全 文 ：植物生态学报 2011, 35 (2): 232–236 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00232
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2010-03-19 接受日期Accepted: 2010-11-04
* E-mail: yhuang@pku.edu.cn
球囊霉素相关土壤蛋白根际环境功能研究进展
黄 艺* 王东伟 蔡佳亮 郑维爽
北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871
摘 要 球囊霉素(glomalin)是丛枝菌根真菌产生的一种含有金属离子的耐热糖蛋白, 能够改善土壤结构, 固定土壤中的重
金属, 近期被更名为球囊霉素相关土壤蛋白(glomalin-related soil protein)。该文从球囊霉素的定义、性质与环境功能等方面对
相关文献进行了综述, 认为目前对球囊霉素的共识仍停留在理论假设蛋白的程度上, 包括: 1)该蛋白可能是热激蛋白60 (HSP
60)的同系物; 2)该蛋白所携带的阳离子可能随着土壤性质的改变而不同。目前还没有清楚确切地定义球囊霉素的真实分子结
构与理化性质。今后需从分子层面对球囊霉素予以深入研究。同时, 需要不断改进球囊霉素的提取和测定方法, 以便进一步
探讨球囊霉素固定重金属离子的机理, 提高植物的重金属抗性。
关键词 丛枝菌根真菌, 球囊霉素, 球囊霉素相关土壤蛋白, 重金属
Review of glomalin-related soil protein and its environmental function in the rhizosphere
HUANG Yi*, WANG Dong-Wei, CAI Jia-Liang, and ZHENG Wei-Shuang
College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract
Glomalin (or glomalin-related soil protein) is thought to be produced by arbuscular mycorrhizal fungi. It is a
thermotolerant glycoprotein that contains metal ions and has special physical and chemical characteristics. The
structure and function of glomalin have been intensively studied. We review progress in the characterization and
properties of glomalin as well as its environmental functions in the rhizosphere (especially its chelation of heavy
metals). Research has shown that glomalin is a putative homolog of heat shock protein 60 and can carry different
metal ions because of different kinds of soil. Further research on methods for its measurement is urgently needed.
Key words arbuscular mycorrhizal fungi, glomalin, glomalin-related soil protein, heavy metals

球囊霉素(glomalin)是丛枝菌根真菌(arbuscular
mycorrhizal fungi, AMF)分泌的一类含有金属离子
的耐热糖蛋白, 近期将其更名为球囊霉素相关土壤
蛋白(glomalin-related soil protein), 文中简称为球囊
霉素。它能很好地固定土壤中的重金属, 同时也是
土壤主要有机物质之一。球囊霉素的研究最初始于
