Arbuscular mycorrhizal associations and the major regulators

Plants growing in natural soils encounter diverse biotic and abiotic stresses and have adapted with sophisticated strategies to deal with complex environments such as changing root system structure, evoking biochemical responses and recruiting microbial partners. Under selection pressure, plants and their associated microorganisms assemble into a functional entity known as a holobiont. The commonest cooperative interaction is between plant roots and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. About 80% of terrestrial plants can form AM symbiosis with the ancient phylum Glomeromycota. A very large network of extraradical and intraradical mycelium of AM fungi connects the underground biota and the nearby carbon and nutrient fluxes. Here, we discuss recent progress on the regulators of AM associations with plants, AM fungi and their surrounding environments, and explore further mechanistic insights.     

VA菌根共生的分子生物学

VA菌根共生是植物与真菌彼此相互作用、长期演化的结果。近几年来 ,科学家们运用现代生物技术 ,试图通过 VA菌根形成中的各类特异分子事件 ,包括植物的防卫反应、菌根与根瘤共生的异同以及 P、N转运基因等 ,揭示其共生的遗传与分子机制     

土著菌根真菌和混生植物对羊草生长和磷营养的影响

植物种间相互作用直接影响植物生长、根系可塑性及养分吸收,而与植物共生的丛枝菌根真菌可以改变植物个体和种间养分资源的分配,具有协调种间竞争的潜力.以我国北方草甸草原建群种羊草(Leymus chinensis)和混生植物紫花苜蓿(Medicago sativa)及独行菜(Lepidium spetalum)为供试植物,通过模拟盆栽试验,研究了土著菌根真菌和混生植物对羊草生长、根系形态及磷营养的影响.试验结果表明,土著菌根真菌能够与羊草及紫花苜蓿形成良好共生,而独行菜根内基本未形成菌根共生结构.土著菌根真菌显著降低了羊草及独行菜的生物量,但促进了紫花苜蓿的生长;混种紫花苜蓿显著促进了羊草的生长,而混种独行菜则显著抑制了羊草的生长.土著菌根真菌对羊草根系形态的影响表现出与植株生物量类似的趋势,但不同混生植物对羊草根系生长均无显著影响.土著菌根真菌和混生植物对羊草植株磷含量均无显著影响.与混生植物相比,羊草具有较高的比根长和磷吸收能力,这也解释了其负向菌根依赖性.研究证实了菌根真菌和植物种间相互作用均是影响草原优势植物生长和根系发育的重要因素,深入研究其交互作用对于科学管理草地生态系统,维持植物群落的稳定性和生态系统生产力具有重要意义.     

不同菌根类型植物生物量分配对干旱的响应

基于干旱对全球植物生物量分配影响的数据库,选择丛枝菌根(AM)、外生菌根(ECM)和二者兼生型菌根(AM+ECM)3种最常见的菌根类型,研究3种菌根类型植物应对干旱时各器官生物量分配的变化,采用一般线性模型模拟分析器官间的相对生长速率,探索不同菌根类型植物生物量分配对干旱的响应。结果表明：在干旱条件下,AM和AM+ECM植物根系生物量(M_R)的分配率分别增加了8.2%和7.6%,而ECM植物对M_R的分配则无显著变化;干旱导致AM植物茎生物量(M_S)分配率降低了7.7%,ECM和AM+ECM植物对M_S的分配则无显著变化;干旱使得AM+ECM植物和ECM植物叶生物量(M_L)的分配率分别下降了9.4%和6.5%,AM植物M_L则无显著变化;不同菌根类型植物遭受干旱时,AM和AM+ECM植物根、茎、叶的生物量积累速率依次降低,ECM植物茎、叶、根的生物量积累速率依次降低;不同菌根类型植物对干旱响应的策略不同,AM植物通过降低茎和生殖器官的生物量分配来提高对根的生物量...     

