球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是由丛枝菌根真菌(AMF)在土壤中产生的一种糖蛋白,其在土壤中大量存在,可分为总球囊霉素、易提取球囊霉素、免疫反应性总球囊霉素、免疫反应性易提取球囊霉素.土地利用方式、施肥条件、AMF及宿主类型、外界环境条件等均会影响土壤中GRSP的含量及分布.GRSP能改善土壤团聚体的水稳定性、降低陆地生态系统土壤中CO2排放、促进土壤中碳贮存、降低土壤中重金属的有效性、减弱重金属的植物毒害.GRSP的提取及定量表征技术仍是限制人们深入了解其在土壤中分布及环境功能的瓶颈.今后有关GRSP的研究应重视以蛋白及其编码该蛋白的基因为基础,阐释GRSP在土壤生态系统中的分子生物学作用及机制,以及GRSP对土壤中有机污染物环境行为的影响.
Glomalin-related soil protein (GRSP), a glycoprotein secreted by arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), is abundant in soil. GRSP can be fractionated into total glomalinrelated soil protein (TG), easily extracted glomalinrelated soil protein (EEG), immunoreactive total glomalin (IRTG) and immunoreactive easily extracted glomalin (IREEG). The content of GRSP in soil differed with different soil use type, fertilization condition, AMF and host plant species, and environmental conditions. GRSP significantly positively correlates to the aggregate water stability. GRSP may reduce the release of CO2 in agroecosystem, benefit the soil carbon fixation, and reduce the bioavailability and plant toxicity of heavy metals in soil. The extraction and characterization of GRSP are of great importance to understanding the basic behaviors of GRSP in soil environments. Further studies are needed to clarify the molecular biology function of GRSP in agro-ecosystem based on the knowledge of proteins and related genes, and impacts of GRSP on the environmental behavior of organic pollutants in soil.
全 文 :球囊霉素相关土壤蛋白的分布及环境功能研究进展
王 建 周紫燕 凌婉婷∗
(南京农业大学土壤有机污染控制与修复研究所, 南京 210095)
摘 要 球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是由丛枝菌根真菌(AMF)在土壤中产生的一种糖蛋
白,其在土壤中大量存在,可分为总球囊霉素、易提取球囊霉素、免疫反应性总球囊霉素、免疫
反应性易提取球囊霉素.土地利用方式、施肥条件、AMF 及宿主类型、外界环境条件等均会影
响土壤中 GRSP 的含量及分布.GRSP 能改善土壤团聚体的水稳定性、降低陆地生态系统土壤
中 CO2 排放、促进土壤中碳贮存、降低土壤中重金属的有效性、减弱重金属的植物毒害.GRSP
的提取及定量表征技术仍是限制人们深入了解其在土壤中分布及环境功能的瓶颈.今后有关
GRSP 的研究应重视以蛋白及其编码该蛋白的基因为基础,阐释 GRSP 在土壤生态系统中的
分子生物学作用及机制,以及 GRSP 对土壤中有机污染物环境行为的影响.
关键词 土壤; 球囊霉素; 丛枝菌根真菌; 环境功能
Distribution and environmental function of glomalin⁃related soil protein: A review. WANG
Jian, ZHOU Zi⁃yan, LING Wan⁃ting∗ ( Institute of Organic Contaminant Control and Soil Remedia⁃
tion, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China) .
Abstract: Glomalin⁃related soil protein (GRSP), a glycoprotein secreted by arbuscular mycorrhizal
fungi (AMF), is abundant in soil. GRSP can be fractionated into total glomalin⁃related soil protein
(TG), easily extracted glomalin⁃related soil protein ( EEG), immunoreactive total glomalin
(IRTG) and immunoreactive easily extracted glomalin (IREEG). The content of GRSP in soil dif⁃
fered with different soil use type, fertilization condition, AMF and host plant species, and environ⁃
mental conditions. GRSP significantly positively correlates to the aggregate water stability. GRSP
may reduce the release of CO2 in agro⁃ecosystem, benefit the soil carbon fixation, and reduce the
bioavailability and plant toxicity of heavy metals in soil. The extraction and characterization of GRSP
are of great importance to understanding the basic behaviors of GRSP in soil environments. Further
studies are needed to clarify the molecular biology function of GRSP in agro⁃ecosystem based on the
knowledge of proteins and related genes, and impacts of GRSP on the environmental behavior of or⁃
ganic pollutants in soil.
