丛枝菌根真菌与植物的互惠共生

丛枝菌根真菌与植物的互惠共生

集体昆虫是一个与植物根系密切相关的互利共赢的共生综合体。大约80%的植物都可以看到草的共枝菌根结构。形成草根菌根的真菌称为草根菌。寄主植物通过转运自身制造的20%光合碳水化合物给丛枝菌根以促进其生长和发育,另一方面丛枝菌根通过根外发达菌丝及其他作用机制给植物提供矿质营养和水分,促进植物生长,增强对土壤矿质营养元素的吸收,特别是难溶性磷,达到互惠互利共生。自然界存在大量的病原真菌和细菌,但它们一般都较难侵染植物,因为这种植物可能不是它的适宜寄主,或者植物本身具备很强的抗性,或者植物被丛枝菌根侵染,产生了位点的竞争和增强抗性物质代谢。菌根化植物较非菌根化植物具有一个明显的优势,即拥有一些特殊的个体渠道来抵抗逆境。丛枝菌根与园艺植物抗病性研究起步稍晚,始于1968年Safir对洋葱根系红腐病接种Glomusmosseae的研究。以后才逐步认识、研究丛枝菌根与各种园艺植物土传真菌病害和线虫病害的关系,并探讨了相关的作用机理。1集体疾病和细菌根的细菌可以改善植物抗病和抗虫现象1.1接种菌根真菌土壤中存在各种线虫,严重危害植物的生存,接种丛枝菌根真菌明显抑制线虫在寄主植物上的侵染。Pinochet等对樱桃李29C实生苗进行线虫Pratylenchusvutnus和丛枝菌根真菌的互作效应,结果表明接种菌根真菌对线虫危害的樱桃李每克根系线虫数量没有影响,接种线虫显著降低菌根侵染率,接种G.intraradices通过增加植物营养吸收和促进生长来增强樱桃李的抗线虫能力。李海燕等的试验表明,接种菌根真菌能不同程度地抑制南方根结线虫(Meloidogyneincognita)的发生发展,降低根围土壤中二龄幼虫数量、卵块直径、平均每克卵块的卵量及平均每克葡萄根系上的数量,且先接种菌根真菌后接种南方根结线虫的防效比两者同时接种更好。对于已感染线虫的植物再接种丛枝菌根真菌,则没有明显的防治效果。丛枝菌根真菌不仅在接种菌根的线虫中可以看到,在未接种的线虫中也可见。对定殖于大豆胞囊的真菌进行研究发现,一些胞囊内含有丛枝菌根真菌的厚垣孢子和菌丝,不同的胞囊的丛枝菌根真菌不同,被丛枝菌根定殖的胞囊中一般是没有卵,说明大豆胞囊线虫和卵不是丛枝菌根真菌的主要寄主或者完全寄主。这些结果充分说明,丛枝菌根真菌能提高植物的抗虫能力,但是这种效果只居于寄主植物未感染线虫之前。1.2棉棉菌根真菌对枯涣病的影响自1968年Safir首先对洋葱土传病害进行研究以来,人们已经在柑桔、桃、草莓、大豆、西瓜等园艺作物进行研究。李敏等在大田条件下对西瓜枯萎病进行接种菌根真菌试验,结果表明供试的丛枝菌根真菌都显著地降低西瓜枯萎病地发病率、病情指数和死株率。胡正嘉等对棉花枯萎病进行菌根接种研究,结果是G.mosseae减轻棉花枯萎病的发生,病情指数较对照降低20%左右,达到显著水平。棉花枯萎病菌(Fusariumvasinfetum)不影响G.mosseae和G.intraradices对棉花根系的菌根侵染。另有试验表明,菌根化茄子感染枯萎病后始花期推迟,发病时间延迟等。不同的菌根真菌对土传真菌的作用表现很大的差异。如G.intraradicesd对棉花枯萎病的发生无任何影响,而G.mosseae则减轻枯萎病的发生。这可能是在“菌根真菌-植物病原菌-植物”的三元嵌合体中,由于3者的相互作用、相互抑制的关系,每一个三元嵌合体的组合都有其特异性。因此在寻找防治某一种土传病害真菌的有效丛枝菌根真菌时,必须考虑对每一个三元嵌合体进行单独的比较试验,不能因为菌根真菌没有专一性而忽略该点。2集体细菌和根菌可以提高植物抗病的可能性2.1丛枝菌根真菌的表型病原菌侵染植物根系进入植物内部首先必须通过细胞壁进入细胞中。当菌根真菌侵染植物表皮细胞后,可以发现围绕菌丝的寄主细胞胞质膜附近胞壁物质发生连续的积累,内皮层代谢旺盛,靠近菌丝的细胞器和细胞质明显增殖。细胞壁的变化还体现在细胞壁富含羟基脯氨酸的糖蛋白的变化。当病原菌侵染菌根植物时,这些定位于丛枝周围的特殊糖蛋白立即启动快速防御反应,使细胞壁的强度加大,且将细胞壁中的纤维素、半纤维素包裹起来,避免病原菌的分解,产生机械屏障作用,从而提高对病原菌的防卫作用,使菌根化细胞进行正常的生理生化代谢。除了丛枝菌根真菌的结构存在影响寄主植物胞壁的结构外,丛枝菌根真菌的细胞壁本身也有一些物质的存在起抑制病原菌的作用。初步证据证明,一些丛枝菌根真菌(Glomus属)的细胞壁至少存在β-1,3-葡聚糖。在Gigaspora或者Scutellospora中则不存在。