对AMF提高植物抗逆性机理的探讨。由于AMF可与
大多数陆地植物形成互惠共生体, 并广泛存在于环
境中(Miller et al., 1995; Smith & Read, 1997; Rillig
et al., 1999a, 1999b), 因此球囊霉素也广泛存在于
环境中。球囊霉素组成和性质的特异性, 使其在土
壤结构和土壤有机质组成中具有十分重要的意义。
例如, 它可以改善土壤结构; 作为土壤的主要碳源;
而固定重金属这一最主要的环境功能, 使球囊霉素
在土壤重金属污染的生物修复中具有潜在价值
(Franzluebbers et al., 2000; Rillig et al., 2002a, 2003;
Rillig & Mummey, 2006; Chern et al., 2007)。尽管目
前国内外对球囊霉素真实分子结构及性质的了解
还较为模糊, 但随着相关研究的不断深入, 尤其是
球囊霉素测定方法的不断完善, 人们对其结构、组
成、分类以及环境功能的认识将会进一步深入。
1 球囊霉素的定义
1.1 球囊霉素的发现
1996年 , 美国马里兰大学的Wright和Upad-
hyaya在121 ℃高温下用20 mmol·L–1的柠檬酸钠溶
液从AMF菌丝表面提取了一种能够和单克隆抗体
MAb32B11发生免疫性荧光反应的未知蛋白, 并发
现此蛋白非常稳定, 难溶于水, 而且只有用偏碱性
的柠檬酸钠溶液才能提取得到。进一步的研究发现,
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球囊霉素是AMF分泌产生的一类糖蛋白, 它可以产
生于AMF宿主植物的根部或者根际土壤中根外菌
丝的表面, 并能从菌丝表面脱落进入土壤中(Wright
& Upadhyaya, 1996)。Wright等(1998)进一步用pH为
8.0、50 mmol·L–1的柠檬酸钠溶液在121 ℃、高压条
件下从12份未经耕作过的酸性土壤中提取出一种
含量丰富而且性质不同寻常的蛋白质, 他们将这种
从土壤中提取的蛋白质与从AMF菌丝中提取的蛋
白质进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)比较分
析后发现, 二者的条带基本一致。
由于球囊霉素的性质独特, 且在土壤生态系统
中含量较多, 因此, 它在某种意义上具有生态学功
能, 对改善土壤有机结构和土壤特性、甚至在整个
陆地生态系统的生态过程中发挥着重要作用。
1.2 球囊霉素的分类
球囊霉素在土壤中普遍存在(Wright & Upad-
hyaya, 1998; Nichols, 2003)。由于目前土壤中提取球
囊霉素的方法尚不能得到高纯度的球囊霉素, 一些
研究者对球囊霉素的来源仍有质疑, 所以迄今为止
球囊霉素仍然被看做一类理论假设的分泌物蛋白。
最初测定方法的基本原理是: 先提取土壤中的球囊
霉素, 再用考马斯亮蓝法(Bradford)测定提取液中
的球囊霉素含量 , 或者应用AMF单克隆抗体
MAb32B11进行酶联免疫(ELISA)反应测定(Rillig,
2004)。整个过程的关键步骤是获得球囊霉素提取
液, 提取液中球囊霉素的含量及特异性直接影响后
续考马斯亮蓝和酶联免疫反应。根据最初土壤中球
囊霉素的提取方法, 球囊霉素被分为4类, 分别为
总球囊霉素(total glomalin)、易提取球囊霉素(easily
extractable glomalin) 、 免 疫 反 应 球 囊 霉 素
(immunoreactive total glomalin)和免疫反应易提取
球囊霉素(immunoreactive easily extractable gloma-
lin)。原本测定方法即考马斯亮蓝法, 使用的前提是
除了球囊霉素以外的所有非热稳态土壤蛋白在提
取过程中都能够被破坏, 然而这一假设并没有被证
实。基于此, Rillig (2004)建议使用球囊霉素相关土
壤蛋白(glomalin-related soil protein, GRSP)来代替
球囊霉素, 因为其更适合描述球囊霉素在天然有机
物中的存在形式。同时 , 将球囊霉素分为BRSP
(bradford-reactive soil protein)、EE-BRSP (easily