Key words: soil; glomalin; arbuscular mycorrhizal fungi; environmental function
本文由国家自然科学基金项目(21477056,51278252)和江苏省重点
研发计划项目(BE2015780)资助 This work was supported by the Na⁃
tional Natural Science Foundation of China (21477056, 51278252) and
the Key Project of Jiangsu Province, China (BE2015780).
2015⁃06⁃12 Received, 2015⁃12⁃08 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: lingwanting@ njau.edu.cn
球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是土壤有机质
的重要组分.据报道,土壤中 GRSP 在有机碳含量中
占比高达 27%,泥炭中 GRSP 含量更高,占比达
53%[1] .由丛枝菌根真菌(AMF)分泌进入土壤中的
GRSP 大多数会转变为土壤碳素,被土壤中动物或
植物吸收,参与动植物体内代谢过程.GRSP 对土壤
团聚体形成、土壤碳素收支、植物对环境胁迫抗性等
具有重要作用[2] .
本文介绍了 GRSP 的来源及其特性,分析了其
在土壤中的含量及分布,评述了环境因素对土壤中
GRSP 含量及分布的影响,系统地综述了 GRSP 在
土壤中的环境功能,指出了该领域研究中值得关注
的几个问题,以期为深入了解 GRSP 及其环境功能
提供有益参考.
1 GRSP及其特性
1996年,美国马里兰大学微生物系实验室的
Wright等[3]在丛枝菌根真菌根内球囊霉菌(Glomus
intraradices)菌丝的表面发现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
应 用 生 态 学 报 2016年 2月 第 27卷 第 2期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2016, 27(2): 634-642 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201602.028
白,此蛋白非常稳定,不仅不溶于水,且只有用中性
至碱性柠檬酸钠溶液于 121 ℃高温下才能提取得
到,初步认为这种蛋白是由 AMF 产生的,属球囊霉
属 AMF分泌的专性蛋白,并将其称为球囊霉素.进
一步研究发现,球囊霉素是由 AMF分泌产生的一类
糖蛋白,它主要产生在延伸到土壤中的 AMF菌丝表
面,当菌丝死亡后球囊霉素相关蛋白能够从菌丝表
面脱落进入根际土壤中.Wright 等[4]将这种土壤中
产生的蛋白与 AMF 菌丝中提取的蛋白进行聚丙烯
酰胺凝胶电泳(SDS⁃PAGE)比较分析,发现二者的
条带基本一致.随着研究的深入,由于最初将这种从
土壤中提取出的未知蛋白被认为是 AMF 分泌的基
因蛋白,而忽略了未知蛋白中是否含有其他非球囊
霉素成分,所以用球囊霉素来命名似乎有些片面,因
此 Rosier等[5]认为,用“球囊霉素相关土壤蛋白”
(glomalin⁃related soil protein,GRSP)代替球囊霉素
更为合适.
球囊霉素相关蛋白是目前为止发现的唯一一种
由 AMF真菌分泌进入土壤中的蛋白,越来越受到科
研工作者的关注.由于 GRSP 生物化学组成尚不清
楚,使得对 GRSP 的深入研究难以进行.近年来有研
究表明,GRSP 是一种由 N连接而成的糖蛋白,分子
量约为 355 KD,由 3% ~ 5% N、36% ~ 59%C、4% ~
6% H、33%~49% O和 0.03% ~0.1% P 组成[6-7] .此
外,还有研究发现 GRSP 还含有 0.8% ~8.8% Fe[8],
但之后的研究发现土壤性质不同,GRSP 所含阳离
子也不同.多数研究者认为 GRSP 是一种糖蛋白[9] .
Gadkar等[10]从根内球囊霉分离得到一种能够与球
蛋白特异性抗体 MAB32B11 发生蛋白条带交叉反
应的蛋白,并采用串联液相色谱⁃光谱法对该蛋白进
行部分测序,结果发现,该蛋白平均分子量为 60
KD,含有 17个氨基酸序列,这些氨基酸序列与热激
蛋白 60(HSP60)序列相同,该蛋白 N端含有 3 个糖
基化位点,C 端含有 GGM 氨基酸残基.采用退化性
聚合酶链反应,从根内球囊霉中分离出一种全长为
1773 bp、能够编码 HSP60的 cDNA,所以认为 GRSP
是一种糖蛋白.而 Schindler 等[11]对泥炭土中 GRSP
采用核磁共振进行分析后发现,泥炭土 GRSP 中含
芳香烃(42% ~ 49%)、羧基(24% ~ 30%)、碳和低脂
肪(4%~11%)、碳水化合物(4% ~ 16%),因此认为
GRSP 并不是一种典型的糖蛋白,应当是一种土壤
中腐殖酸.GRSP 究竟是糖蛋白还是腐殖酸还有待进
一步研究.
