保证植株正常生长。刘春艳等[17-18]通过盆栽试验对枳进行AMF接种，结果表明，AMF的接种显著提高了有效磷的含量，又对菌根和非菌根的根系分泌物进行收集和分析发现，菌根分泌H+和有机酸促进了难溶磷酸盐的降解，增加了土壤的可用含磷量；齐俊香等[19]研究表明，丹参植株接种双网无梗囊霉可以促进丹参对磷元素的吸收。植物在生长发育中对氮素的需求量很大，因此氮素也成了植物生长的限制因子，接种AMF可加强对氮素的吸收和传递。首先AMF 根外菌丝通过在土壤中蔓延交错，形成错综复杂的菌丝网络，菌丝网随着植物的生长不断向外延伸，使得植物能更加深入土壤吸收氮素营养；其次，AMF的孢子中存在内生固氮菌，在孢子萌发时可以迁移到菌丝表面，成为菌丝际固氮菌来提高植物的固氮能力[20]；此外，土壤中的大部分氮源是以有机氮形式存在的，植物难以将其直接利用，众多研究表明，AMF根外菌丝可以吸收土壤中的有机氮，并通过谷氨酰胺途径同化土壤中的有机氮将其转变为富氮的精氨酸[21]，并在菌丝中通过氨基酸的方式运输，到达植物根表面后，根内菌丝会再通过无机氮的方式运输到植物体内参与氮素循环。Leigh等[22]利用15N标记的氮培养植物，发现植物体内20%的氮是通过根外菌丝吸收的15N，证明了根外菌丝对氮的吸收是丛枝菌根真菌提高植物对氮素利用率的一个重要方式。硫可以降低土壤的pH、调节植物的代谢活动，在碱性农业土壤中广泛运用，对提高作物的产量和品质都有一定的作用。AMF可帮助植物吸收更多的土壤硫素，Gray等[23]的开创性研究表明，硫和有机含硫化合物都可以通过菌根途径运输至植物体。Giovannetti等[24]研究表明，接种AMF提高了百脉根根系和地上部分的硫酸盐浓度，显著改善了植物的硫营养状况。其机制为百脉根共生过程中由硫饥饿和菌根形成诱导了硫转运蛋白基因LjSultr1；2，且该转运体在含丛枝细胞中特异表达。

综上所述，AMF通过促进药用植物对营养元素的吸收来促进药用植物的生长，此外，AMF也可显著提高水分利用效率、叶片中叶绿素的含量、光合效率，酶活性等来促进药用植物的生长。李文彬等[25]研究表明，接种摩西斗管囊霉和幼套近明球囊霉叶绿素含量提高，增强了郁金香对光能的利用效率，从而促进了郁金香的生长，增加了郁金香植株的生物量。

2 AMF对药用植物次生代谢产物的积累影响

植物次生代谢产物主要包括萜类化合物(单萜、倍半萜、双萜等)、酚类物质(黄酮类、简单酚类、醌类等)和含氮化合物(生物碱、胺类、非蛋白氨基酸等)。许多药用植物活性成分如萜类、黄酮类、生物碱等都属于次生代谢产物，药用植物活性成分的含量多少是衡量药用植物品质的一个标准。大量研究表明，接种AMF能够改变植物次生代谢产物的含量，同时，接种AMF对药用植物产品质量也有积极的影响。

2.1 AMF对药用植物萜类物质代谢的影响萜类化合物是中草药中的一类比较重要的化合物，许多化合物是中草药中的有效成分。阳文武等[26]研究表明，接种27种AMF，其中大部分都提高了云木香根中的木香烃内酯、去氢木香内酯及总内酯含量。韩冰洋等[27]也发现，接种AMF可以提高腺花香茶的萜类成分含量。Mandal等[28]发现，AMF接种通过上调黄花蒿叶片中DXS和DXR基因表达和提高黄花蒿叶片腺毛密度，改变腺毛结构，增加腺毛“库”容量来促进青蒿素(倍半萜)的积累。以往的研究表明，AMF通过营养机制和非营养机制2个方面来促进药用植物萜类化合物的合成。首先，萜类化合物合成途径中，磷元素是其初始底物，也是MEP途径和MVA途径中共同底物IPP/DMAPP的重要构成元素，接种AMF通过提高磷元素来间接促进药用植物萜类化合物的合成[29-30]；其次，植物根系被AMF侵染后，其合成途径的关键酶活性和基因表达水平发生了改变，这也对萜类化合物的合成有影响；最后，AMF通过调节转运蛋白活性进而影响萜类化合物的转运，并且改变萜类化合物的积累部位——“库”的容量和活力影响萜类化合物的运输模式和含量积累。