丛枝菌根真菌对枳利用难溶性磷酸盐及其生长的影响

在温室沙培灭菌条件下,分别以AlPO4(Al-P)和FePO4·4H2O(Fe-P)为磷源,以枳[Poncirus trifoliate (L.) Raf.]实生苗为试材,以摩西球囊霉(Glomus mosseae)为菌剂,研究低磷胁迫条件下接种丛枝菌根真菌对枳利用难溶性磷酸盐及生长的影响.结果表明:接种菌根菌显著增加了枳的干重、含磷量及吸磷量;未接种条件下,枳可以利用一定量的Al-P和Fe-P,但更容易利用Fe-P;接种后,枳对Al-P的利用量显著高于不接种的,随Al-P的施用量提高,菌根效应、全株吸磷量、真菌吸磷最及真菌吸磷贡献率显著增加;枳对Fe-P的利用量接种与不接种差异显著,但菌根效应、全株吸磷量、真菌吸磷量、真菌吸磷贡献率及菌根效应均低于Al-P(换算成P2O5)处理;接种处理的基质中有效磷含量显著高于未接种的.     

番茄质膜H+-ATPase家族基因的鉴定和表达分析

植物质膜H+-ATPase（Ec3.6.1.3）是一类普遍存在于细胞质膜上通过水解三磷酸腺苷（ATP）产生能量,将细胞质中的氢离子（H+）逆浓度泵出细胞的运输蛋白。植物中的质膜H+-ATPase由一个多基因家族所编码,其功能涉及到植物生长发育的多个生理过程。通过对全基因组检索在茄科Solanaceae植物番茄Solanum lycopersicum中共鉴定到8个编码质膜H+-ATPase的同源基因（LHA1~8）。生物信息学分析显示:这8个LHA基因具有较高的序列相似性和较为保守的外显子/内含子结构特征。实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）分析显示,LHA1~4在所有被检测的组织器官中都有表达,LHA5~7几乎只在花器官中高量表达,而LHA8在正常培养和养分（氮、磷、钾和镁）缺乏以及高盐胁迫处理条件下几乎都不表达,但能够在被菌根真菌侵染的根系中强烈表达。将一段2 669 bp的LHA8的启动子融合GUS报告基因转入到烟草Nicotiana tabacum中发现,GUS基因几乎只在被菌根真菌菌丝侵入形成丛枝的根系细胞中特异性表达。图 5 表 2 参22     

宿主植物对黄芩根际土著丛枝菌根真菌生长发育的影响

利用盆栽试验研究了三叶草(Trifolium repens L.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、玉米(Zea mays L.)和高粱(Sorghum vulgare Pets.)4种宿主植物对黄芩(Scutellaria baicalensis Georgi.)根际土著丛枝菌根(AM)真菌生长发育的影...     

Medicago truncatula DMI1 required for bacterial and fungal symbioses in legumes

Legumes form symbiotic associations with both mycorrhizal fungi and nitrogen-fixing soil bacteria called rhizobia. Several of the plant genes required for transduction of rhizobial signals, the Nod factors, are also necessary for mycorrhizal symbiosis. Here, we describe the cloning and characterization of one such gene from the legume Medicago truncatula. The DMI1 (does not make infections) gene encodes a novel protein with low global similarity to a ligand-gated cation channel domain of archaea. The protein is highly conserved in angiosperms and ancestral to land plants. We suggest that DMI1 represents an ancient plant-specific innovation, potentially enabling mycorrhizal associations.     

丛枝菌根真菌对矿质养分活化作用研究进展

丛枝菌根真菌（AMF）与大多数植物能够建立互惠共生体系,提高植物对水分和养分吸收,促进植物生长。AMF与植物共生可促进矿质养分活化释放,提高土壤养分生物有效性,改善植物营养状况。AMF与植物共生加速了玄武岩、长石、花岗岩、磷酸盐等矿物的风化速度,促进养分从矿物中析出;AMF与植物共生促进了土壤中磷素以及其他矿质元素活化,从而促进植物生长。AMF活化土壤养分的机理主要是能形成强大的菌丝网络,菌丝桥传递矿质养分;分泌多种酶类,参与土壤养分酶解;分泌有机酸,降低土壤pH值,活化土壤吸附及固持的养分;促进土壤微生物活性,调控养分转运蛋白等。AMF活化矿质养分受到矿物土壤类型、菌根真菌和共生植物种类及碳源分配等因素影响。AMF生物技术是显著提高退化土壤生态恢复的一种潜在机制。今后应大力开展丛枝菌根真菌对矿质养分活化作用的机制研究,对退化土壤高效菌种进行筛选,加强微生物肥料研究。     