最初土壤中球囊霉素的提取方法为考马斯亮蓝
法,其原理是:除球囊霉素蛋白以外的所有非热稳态
蛋白在浸提过程中都能够被破坏.根据这一原理可
将球囊霉素分为 4 类,分别为总球囊霉素(TG)、易
提取球囊霉素 ( EEG)、免疫反应性总球囊霉素
( IRTG ) 和 免 疫 反 应 性 易 提 取 球 囊 霉 素
(IREEG) [12] .但是在土壤浸提过程中除球囊霉素蛋
白以外的其他蛋白能否被破坏掉,一直都没有得到
科学证实.因此,Singh[13]根据 Rillig[14]的相关研究
对球囊霉素重新进行描述使其分类更明确(表 1).
2 土壤中 GRSP含量、分布及其影响因素
2 1 含量及分布
由于 GRSP 难溶于水,不易被蛋白酶水解,难于
分解,因此其在土壤中性质极为稳定.成土时间越长
表 1 土壤球囊霉素和蛋白不同组分建议新命名[13]
Table 1 New terminology for various fractions of soil glomalin and proteins[13]
旧命名
Old name
描述
Identity
新命名
New name
修改原因
Reason for change
总球囊霉素 TG 粗提取后采用 Bradford 法测定
的土壤蛋白
Bradford 法测定的土 壤蛋 白
BRSP
Bradford法无专一性
易提取球囊霉素 EEG 温和提取后采用 Bradford 法测
定的土壤球囊霉素相关蛋白
易提取球囊霉素相关蛋白 EE⁃
BRSP
Bradford法无专一性
免疫反应总球囊霉素 IRTG 粗提取后能与 Mab32B11 发生
免疫反应的土壤蛋白
与 Mab32B11 反生免疫反应土
壤蛋白 IRSP
土壤中存在与抗体反生潜在交叉
反应或影响抗体敏感性的蛋白
免疫反应易提取球囊霉素 IREEG 温和提取后能与 Mab32B11 发
生免疫反应的土壤蛋白
与 Mab32B11 发生免疫反应易
提取土壤蛋白 EE⁃IRSP
土壤中存在与抗体反生潜在交叉
反应或影响抗体敏感性的蛋白
球囊霉素 Glomalin 旧命名中用来表示以 Bradford
和 ELISA方法测定的土壤蛋白
球囊霉素相关土壤蛋白 GRSP
GRSP
确切区分土壤蛋白与公认的基
因产物
严格意义上球囊霉素
Strictly glomalin (Sensu stricto)
目前仍不清楚其特性,因此严格
意义上的球囊霉素应与土壤中
球囊霉素具有相似的特性
球囊霉素
Glomalin(s)
基因产物命名应当保留
TG: Total glomalin⁃related soil protein; EEG: Easily extracted glomalin⁃related soil protein; IRTG: Immunoreactive total glomalin; IREEG: Immunoreac⁃
tive easily extracted glomalin; BRSP: Bradford reactive soil protein; EE⁃BRSP: Easily extractable Bradford reactive soil protein; IRSP: Immunoreactive
reactive soil protein; EE⁃IRSP: Easily extractable Immunoreactive reactive soil protein; GRSP: Golmalin related soil protein.
5362期 王 建等: 球囊霉素相关土壤蛋白的分布及环境功能研究进展
的土壤中 GRSP 含量越高.Rillig等[15]将潮湿的土壤
在 18 ℃暗培养 150 d后发现,土壤中菌丝长度减少
了 60%,总球囊霉素蛋白 ( T⁃GRSP )含量减少了
25%,免疫反应 T⁃GRSP 含量几乎完全消失,易提取
球囊霉素蛋白(EE⁃GRSP)含量几乎没有变化,但是
免疫反应易提取球囊霉素( IREEG)含量增加了 5
倍.通过14C示踪标记发现,GRSP 在土壤中的周转时
间可长达 7 ~ 42 年,并且随土壤年龄增加 GRSP 含
量呈升高的趋势.