2.2 AMF对药用植物黄酮类物质代谢的影响黄酮类化合物广泛存在于自然界的植物中，属植物次生代谢产物，其中有很多是具有药用价值的化合物。贺学礼等[31]研究表明，在同一施氮水平下，接种AMF可显著提高黄芪植株黄酮含量。De Assis等[32]通过盆栽试验发现，AMF促进了香蜂草的生长和柠檬醛、总酚和黄酮类化合物的积累。Selvaraj[33]报道了AMF对广藿香属植物化学成分的影响，观察到接种过的植物比对照组的总酚和类黄酮含量更高。以往的研究发现，AMF通过上调植物体内的3种信号分子H2O2、NO及水杨酸，从而调控植物体内与合成黄酮类物质有关的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4羟化酶(C4H)、4-香豆酸CoA的连接酶(4-CL)、查尔酮异构化酶(CHI)、查尔酮合成酶(CHS)等限速酶以及抑制咖啡酸的形成，从而促进酮类物质合成[34]。

2.3 AMF对药用植物含氮化合物(主要为生物碱)代谢的影响生物碱是一类具有显著生物活性的含氮的碱性有机化合物，是中草药的重要活性成分之一。研究表明，接种AMF可以增加药用植物的生物碱含量。黄檗为药用植物，其有效成分为生物碱，范继红等[35]对黄檗实生苗接种Glomus属的AMF菌剂后发现，其主要生物碱(小檗碱、药根碱及掌叶防己碱)含量得到显著增加。周加海等[36]在川黄柏幼苗上接种2属7种AMF后发现菌根幼苗的小檗碱含量均明显高于非菌根植物。魏改堂等[37]通过在不同磷水平的土壤中对曼陀罗接种漏斗孢球囊霉和地表球囊霉，发现其莨菪碱和东莨菪碱的含量显著提高，从而得出AMF可能通过提高植物激素的水平，使宿主植物的次生代谢发生改变来提高其生物碱含量的结论。有研究也发现，在药用植物的不同生长时期进行AMF接种对生物碱的含量变化也有影响，郭巧生等[38]通过试验发现，半夏在生长中期接种AMF，其生物碱含量更高。于洋[39]也发现，在喜树幼苗出土20 d接种AMF均能显著提高幼苗全株的喜树碱含量，但是在幼苗出土40和60 d时，接种AMF则影响不显著。深入研究发现，AMF的早期接种是影响喜树的生物碱含量，后期接种则是促进喜树植物的生物量积累。

3 非生物胁迫下AMF对药用植物的影响

非生物胁迫如干旱、极端温度、盐分、重金属污染等对土壤危害极大，可导致土壤退化，对药用植物的种植造成了严重威胁。而AMF 作为一种可以与植物共生的有益微生物，可以促进作物根系生长，增加作物有效吸收面积，促进植物生长和繁殖，降低非生物胁迫对药用植物生长的不良影响。目前，AMF 在宿主作物抵御非生物胁迫中所发挥的作用逐渐引起国内外研究学者的广泛关注。

3.1 干旱胁迫下AMF对药用植物的影响水是万物之源，植物生长和发育都离不开水。植物体内缺少水分会导致叶片萎蔫，叶面积减小，气孔关闭，光合速率和光合能力大大降低；干旱胁迫也会对植物根系造成损害，使根系呼吸作用加强，活性氧的积累增多，进而使植物矿质营养元素的吸收能力下降，阻碍植物的生长，严重时可导致植物的死亡[40]。接种AMF能增强药用植物的抗旱性，直接作用是根外的菌丝相对于根毛具有直径更小、菌丝网面积更大的优势，故其可行使根毛的功能吸收更多的水分，缓解植物缺水的状况[41]；间接作用是AMF 的菌丝与土壤微粒形成土壤团粒结构[42]来提高植物对水分的利用，以及改善植物根系构型、提高植物光合能力、增强对矿质营养元素的吸收、降低植物氧化损伤、增强植物渗透调节能力及诱导相关基因表达等提高药用植物对干旱的耐性[43]。张菲等[44]研究表明，干旱处理下，AMF的接种通过增大枳的根系体积、降低脯氨酸含量以及上调抗氧化酶基因等来响应植物的干旱胁迫；何斐[45]研究表明，AMF的侵染能提高刺槐的光合作用来增强其对干旱的耐受性，保证其在土壤缺水的条件下存活。张海涵[46]研究表明，枸杞接种AMF通过根系和叶片形态的改善，气孔导度和光合速率的提高来减轻干旱胁迫对植物产生的有害影响。贺学礼等[47]研究表明，接种AMF能直接促进宿主植物根系对土壤水分和矿质元素吸收，并间接改善植株体内生理代谢活动来提高民勤绢蒿的抗旱性。陈婕等[48-49]研究表明，干旱条件下，紫穗槐和白芷接种AMF可通过提高根系活力、植株体内渗透调节物质含量和抗氧化酶的活性来促进紫穗槐和白芷生长，提高抗旱性。