AM真菌在植物病虫害生物防治中的作用机制

丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhizae,AM)真菌是一类广泛分布于土壤生态系统中的有益微生物,能与大约80%的陆生高等植物形成共生体。由土传病原物侵染引起的土传病害被植物病理学界认定为最难防治的病害之一。研究表明,AM真菌能够拮抗由真菌、线虫、细菌等病原体引起的土传性植物病害,诱导宿主植物增强对病虫害的耐/抗病性。当前,利用AM真菌开展病虫害的生物防治已经引起生态学家和植物病理学家的广泛关注。基于此,围绕AM真菌在植物病虫害生物防治中的最新研究进展,从AM真菌改变植物根系形态结构、调节次生代谢产物的合成、改善植物根际微环境、与病原微生物直接竞争入侵位点和营养分配、诱导植株体内抗病防御体系的形成等角度,探究AM真菌在植物病虫害防治中的作用机理,以期为利用AM真菌开展植物病虫害的生物防治提供理论依据,并对本领域未来的发展方向和应用前景进行展望。     

丛枝菌根真菌对西南岩溶地区干旱及干湿交替下金银花根系生长的影响

近年来我国西南岩溶地区干旱频发、干湿交替现象严重,植被生存环境恶劣,植被恢复困难,石漠化程度呈加剧之势。丛枝菌根真菌能与植物根系形成互惠共生关系,对植物生长发育及抗逆性有积极影响。研究表明,丛枝菌根真菌能够提高植物的抗旱性。然而,丛枝菌根真菌是否能够提高宿主植物对干湿交替等多变环境的耐受性,目前并没有见到相关报道。以西南岩溶地区适生植物金银花为研究对象,利用盆栽控制实验,采用3因素(接种、水分处理、干旱时间处理)随机区组设计,研究了接种丛枝菌根--摩西管柄囊霉对不同干旱及干湿交替条件下金银花根系形态参数及根系生物量的影响。结果表明:短时间的干旱促进了未接种真菌的金银花根系长度、根系表面积和根系体积等形态参数,根系生物量增加,且复水对植物有一定补偿作用;但长期干旱后植株根长、根表面积和根体积等所有根系形态参数均降低,根系生物量显著下降,即长期干旱对金银花的根系生长产生了严重的抑制作用,且复水补偿作用因干旱的严重抑制作用而丧失。短时间干旱降低了接种植株的根长、根表面积和根体积等根系生长参数,根系生物量不变;复水后接种植株仍然具有补偿生长作用,其原因可能与菌根泡囊结构有关。随着干旱处理时间的延长,接种植物的根系也受到伤害,复水补偿能力丧失。可见,菌根真菌促进了喀斯特干旱和干湿交替条件下金银花的根系生长,且在干旱条件下促进作用更加显著,但与干旱时间和干旱强度并没有交互作用。      

安国地区丹参根围AM真菌资源及时空分布研究

2008年7月和10月,分别从河北省安国市4个不同样地(齐村、祈州、沙头、中药材种植基地),按0~10 cm1、0~20 cm和20~30 cm共3个土层采集丹参根围土壤样品,研究了丹参根围AM真菌资源和生态分布。结果表明:丹参与AM真菌可形成良好的A型和I型丛枝菌根,丛枝为花椰菜状和树枝状,泡囊形态多样,菌丝大部分为无隔菌丝,偶见有隔菌丝。共分离AM真菌4属24种,其中球囊霉属(Glomus)16种、无梗囊霉属(Acaulospora)5种、盾巨孢囊霉属(Scutellospora)2种、内养囊霉属(Entrophospora)1种。聚丛球囊霉(G.ag-gregatum)是4个样地的共同优势种,扭形球囊霉(G.tortuosum)仅出现在齐村,地表球囊霉(G.versiforme)仅出现在中药材种植基地,稀有内养囊霉(E.infrequens)仅出现在沙头,丽孢盾巨孢囊霉(Scu.calospor)和红色盾巨孢囊霉(Scu.erythropa)仅出现在祈州。7月份孢子密度和定殖率显著低于10月份。最大孢子密度和最大定殖率分别出现在10月祈州10~20 cm土层和0~10 cm土层。孢子密度与泡囊定殖率和总定殖率极显著正相关,与菌丝定殖率显著正相关,与丛枝定殖率无相关性。     