研究表明,土壤中 GRSP 约占有机碳含量的
27%;泥炭中 GRSP 含量更高,约占 53%[1] .在耕地、
林地、草场及灌木林等土壤中均可检测到 GRSP 的
存在.由于不同生态系统植被及土地利用方式不同,
土壤中 GRSP 含量差别明显(表 2);相比于其他 4
种土地利用类型,荒地中 GRSP 含量最低,耕地及果
园等长期耕作的土壤中 GRSP 含量低于林地、草地.
Roldan等[16]对耕地不同土层中 GRSP 含量进行分
析发现,随着土层加深、土壤中 GRSP 含量呈下降趋
势.唐宏亮等[17]采集了农田、人工草地、果园和撂荒
地 4种不同土地利用方式的 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30
和 30~40 cm土层土样,研究了不同土地利用方式
下 GRSP 在土层中的分布,结果表明,农田、果园和
人工草地中 GRSP 含量随土层深度增加呈下降趋
势,而撂荒地则相反,随着土层深度的增加,撂荒地
土壤空气中 CO2浓度增加,而 CO2浓度的增加可以
提高土壤中 GRSP 的含量[18] .谢靖等[19]对陕西 4 个
县市紫穗槐林地不同土层土壤球囊霉素含量进行调
查发现,GRSP 随土层深度增加呈下降趋势,农田、
果园、人工草地、林地 0 ~ 10 cm 土壤中 GRSP 含量
最高.
2 2 影响土壤中 GRSP 含量及分布的因素
已有研究证明,GRSP 是 AMF 侵染宿主植物根
系产生菌丝、伸展进入根际土壤由菌丝表面分泌产
生的一类含金属离子的糖蛋白,所以GRSP含量与
表 2 不同土地利用方式下土壤中 GRSP含量
Table 2 Glomalin⁃related soil protein content in soils
under different land use types
土地利用类型
Land use type
GRSP 含量
GRSP content
(mg·g-1)
参考文献
Reference
耕地 Cropland 0.32~3.06 [20-21]
林地 Forest 0.60~15.60 [22-23]
荒地 Fallow 0.83~2.07 [24-25]
草地 Grassland 0.23~9.18 [26-27]
果园 Orchard 1.45~4.91 [28-29]
宿主植物类型及根际土壤环境关系密切.耕作、施肥
及环境胁迫等因素都会对宿主、AMF 活性、菌丝长
度及根际土壤环境产生影响,进而影响土壤中
GRSP 的含量.
2 2 1耕作方式 AMF 广泛存在于土壤中,在植物
养分吸收和土壤团聚体形成过程中起着重要作
用[30] .AMF 能够与植物形成共生体,这种共生体的
存在能调节生物圈与大气圈之间的碳通量[31],在其
中起着重要作用的就是由共生体产的 GRSP.不同土
壤耕作方式对土壤条件的改变会对土壤特性产生复
杂影响,从而改变土壤环境、影响土壤中微生物多样
性和活性,最终对土壤中 GRSP 含量产生影响.
长期进行传统耕作会显著降低土壤中 GRSP 含
量.Borie 等[32]在一个为期 6 年的试验中发现,免耕
和少耕的耕作方式相比于传统的耕作方式能够显著
提高土壤中 GRSP 的含量. Liang[33]研究了传统耕
作、免耕及 6年未耕作的草地对土壤不同土层(0 ~
5、5~15、15 ~ 30、30 ~ 50、50 ~ 75、75 ~ 100 cm)中 T⁃
GRSP 含量的影响,结果表明,3 种耕作方式下,0 ~ 5
cm土层中 GRSP 含量达到 1.9 ~ 2.5 mg·kg-1;随着
土层深度增加,3 种耕作方式土层中 GRSP 含量均
呈下降趋势;在免耕及 6 年未耕作的草地中所有土
层 GRSP 含量显著高于传统耕作方式. Curaqueo
等[34]对不同耕作方式下地中海农业生态系统土壤
进行研究后发现,免耕、少耕可以增加土壤中 GRSP
含量,但随着免耕时间的延长,土壤中 GRSP 含量呈
下降趋势,且在 0 ~ 2、2 ~ 5 cm 不同土层中 GRSP 含
量随土层加深而下降.长期耕作及长期免耕相对于
免耕能够增加土壤中 GRSP 含量,这主要是由于:长
期耕作破坏 AMF菌丝网络的形成,降低真菌菌丝植
入植物根系的能力[35];有研究表明,土壤中 GRSP
的含量与土壤环境中 CO2含量呈正相关,土壤耕作
会使土壤中 CO2含量降低,进而导致 GRSP 含量降
低;此外,耕作可减少 AMF菌丝的产生,进而减少土
壤中 GRSP 的含量[8] .