extractable BRSP)、IRSP (immunoreactive soil pro-
tein)和EE-IRSP (easily extracted immunoreactive soil
protein)等4类, 已替代原来相对应的术语。Rosier等
(2006)的研究证明, 当前的提取程序并没有除去所
有的非球囊霉素类物质, 所以用考马斯亮蓝法测定
土壤中的AMF分泌球囊霉素时会受到其他蛋白的
影响, 特别是当土壤中有机物含量非常高时不适
用。然而Bolligera等(2008)用多种方法测定了GRSP
的纯度, 结果表明其中的主要成分仍然是球囊霉
素。
2 球囊霉素的性质
2.1 球囊霉素的物理化学特性
球囊霉素在常态下不溶于水, 具有一定的热稳
定性(Wright & Upadhyaya, 1996)。球囊霉素主要由
蛋白质和碳水化合物组成, 其中碳水化合物为葡萄
糖或蔗糖。球囊霉素的结构还没有完全确定, 可能
的分子式是在疏水作用下重复单体相互结合的复
杂产物(Nichols, 2003)。最初研究发现, 球囊霉素是
一种携带铁离子的糖蛋白。之后的试验表明, 不同
性质的土壤中球囊霉素所携带的阳离子不同
(Wright & Upadhyaya, 1998; Nichols, 2003)。据估计,
球囊霉素的分子量约为 355, 碳含量约占 45%
(Lovelock et al., 2004; Nichols & Wright, 2006)。球囊
霉素在土壤中的停留时间较长, 从热带雨林土壤中
提取球囊霉素, 用14C标记后进行研究测定, 结果发
现球囊霉素的降解周期大约为6–42年(Rillig et al.,
2001)。Steinberg和Rillig (2003)进一步测定了AMF
菌丝和球囊霉素的降解率, 结果表明, 培养150天
后, 菌丝长度减少了60%, 而球囊霉素的量只下降
了25%。因此, 球囊霉素在环境中的性质比较稳定,
较难降解; 换言之, 球囊霉素在环境中的停留时间
较长, 对环境影响较为持久。
2.2 球囊霉素的生物学特性
球囊霉素本质上是AMF体内、由产球囊霉素基
因控制产生的、存在于AMF菌丝表面的、并可以脱
落进入土壤中的蛋白质。AMF菌丝不直接从土壤中
获取碳、氮营养元素, 却可以提供给土壤大量的有
机碳和氮, 这一直是难以解开的谜团(Hodge et al.,
2001)。Driver等(2005)对AMF进行了离体培养, 研
究球囊霉素的运动过程, 结果表明球囊霉素不会直
接释放到土壤中, 而是牢牢地固定在菌丝细胞壁和
真菌孢子中, 随着二者的衰亡和降解后释放到土壤
中, 就解开了之前的谜团。
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Gadkar和Rillig (2006)通过离体培养AMF, 隔
离出一条MAb32B11免疫反应条带, 对球囊霉素的
基因序列进行原始的推断描述。该蛋白质可以与
MAb32B11进行交叉反应, 初步假定球囊霉素是热
激蛋白60 (HSP 60)的同系物。Purin和Rillig (2008)
进一步利用电镜等技术手段, 通过单克隆抗体来确
定球囊霉素的细胞定位。然而到目前为止, 球囊霉
素与土壤中各类蛋白质分段物质的关系尚未弄清
(Schindler et al., 2007)。
3 球囊霉素的根际环境功能
3.1 球囊霉素能够改善土壤结构
Wright和Upadhyaya (1998)的研究表明, 球囊
霉素在土壤中的浓度(通常以mg·g–1为单位)与土壤
聚合稳定性呈现正相关性。Rillig等(2002a)的试验结
果指出, 球囊霉素是影响土壤聚合稳定性的一个非
常重要的因素。总体而言, 球囊霉素能在土壤中积
累, 并且改善土壤结构, 使土壤朝着适合植物生长
的方向变化(Franzluebbers et al., 2000; Rillig et al.,
2002a; Rillig & Mummey, 2006)。
3.2 球囊霉素是土壤的主要碳源
AMF属于球囊菌门, 可能是最古老的陆生生物
之一(Pawlowska, 2005), 而在菌根共生体中, 对球
囊霉素的研究正是源于对AMF的研究。研究表明,
土壤中的球囊霉素会导致植物排放更多的CO2
(Rillig et al., 1999b, 2000), 进而加速全球变暖