草莓菌根研究进展

草莓(Fragaria×ananassa)根系分布浅、根量大、木质化程度轻和对菌根依赖性较强.本文在介绍草莓菌根形态特征及其丛枝菌根(AM)真菌物种多样性的基础上,分析了AM真菌改善草莓植株营养与水分状况、增强抗逆性、促进生长、增加产量和改善品质的效应及其作用机制;探讨了草莓与AM真菌种性、土壤条件和农业技术等对草莓菌根发育及其功能的影响;论述了AM真菌在草莓栽培生产中的应用与发展前景.认为AM真菌在草莓可持续绿色产业化栽培中将发挥越来越大的作用.     

独蒜兰共生菌根真菌动态变化研究

采用兰科植物菌根真菌单菌丝团分离方法,对独蒜兰盛花期和盛叶期菌根真菌进行了分离培养,结果发现根形成早期、根伸长区和近根尖成熟区、外皮层细胞中以生长快、气生菌丝发达的印Epulorhiza属菌根真菌为主,成熟根、近根基部成熟区、皮层中部及内皮层细胞中以生长慢、气生菌丝不发达的Epulorhiza属菌根真菌为主.生长快、气生菌丝发达的Epulorhiza属菌根真菌对寄主的侵染力强,对菌根的形成及独蒜兰的生长发育起着关键性的作用;生长慢、气生菌丝不发达的菌根真菌对寄主的侵染力弱,对菌根的维持起重要作用;这两类Epulorhiza属菌根真菌协同作用,共同促进菌根的形成和维持,这为组培苗的菌根化提供了一个新的思路.     

丛枝菌根共生体中酚类物质研究

菌根是丛枝菌根真菌侵染植物根系后形成的互惠共生体.在菌根形成过程中诱导植物产生多种酚类物质,如槲皮黄酮、黄酮醇、咖啡酸、对羟基苯甲酸、类黄酮等.酚类物质是植物重要的次生代谢产物,在菌根形成、水分及矿物质营养的吸收、植物生长发育和植物防御机制等方面具有重要作用.主要对丛枝菌根共生过程、植物酚类物质的合成途径、酚类物质的检测方法、酚类物质的生理效应、酚类物质在菌根共生方面的分子作用和酚类物质在寄主植物抗病虫害的作用等方面进行了论述,旨在为深入研究丛枝菌根真菌共生体中植物酚类物质提供依据.     

丛枝菌根真菌对枳不同根围铁及球囊霉素螯合金属的影响

采用盆栽根袋技术,将枳根围土壤分为0-2、2-4和4-8 cm 3个水平土层,研究丛枝菌根(AM)真菌地表球囊霉对枳根围土壤中有效Fe及球囊霉素鳌合金属含量的影响.结果表明,接种AM真菌显著降低了枳根围土壤中有效Fe的含量.接种AM真菌的土壤有效Fe含量表现为:0-2 cm2-4 cm4-8 cm,而未接种的则表现为:4-8 cm2-4 cm0-2cm;枳不同根围土壤中的菌丝密度表现为:0-2 cm2-4 cm4-8 cm,表明菌丝能够穿过尼龙网伸展到4-8 cm土层中;枳不同根围土壤中易提取球囊霉素和总球囊霉素的变化规律一致,表现为:2-4 cm4-8 cm0-2 cm;土壤中球囊霉素螯合Fe和Mn的含量在4-8 cm土层中最少,螯合Zn和Cu的含量则在0-2 cm土层中最少.可见,球囊霉素能够螯合Cu等元素,减轻土壤中重金属元素对AM真菌的威胁,进而起到缓冲金属元素释放和保护真菌的作用.     