2 2 2施肥 施肥除了能够提升土壤肥力之外,还
对土壤自身理化性质、微生物群体数量产生复杂的
影响[36] .杜介方等[37]研究了不同施肥处理对棕壤中
GRSP 含量的影响,结果表明,无论是有机肥还是无
机肥均能提高土壤中 GRSP 含量,但以有机肥⁃无机
肥配施效果最好. Turgay 等[38]研究发现,不同化学
肥料组合显著影响土壤中 GRSP 含量,相比 NPK、
PK施肥组合,施用 NK 显著降低土壤中 GRSP 含
量,土壤中 GRSP 含量与土壤中 P 含量呈显著正相
636 应 用 生 态 学 报 27卷
关,这与 Gispert 等[25]的研究结果一致.而 Wu 等[39]
研究发现,随着施 P 水平提高,土壤中 GRSP 含量显
著降低,认为土壤中 AMF介导 GRSP 产生与土壤中
酶活性有关,并不依赖土壤中 P 含量.Wu 等[40]研究
了长期施肥及水稻秸秆还田对稻田土壤中 GRSP 含
量的影响,相比于单一施用化肥,化肥与秸秆还田同
时进行能够显著提高稻田 GRSP 的含量,这与 Nie
等[41]研究结果一致.有机⁃无机肥配施能够影响土壤
中 GRSP 含量主要有以下两点原因:有机⁃无机肥配
施能够增加土壤中有机碳含量,土壤中有机碳含量
的增加促进土壤中(易提取、总)GRSP 的产生[42];
有机⁃无机肥配施通过改变土壤理化性质、提高土壤
中营养元素的有效性,进而提高 AMF 根系侵染率,
促进 AMF生长并增加土壤中 GRSP 含量[43] .
2 2 3环境胁迫 干旱、盐胁迫、重金属等环境胁迫
除了对植物生长发育、产量产生严重危害外,还对土
壤中微生物数量及其分泌物产生复杂影响[44] .黄玲
玲等[45]测定了陕西石油污染区 13 种人工林土壤中
GRSP,发现相对于无污染土壤,污染区内土壤中
GRSP 含量明显增加,其中受污染程度最低的柠条
AMF定殖率和孢子密度最高.有研究发现,干旱胁迫
下土壤中 GRSP 含量显著高于正常水分土壤[46] .在
对 5种盐胁迫(无、低、中、高、极高)土壤中 GRSP 的
分析发现,随着胁迫程度的增加,土壤中 GRSP 呈先
升高后下降趋势[47] .王鹏鹏等[48]在研究不同浓度臭
氧胁迫对两种基因型植物 GRSP 产生量的影响后发
现,臭氧胁迫能够增加两种基因型植物的菌根际和
菌丝际 T⁃GRSP 含量但影响不显著,导致菌根际和
菌丝际的 EE⁃GRSP 大幅增加.以上研究表明,一定
范围内的环境胁迫能够增加土壤中 AMF 在植物根
系的侵染率,进而增加土壤中 GRSP 含量,但当环境
胁迫超出植物及土壤微生物自身承受力时,土壤中
GRSP 含量降低.因此 GRSP 含量的增加可作为土壤
环境胁迫程度的评价指标.
2 2 4大气中二氧化碳浓度 人类活动提升了大气
中 CO2浓度.大气中 CO2浓度的提升改变了陆地生
态系统中植物光合作用,进而影响碳循环及土壤中
碳储量.陆地生态系统中 80%的植物与 AMF关系紧
密,AMF在陆地生态系统碳循环过程中起着重要作
用[49],它们可将植株光合产物的 20%以甲壳素和球
囊霉素的形式分泌进入土壤[50] .有研究表明,大气
中 CO2浓度的提升能够促进 AMF生长,提高植物地
下部生物量、增加土壤中碳的固定[51] .但是外界 CO2
浓度的提升对土壤中 GRSP 含量的影响却少有研
究,而且已有研究结果也不尽相同.