3.2 温度胁迫下AMF对药用植物的影响高温和低温都能对药用植物造成不可估量的损失。温度胁迫对植物的正常生长和发育节律造成了负面影响[50]。一些研究报道指出，菌根植物比非菌根植物更能适应高温、低温对植物的胁迫。AMF提高植物对温度胁迫的抗性机制，主要包括调节碳氮代谢，进而促进植物体内碳水化合物的积累与氮素吸收，增加植物体内蛋白质氨基酸合成量[51]；增加植物体内其他一些ATP酶的活性，降低植物体内H2O2和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶活性[52]；在低温或高温胁迫下，AMF还可以刺激多种对温度胁迫应答有关的基因的表达。曾斌等[53-54]通过盆栽试验发现，不同温度下接种AMF可通过提高枳的根系活力、渗透调节物质、抗氧化酶活性等来提高枳对高温和低温的耐受性。

3.3 高盐胁迫下AMF对药用植物的影响土壤中大量可溶性盐离子的积累会对药用植物的生长产生有害影响，一是造成干旱胁迫和渗透反应，二是产生氧化胁迫和脱水反应。AMF 广泛存在于盐渍土根际周围，其较细的菌丝扩大了植物根系的吸收面积，能够帮助宿主植物改善养分吸收状况、维持离子稳态、提高水分利用率和增强抗氧化代谢等。AMF-植物共生体具有高效的 ROS清除系统，并可调节和诱导宿主植物表达多种耐盐相关基因，有效提高植物在盐胁迫下的早期抗性和生长能力，接种AMF还可调节植物激素的平衡，进而参与生长过程，增加植物对盐胁迫的抗性[55]。徐瑶等[56]研究表明，接种摩西球囊霉能减少盐对叶绿素合成的干扰作用，从而提高叶绿素含量；同时，提高渗透调节物质含量、增强矿质元素的吸收、减小膜脂过氧化程度以及降低高盐浓度时Na+的吸收来缓解红花的盐胁迫。Li等[ 57]研究发现，接种AMF通过提高光合能力、加速养分吸收和激活抗氧化系统减轻了卫矛盐胁迫下的中毒症状。Jia等[58]研究表明，在盐胁迫条件下，AMF通过增加狭叶松果菊的次级代谢能力，提高宿主叶片中可溶性糖类和可溶性蛋白含量，从而缓解盐胁迫对松果菊植物的伤害。刘洪光[59]研究表明，与枸杞共生的地表球囊霉菌显著缓解了由盐胁迫导致的叶和根系的生长激素吲哚-3-乙酸(IAA)和脱落酸(ABA)含量下降，调节了枸杞的激素水平，增强了抗性。

3.4 重金属胁迫下AMF对药用植物的影响工业的发展使土壤重金属浓度过高，会使植物体内产生某种对酶和代谢具有毒害作用的物质，使植物根系和叶面积等生理特征发生变化，影响植物的生长，严重时可引起植物的死亡，破坏生态环境；植物富集太多重金属进而使人体内也积累大量的重金属，影响人体的健康[60]。如今，重金属污染已引起广泛关注，研究表明，AMF可通过提高植物对重金属的抗耐性和修复重金属的能力来减轻重金属对植物的损害。首先，AMF菌丝可以充当防御作用，AMF菌丝体可以吸附重金属，并将其固定，阻滞了重金属进入植物体内，减轻了重金属对植物的危害[61]；AMF还可分泌小分子有机酸、球囊霉素等，改变植物根际微环境，降低重金属的生物活性[62]；其次，提高营养元素吸收、光合作用效率、水分利用效率等来促进植物的生长，增强植物的环境胁迫抗性[63]；最后，AMF 通过提高植物抗氧化酶活性来清除重金属毒害产生的自由基，减少膜脂过氧化，进而提高宿主植物对重金属胁迫的耐受性[64]。何铮[65]研究表明，接种AMF可以丰富Cd污染土壤中微生物种类并提高其活性，进而使得土壤环境更适宜大叶女贞生长；其次，接种AMF强化了菌根真菌对大叶女贞根系的感染能力，形成互利共生体系，在增加植物对水分、养分吸收的同时，缓解了Cd胁迫对大叶女贞造成的毒害。廖妤婕等[66]指出，在Pb胁迫下，AMF会促进桉树根部固持作用、细胞壁滞留作用、液泡区隔化作用及弱活性结合态增加作用，提高桉树对Pb的耐受性。王志[67]研究表明，接种AMF可以提高蒲公英对矿质养分(主要是P)的吸收促进植株生长，稀释植株体内的铬浓度，缓解铬对蒲公英的毒害作用；AMF接种还降低了蒲公英叶片脯氨酸含量，提高了蒲公英的耐铬性。赵英鹏[68]研究表明，接种AMF能够明显提高景天三七体内叶绿素含量及SOD、POD、CAT的活性，提高抗铅胁迫能力，诱导产生更多的Pro和Pr，显著降低植株地下及地上部分铅积累量，明显缓解铅胁迫对景天三七的伤害，增强其抗逆性。AMF与葫芦巴属(Trigonella)植物共生，在重金属镉胁迫下，能够提高光合色素含量和蛋白质含量，促进宿主植物的生长发育，该研究表明 AMF能够增强宿主植物对重金属镉胁迫的耐受性[69]。