宿主植物的栽培密度对AM真菌孢子产量的影响

对宿主植物的栽培密度与孢子产量的相关性进行了试验研究.以百喜草Paspalum notatum为宿主,每盆栽1、5或10株,以稍长无梗囊霉Acaulospora longula为供试菌株.植株生长4个月,结果发现1株/盆的侵染率显著高于其他2个栽培密度,但是三者的泡囊和丛枝的百分率没有差异.3种栽培密度下每盆植株的地上部生物量没有差异,但根系生物量随着栽培密度的增加而降低,土壤中的孢子密度也具有同样的趋势.相关分析发现,孢子密度与根系生物量密切相关.试验结果表明,宿主植物的高密度栽培可能导致分配到根系碳水化合物减少,从而减少AM真菌的孢子产量.     

The Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Reactive Oxyradical Scavenging System of Tomato Under Salt Tolerance

The effects of arbuscular mycorrhizal fungi （AMF）, Glomus mosseae, on oxygen radical scavenging system of tomato under salt stress were studied in potted culture experiments. The response of tomato （Lycopersieon eseulentum L.） cultivar Zhongza 9 seedlings with AMF inoculation and control to salt stress （0, 0.5 and 1.0% NaCl solution, respectively） was investigated. The results showed that the salt stress significantly reduced the dry matter content of roots, stems and leaves, and also the leaf area as compared with the control treatment. However, arbuscular mycorrhizal-inoculated （AM） significantly improved the dry matter and the leaf area in the salt-stressed plants. The effect of AMF on dry matter was more pronounced in aerial bromass than in root biomass which might be due to AM colonization. The activities of SOD, POD, ASA-POD, and CAT in leaves and roots of mycorrhizal and non-mycorrhizal treatment of tomato plants were increased and had different rules under different NaCl concentrations （solution of 0, 0.5 and 1% NaCl）, but all enzymes had a rise in the beginning of treatment under salt stress conditions. The AMF did not change the rule of tomato itself under salt stress, but AMF increased these enzyme activities in different levels. The AMF treatment significantly increased SOD, POD and ASA-POD activities in leaves and roots, whereas it had little effects on CAT in root. O2- production rate and MDA content in leaves increased continuously, which showed a positive line correlation with salt stress concentration. O2- production rate and MDA content in tomato plants significantly decreased by AM treatment compared with nonmycorrhizal treatment. In conclusion, AM could alleviate the growth limitations imposed by saline conditions, and thereby play a very important role in promoting plant growth under salt stress in tomato.     

水分胁迫和杀真菌剂对黄顶菊生长和抗旱性的影响

利用盆栽试验研究水分胁迫下AM真菌对黄顶菊生长和抗旱性的影响,揭示黄顶菊入侵过程中的微生物学机制.以苯菌灵为杀真菌剂,在土壤相对含水量为120％、80％、40％和20％条件下,分别设灭菌和不灭菌两种处理.结果表明,水分胁迫显著降低了黄顶菊株高、干重和主根长,而对AM真菌侵染率无显著影响.施用苯菌灵显著降低了菌根侵染率、叶片保水力、保护酶活性、可溶性糖和可溶性蛋白含量,提高了MDA含量.不灭菌处理下黄顶菊植株对土壤有效N和有效P的利用率较高,且植株全N、P含量显著高于灭菌处理,菌根贡献率随土壤相对含水量降低而逐渐提高,重度胁迫分别是渍水条件下的1.84和1.88倍.土壤水分状况和AM真菌的交互作用对黄顶菊生物量和生理指标影响显著.AM真菌共生能够促进黄顶菊根系对土壤水分和矿质营养吸收,改善植物代谢活动,提高抗旱性.实验结果为黄顶菊合理防控措施的制定提供了依据,同时作为丛枝菌根的基础性研究也具有重要的意义.