有研究表明,取潜育土 10 cm处土壤共 18 个样
点,样点内 CO2浓度从 368 ~ 674 μmol·mol
-1,经测
定,土壤中 AMF根系侵染率、GRSP 含量及 AMF 菌
丝长度均随着 CO2浓度升高呈直线上升趋势[52],这
与 Rilling 等[53]的研究结果相同.而 Macek 等[54]研
究发现,土壤中 T⁃GRSP 及 EE⁃GRSP 含量与土壤中
CO2浓度之间无显著相关性,但相比于 5 ~ 10 cm 土
层,0 ~ 5 cm 土层 T⁃GRSP 及 EE⁃GRSP 含量显著提
高.Zhang等[55]研究发现,提高大气中 CO2浓度能够
显著提高土壤 GRSP 含量,而土壤中 EE⁃GRSP 含量
却显著降低.从以上这些结果可得出,提升外界环境
中 CO2浓度能够增加土壤中 GRSP 含量.不同研究
中出现不同结果的原因可能是:提升大气中 CO2浓
度增强了植株光合作用,而不同试验供试土壤中养
分丰缺度不同,导致植株根系生长受阻,进而影响
AMF根系侵染率和土壤中 GRSP 含量;目前,大部
分的研究假设提升外界 CO2浓度能够促进 AMF 对
土壤碳的固定,而忽略了对 AMF 分解土壤碳的影
响,Cheng等[56]研究发现,提升外界环境中 CO2浓度
能够促进 AMF对土壤中碳的分解,这在一定程度上
会降低土壤中 GRSP 的含量.
2 2 5 AMF 物种及宿主类型 所有的 AMF 均属于
球囊霉目,包括 3 个科共有 150 多个种[57] .AMF 能
够与大多数植物物种形成共生体,由于其自身不能
进行光合作用,所以 AMF需要从宿主获取碳素等营
养物质,完成整个生命周期[58] .已有研究表明,土壤
中 80% GRSP 是产生在菌丝和囊泡中,植株死亡后
菌丝和囊泡中的 GRSP 经菌丝释放进入土壤.AMF
种类繁多,且对不同宿主植物根系的侵染率也存在
差异,这均会对土壤中 GRSP 含量产生一定的影响.
AMF通过释放一些被植物识别、可扩散的信号
物质,活化植物根细胞中与 AMF形成共生体有关的
基因,宿主植物启动相应的共生程序,AMF 菌丝通
过根系外表皮细胞细胞壁之间的间隙侵入宿主根
系,最终形成丛枝.Saidi等[59]研究了 9 种 AMF物质
与侵入宿主后对 GRSP 产量的影响,结果表明:相比
于其他 6个物种,G. luteum、疣突球囊霉(G. verrucu⁃
losum)、地表球囊霉 (G. versiforme)对宿主植物根系
侵染率较高,GRSP 产生量分别为 1.29、1.17、1.15
mg·g-1,显著高于其他 6 个物种.Bedini 等[60]也发
现了类似现象.
宿主植物对 AMF生态分布有很大的影响,宿主
植物的多样性在一定程度上决定 AMF 的多样性.植
7362期 王 建等: 球囊霉素相关土壤蛋白的分布及环境功能研究进展
物根系中分泌可溶性糖、内源激素等对根系自身及
其周围 AMF形成均有直接影响.除此之外,宿主植
物中有许多基因对丛枝的发育和消解有重要作用,
从而对 AMF的发育产生一定影响[61] .Violi 等[62]研
究发现,宿主植物的生长发育速率及营养情况与
GRSP 产生有着显著正相关关系.Roldan 等[63]研究
发现,在种植玉米和大豆土壤中 GRSP 含量差异明
显,种植玉米耕层土壤中 GRSP 含量高达 812
mg·g-1,而在种植大豆的土壤耕层中 GRSP 含量为
656 mg·g-1 .
2 2 6其他因素 过度放牧对牧草茎部产生一定的
损伤,阻碍光合产物向根系的运输,从而影响 AMF
牧草根系活性.Wang 等[64]研究内蒙古草原未放牧
和过度放牧情况下草原土壤中 GRSP 含量,发现未
放牧草原土壤中根系侵染率、孢子密度、菌丝长度等
均显著高于过度放牧土壤.夏季温度较高,土壤中湿
度高,养分有效含量高,土壤中微生物活性强、有机
物矿化速率较高,因而夏季土壤中 GRSP 含量相对
也高[65] .
3 GRSP在土壤中的环境功能
3 1 GRSP 对土壤理化性质的影响
土壤团聚体的数量和稳定性在提高土壤质量、
稳定土壤理化性质等方面起着重要作用.土壤团聚
体的形成是一个涉及到土壤物理、生物、化学的复杂
过程,土粒的黏结聚合是土壤团聚体形成的基础,有
机物是土壤中重要的黏结物质,这些有机物如腐殖
质、木质素以及微生物活动过程中产生的分泌物、真
菌和丝状菌丝等.