β-1,3-葡聚糖被定位在根生菌丝和芽管的内壁,在孢子的细胞壁也存在。β-1,3-葡聚糖为细胞壁的结构成分,其在菌根真菌内的存在至少可以说明菌根真菌抵抗病原菌有一定屏障作用。2.2根系保鲜素的诱导植保素(Phytoalexins)是植物受病原菌侵染产生的一类低分子量抗病原菌的化合物,其产生的速度和累积的量与植物抗病性有关,主要包括酚类植保素(绿原酸、香豆素等)、异黄酮类植保素(豌豆素、菜豆素、大豆素等)和萜类植保素等。一般植保素仅仅是局限在受侵染细胞周围积累,起屏障隔离作用,防止病原菌进一步的扩散。Hanne等认为,G.intraradices可以诱导根系植保素的防御反应,一旦菌根侵染了根系组织则诱导植保素的这种反应。接种菌根真菌的苜蓿萌芽后14d和18d,其根系苯丙氨酸铵基裂解酶mRNA的相对量高出对照2倍,苯基苯乙烯酮异构酶mRNA的相对水平在萌芽后14d和17d较对照增加6倍。因此,丛枝菌根真菌能通过诱导寄主植物产生植保素,提高植物抗病性。2.3类黄酮的菌根菌根发育的几个步骤可用来解析与酚类化合物相关:(1)菌根真菌与根的初接触触发非特异性的防卫机制;(2)特异地活性抑制植物生长素的合成;(3)丛枝菌根丛枝老化时,由于丛枝的裂解导致植物生长素的触发和真菌细胞壁成分的释放。Hanne等对苜蓿接种菌根真菌发现,类黄酮在苜蓿接种菌根的早期就大量积累,主要是植物根际丛枝菌根真菌的存在导致。最近的一项研究表明,菌根与非菌根化的棕榈在感染了Fusariumoxysporum之后酚类化合物在定性上没有显著不同;但是,菌根化植株体内羟基肉桂酸的衍生物大量积累,从而提高了菌根化棕榈抗Fusariumoxysporum的能力。木质素是酚类化合物的聚合物,苯丙氨酸解氨酶(PAL)是其形成的关键酶,PAL的活性可以作为植物抗病性的一个生理指标。接种菌根的苜蓿在早期就表现出PAL活性的增强,其强度与菌根侵染一致。当PAL活性达到最大后才降低到非菌根化植株的水平。此外,接种G.monosporus、G.deserticola、G.clarum和菌根混合物处理诱导棕榈多酚氧化酶活性增强,从而抑制巴尤德(bayouddisease)病害的发生。2.4丛枝菌根真菌acc氧化酶活性测定乙烯的释放影响植物的衰老和抗病性的强度。在低磷条件(0.5mmol/LNaH2PO4)下菌根化马铃薯无论ACC存在与否其ACC氧化酶活性都较对照降低,被丛枝菌根真菌感染的位点其ACC氧化酶活性受到抑制,而且,对感染的根段进行提取,在过滤物中含有乙烯产生的抑制剂,可能是与酚类化合物有关,尚待鉴定。2.5植物酶防卫几丁质酶是能够水解许多病原菌细胞壁主要成分之一的几丁质的酶,此酶在高等植物中普遍存在。在植物感病后,酶的活性迅速增加,对病原菌的几丁质进行水解破坏,故可起到防卫作用。接种菌根真菌的苜蓿在发芽后的第13d和16d较非菌根化植株体内几丁质酶表现出很高的活性,在第19d几丁质酶活性降低到低于非菌根化植株直到试验结束。2.6冠心病相关蛋白当病原微生物侵染植物时,在寄主的被接触部位或者是新生长部位会形成一种或多种蛋白质,它是在专一病理条件下诱导合成的,故命名为病程相关蛋白(PRs)。Liu等在菌根化棉花体内获得这种病程相关蛋白,其量多于棉花黄萎病菌诱导产生的量。2.7丛枝菌根真菌与病原菌生长的竞争关系丛枝菌根真菌侵染植物根系是从根冠向上4cm以内的任何部位侵入皮层细胞,然后定殖和扩展。病原菌如棉花枯萎病病菌(Verticilliumdahliae)在距离根冠0.5~2.0cm区域侵入和定殖的最多。在一定的条件下丛枝菌根真菌和病原菌相互在侵染区域抑制对方的侵染。对丛枝菌根真菌和病原菌不同顺序、时间和部位的接种处理得到的结果是丛枝菌根真菌与病原菌对根系侵染位点具有竞争作用。在苗床上,G.fasciculatum接种显著限制了病原真菌Pythiumaphanidermatum在沉香根系组织中的发展,这正是由于丛枝菌根真菌先侵染根系位点所致。丛枝菌根真菌的竞争作用还表现在根结线虫上。葡萄接种南方根结线虫增加了G.versiforme和Gigasporamargarita的根内泡囊和入侵点数量.先接种丛枝菌根真菌后接种南方根结线虫的处理具有较强的提高葡萄植株的生长发育,增强光合作用能力及抑制线虫繁殖体数量的作用,而同时接种丛枝菌根真菌和南方根结线虫的处理在这几方面表现较差,这些表明丛枝菌根真菌在根系上侵染扩展的部位与南方根结线虫等内寄生线虫占据的部位相同,存在空间的竞争。此外两者也可能存在养分竞争。3丛枝菌根真菌与病原菌互抑的形态结构、生