(Rillig et al., 2002b), 因此对球囊霉素与土壤碳源
之间关系的研究正在深入推进。球囊霉素一般占土
壤总有机碳的27%左右; 在泥炭土中, 球囊霉素往
往占到总有机碳的52% (Comis, 2004), 大量球囊霉
素会逐渐变为土壤碳源(Rillig et al., 2003)。Chern等
(2007)试验发现, 泥炭土中球囊霉素的含量相对较
高, 进一步证明有机碳的含量与球囊霉素的含量之
间呈现正相关性(Lovelock et al., 2004)。Rillig等
(2007)总结出两类土壤蛋白质能够固定和扰动土壤
中的有机碳, 分别为: (1)碎屑沉积蛋白, 是细胞衰
亡后分解释放的; (2)微生物表面活性蛋白, 例如,
疏水蛋白、球囊霉素等, 这也再次证明了球囊霉素
和土壤碳素的相关性。另外, Lovelock等(2004)的试
验发现, 球囊霉素可以作为AMF菌丝生长的指示
剂。贺学礼等(2008)在我国西北的毛乌素沙漠沙地
进行试验, 也发现球囊霉素能够指示沙漠土壤AMF
的活动情况以及土壤的生态状况, 这为将来用球囊
霉素作为土壤肥力的指示因子提供了试验依据。
3.3 球囊霉素对土壤重金属的固定作用
由植物的根、土壤微生物以及土壤所构成的根
际环境, 其pH、氧化还原电位(Eh)、根系分泌物及
微生物、酶活性、养分等状态均与周围的土壤环境
不同。重金属进入根际土壤中, 受pH变化的影响,
会发生沉淀或溶解反应。根际土壤的Eh和还原性分
泌物能使多价态的重金属离子发生改变, 进而影响
其毒性效应(张从和夏立江, 2000)。关于植物重金属
抗性的研究最初主要集中在有机酸上, 直到有试验
表明蛋白质可以与重金属离子发生络合反应(Spiro,
1981), 从而对其进行固定(Ross, 1994; Gardea-Tor-
resdoy et al., 1997)。例如, 莱茵衣藻(Chlammyd-
omonas reinhardtii)细胞壁上的糖蛋白能大量固定
Cd2+(Cain & Allen, 1980)。作为一种蛋白质, 球囊霉
素也具有络合重金属的能力, 因此被看做重金属
(例如, Cd2+、Fe2+、Pb2+和Mn2+等)污染土壤的生物
稳定剂(Chern et al, 2007)。Vodnik等(2008)研究指出,
球囊霉素固定的Pb量与土壤中总Pb量呈现正相关,
占土壤中总Pb量的0.8%–15.5%; 球囊霉素固定的
Zn量与土壤中总Zn量呈现负相关。同时, 研究还发
现球囊霉素优先固定Pb, 因此可以认为当土壤中的
重金属污染不止一种时, 球囊霉素优先固定哪种重
金属离子是不一样的, 这主要是由球囊霉素的选择
性和土壤的具体性质来决定的。在一般情况下, 球
囊霉素能够固定土壤有机物中43%的Pb2+和20%的
Zn2+。在植物重金属抗性研究方面, Subramanian等
(2009)发现在Zn2+不同的(能够通过浓度变化调整土
壤生物体的生长)浓度条件下, 接种AMF和不接种
AMF的土壤表现出不一样的生化性质, 也就是说,
菌根可以使Zn2+的可利用性提高, 这与AMF分泌的
球囊霉素有很大关系。
4 研究展望
综上所述, 球囊霉素广泛存在于环境中, 不仅
能够改善土壤结构, 是土壤中的主要碳源, 而且还
能固定土壤中的重金属, 提高植物的重金属抗性。
然而, 对球囊霉素的共识仍停留在理论假设蛋白的
程度上, 这主要是由于目前还没有清楚确切地定义
球囊霉素的真实分子结构与理化性质, 所以, 亟待
从分子层面对球囊霉素予以深入研究。
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球囊霉素的定义主要依赖于对其的测定方法,
测定方法的改变会导致其命名的不断修订。虽然在
科学界普遍认为球囊霉素产自于内生菌根真菌, 然
而其真实的来源仍需要不断地探讨与证明。目前,
仍不能获得高纯度的球囊霉素阻碍了对其性质的
探讨, 因此不断改进提取测定方法也是进一步研究
的迫切需要。在此基础上才能够进一步探讨球囊霉
素固定重金属离子的机理, 提高植物对重金属的抗
性。
致谢 国家自然科学基金(20777004)资助。
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责任编委: 郭良栋 责任编辑: 李 敏