AMF对土壤团聚体稳定的影响可能主要是由
于 GRSP 引起的[14] .大量研究表明,在不同种植制度
和土地管理措施土壤中,GRSP 含量与土壤团聚体
的数量和水稳定性有着显著的相关性[66] .相比于宿
主根系及菌丝对土壤团聚体稳定性的影响,GRSP
对土壤团聚体稳定性的影响更直接.由于土壤团聚
体控制土壤中养分、水分含量以及土壤呼吸作用,所
以 GRSP 在土壤通气和排水、植株养分的吸收及植
物生产力等方面起着极为关键的作用.在土壤团聚
体形成过程中,GRSP 作为“超级胶水”能将细小的
土壤颗粒黏结成为直径<0.25 mm的微聚合体,微聚
合体最后形成大聚合体进而形成稳定的土壤单元,
因此 GRSP 能够极大地改善土壤团聚体的稳定性,
改善土壤的理化特性[67] .GRSP 作为“超级胶水”主
要是由于 GRSP 是一种多糖蛋白,多糖作为一种高
分子聚合体含有大量的⁃OH,它们可与黏粒矿物晶
面上的氧原子形成氢键而把土粒团聚起来,所以这
种蛋白又可以与土粒矿物晶面结合从而达到团聚土
粒的作用[68] .
3 2 GRSP 对土壤固碳的影响
有机碳是土壤有机质的重要组成部分,主要来
自于植物凋落物与腐朽根系、动物残骸、土壤微生物
及人为施用的有机肥料.研究表明,AMF自身不能够
进行光合作用,依靠寄住植物提供生长发育所需要
的碳,AMF 大约消耗植物光合产物净碳的 10% ~
20%[69] .从寄住植物获取的碳以 GRSP 的形式进入
土壤中,所以 GRSP 在土壤碳固定及循环过程中起
着重要作用.
GRSP 能够促进土壤中碳的贮存,GRSP 中碳、
氮的含量占有土壤总碳、氮 4% ~ 5%,GRSP 对土壤
中总碳含量的贡献率高于生物有机碳;这主要是由
于土壤中 GRSP 周转率较低、自身积累能力较强造
成的[18] .研究发现,抑制土壤中 AMF 活性能够降低
土壤中碳、氮的含量,主要是由于菌丝含量及 GRSP
含量的降低造成的[50] .多数研究假设,AMF 菌丝含
量及 GRSP 含量的降低能够降低土壤团聚体稳定
性,团聚体稳定性的降低导致土壤大颗粒对土壤中
碳、氮的保护减弱.然而,目前相关研究都简单地认
为土壤碳的贮存主要依靠土壤团聚体稳定性,人们
对 GRSP 对土壤碳贮存的直接影响尚知之甚少[70] .
3 3 GRSP 对土壤环境中有机污染物环境行为的
影响
现代工农业的发展及交通业的兴旺,导致世界
范围内许多国家土壤中有机污染物含量超标[71] .自
然条件下,有机污染物通过气⁃固、液⁃固界面进入土
壤环境中,与土壤中的有机质、矿物质等成分发生物
理、化学及生物反应,从而使得进入土壤环境中的有
机污染物被固定并在土壤多相介质中重新分配,最
后达到平衡、形成相对稳定的分布.因此,有机污染
物在土壤环境中吸附 /解吸等环境行为对其分布起
到决定性作用[72],影响有机污染物土壤环境行为的
因素很多,其中有机碳的影响很受关注.
研究发现,一些持久性有机污染物在土壤中的
吸附量与土壤中有机质含量呈显著正相关关系[73],
植株接种 AMF后会增加土壤中有机碳含量,进而理
论上应会增加土壤对有机污染物的吸附.研究已证
实,接种 AMF能够显著提高植株根系对土壤中有机
污染物的吸收及转运,提高植物对有机污染土壤的
根际修复效果[74] .作为 AMF菌丝壁的产物,AMF 能
836 应 用 生 态 学 报 27卷
增加土壤中 GRSP 的含量;然而至今有关 GRSP 对
土壤环境中有机污染物环境行为的影响,国内外仍
难检索到相关报道,该研究仍待开拓.