4 AMF在药用植物生长过程抵抗病虫害中发挥的作用

药用植物在生长发育过程中常常会受到致病生物真菌、细菌、线虫等的侵染而使药用植物正常新陈代谢受到干扰，外部形态上呈现反常的病变现象，如枯萎、腐烂、斑点、霉粉、花叶等。药用植物的病虫害对其产量和品质造成了严重的影响。生物防治法中的利用植物-微生物互作是病虫害绿色防控的重要技术，也是当前病虫害防治研究的热点领域。许多研究表明，AMF在药用植物病虫害防治上有重大作用。AMF接种主要是通过提高药用植物营养成分状况、次生代谢产物积累[70]，改变根系形态，与病原微生物竞争侵染位点[71]和宿主植物提供的光合作用产物以及激活宿主植物的防御系统等[72]机制来提高药用植物的抗病虫害能力。Liu等[73]研究表明，AMF的应用通过促进氮和磷的吸收，招募有益细菌和真菌，抑制土传病原体等途径来提高西洋参抗病虫害的能力，改善西洋参的连作障碍。刘芳洁[74]以紫苏为材料，探究了AMF的接种对提高紫苏根腐病的抗性的机制，结果表明AMF的接种对紫苏幼苗根腐病的防治效果达到了76.82%，主要是通过激活紫苏的防御系统，如提高紫苏根系酶活性、脯氨酸含量，降低丙二醛含量等来提高紫苏对根腐病的抗性。唐燕等[75]的研究也表明，AMF在增强星油藤根腐病抗性和降低发病率方面具有重要作用。接种AMF通过改善养分状况，促进与其他微生物共存，在根系位点形成菌根共生结构，改善植物与土壤的相互作用，抑制了瓜果腐霉菌的侵染，降低了沉香的发病率[76]。Chen等[77]研究表明，在低氮条件下，接种AMF能够显著提高三裂叶蟛蜞菊对立枯丝核菌的抗性。AMF不仅在药用植物抗病虫害方面具有重要作用，在其他经济农作物、林业方面也意义重大。AMF可以减轻番茄根结线虫病的危害[78]；降低线虫在香蕉中的定殖，从而减轻咖啡根腐线虫对香蕉根系的伤害[79]；增强辣椒疫病、西桦溃疡(干腐)病的抗性[80-81]。

5 展望

综上所述，丛枝菌根在提高药用植物的生长发育、活性物质合成和积累以及提高药用植物的抗非生物胁迫能力，提高病虫害的抗性等方面发挥着重要作用。接种AMF真菌可以为药用植物提供营养元素，刺激药用植物的生长；通过影响药用植物的次生代谢过程，促进萜类和黄酮类等活性物质的合成来提高药用植物的品质；通过增加抗氧化酶活性，可溶性糖和可溶性蛋白的含量，增强植株的抗氧化能力。因此，AMF在农业生产中具有非常广阔的应用前景。

目前，丛枝菌根真菌的作用和调控机制已大致清楚，接下来可进一步明确研究接种不同种类AMF对药用植物生长、活性物质合成、积累的响应及调控机制，也可利用相关分离技术筛选出优势AMF菌种孢子，将AMF制成生物菌肥从而促进植物的生长、功效成分的合成，也为推进药用植物的生态种植，改善药用植物的品质和质量提供新的研究思路。