3 4 GRSP 对土壤环境中重金属环境行为的影响
大量研究表明,植物接种 AMF后能够降低土壤
环境中重金属的生物有效性,从而减少植物体对重
金属的吸收、降低重金属对植物体的毒害[75] .随着
研究的深入,研究者发现土壤中对重金属起着隔离
作用的是 AMF 产生的蛋白⁃GRSP. Vodnik 等[76]指
出,GRSP 对土壤中 Pb 的固定与土壤中总 Pb 量呈
正相关,GRSP 能够固定土壤中总 Pb 量的 0.8% ~
15.5%;然而,GRSP 固定的 Zn 量与土壤中总 Zn 量
呈负相关,GRSP 能够固定土壤有机物中 43%的
Pb2+和 20%的 Zn2+;该研究还发现,当土壤中 Pb、Zn
含量较高时, GRSP 对 Pb 的固定量较高. Cornejo
等[77]研究发现,Cu、Zn 复合污染土壤中 GRSP 对
Cu、Zn固定量都很高(5.6 ~ 28.5 mg·g-1 Cu、3.3 ~
4 8 mg·g-1Zn),这主要是归因于 GRSP 对重金属
固定的选择性及土壤中 Pb、Cu、Zn 之间的替代效
应.GRSP 在土壤环境中通过降低重金属的生物有效
性,进而降低重金属的植株毒害.此外,有研究表明,
当接种 AMF后,宿主植物根系中囊泡的数量显著增
加,进入植物根系的重金属积累在囊泡中,进而减少
重金属由地下部向地上部的转运,从而达到降低重
金属毒害的作用[78] .
3 5 GRSP 对大气中温室气体含量的影响
农业生产是温室气体的主要来源之一[79] .美国
国家海洋和大气管理局最新数据显示,目前大气中
二氧化碳含量为 403.26 ppm[80] .农业生产能够增加
土壤中二氧化碳向大气中释放,主要原因是不科学
的土地管理措施,造成土壤结构破坏[81],因此,所有
能够提高土壤团聚体形成及其稳定性的管理措施均
可减少土壤碳的损失,进而减少二氧化碳的排放.
AMF菌丝数量的增加不仅能够显著提高土壤团聚
体稳定性,而且还能够促进植株对土壤中碳吸收和
贮存,降低陆地生态系统土壤中二氧化碳的排放,从
而有助于减缓全球气候变暖[14,56] .
4 展 望
GRSP 的提取及定量表征技术仍是限制人们深
入了解其在土壤中分布及环境功能的瓶颈.GRSP 的
提取方式已经过不断的改进,但目前的提取方法仍
不能从土壤中分离获得纯度较高的相关蛋白.另一
方面,虽然有研究表明 GRSP 由 N、C、H、O、P、Fe 等
元素组成,但目前对其具体组成、基团分布、空间构
型、结构特征等仍欠缺了解,这制约了人们对其在土
壤中分布及环境功能的深入了解.因此,如何获得相
对高纯度的 GRSP、认识其“真实面貌”、并将其用于
揭示 GRSP 迁移转化的机理,这将是今后研究的一
个重点.
由于与 GRSP 相关的分子生物学及生物化学方
面的研究缺乏,目前大多数有关 GRSP 的研究主要
局限于现象学研究,例如 GRSP 对外界环境及土壤
管理措施的响应等.今后有关 GRSP 研究应重视以
蛋白及其编码该蛋白的基因为基础,阐释 GRSP 在
土壤生态系统中的分子生物学作用及机制.
有关 GRSP 在土壤中环境功能的研究仍待加
强.特别需要指出的是,国内外有关 GRSP 对土壤中
有机污染物环境行为影响的研究仍几近空白.与重
金属相比,有机污染物的种类和数量更多.在我国,
2014年《全国土壤污染状况调查公告》 [82]中指出,
我国耕地土壤中六六六、滴滴涕、多环芳烃(PAHs)
的点位超标率分别达 0. 5%、1. 9%、1. 4%,农药、
PAHs等已成为土壤环境中多见的高风险污染物.土
壤有机质是有机污染物的主要“汇”,GRSP 则是土
壤有机质的重要组分.然而遗憾的是,国内外至今仍
少有有关 GRSP 影响土壤中有机污染物环境行为的
相关报道,该研究仍待开拓.
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作者简介 王 建,男,1987年生,博士研究生. 主要从事土
壤有机污染控制与修复研究. E⁃mail: wj308119@ sina.com
责任编辑 肖 红
王建, 周紫燕, 凌婉婷. 球囊霉素相关土壤蛋白的分布及环境功能研究进展. 应用生态学报, 2016, 27(2): 634-642
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