全 文 ：丛枝菌根共生体的氮代谢运输及其生态作用*
李元敬摇 刘智蕾摇 何兴元摇 田春杰**
(中国科学院东北地理与农业生态研究所区域农业中心, 长春 130102)
摘摇 要摇 丛枝菌根真菌能与 80%的陆生维管植物形成互惠共生关系,共生体的存在对促进植
物营养吸收和提高抗逆性具有重要意义.丛枝菌根真菌从宿主植物获取其光合产物碳水化合
物的同时,通过外生菌丝吸收各种氮源,有效增强了宿主植物对氮素的吸收,以及氮在植物居
群和群落水平上的交流,改善了植物营养代谢,增强了植物应对外界环境胁迫的能力.而共生
体对氮的吸收、转运,以及氮从真菌到宿主植物的传输、代谢机制至今仍有许多问题亟待解
决.本文综述了当前丛枝菌根共生体中氮传输代谢的主要机制,以及碳、磷对共生体氮传输代
谢的影响;从群落和生态系统水平,简要阐述了丛枝菌根真菌在植物中氮分配的作用和对宿
主植物的生态学意义,并提出共生体中氮代谢的一些需要深入研究的问题.
关键词摇 丛枝菌根真菌摇 氮摇 代谢途径摇 生态系统
文章编号摇 1001-9332(2013)03-0861-08摇 中图分类号摇 Q945. 12摇 文献标识码摇 A
Nitrogen metabolism and translocation in arbuscular mycorrhizal symbiote and its ecological
implications. LI Yuan鄄jing, LIU Zhi鄄lei, HE Xing鄄yuan, TIAN Chun鄄jie (Center of Agriculture,
Northeast Institude of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun
130102, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(3): 861-868.
Abstract: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can form mutually beneficial relations with more
than 80% of vascular plants, and the existence of the symbiote is of significance in promoting the
growth and stress tolerance of host plants. AMF can obtain the photosynthate carbohydrates from
host plants, and in the meantime, effectively promote the nitrogen (N) uptake by host plants via
the absorption of various N sources by mycorrhiza mycelia, resulting in the N exchange at population
or community level, the improvement of host plants nutrition and metabolism, and the strengthening
of the stress tolerance of host plants. However, there are still in debates in which ways the symbiote
absorbs and transfers N and what the mechanisms the N metabolism and translocation from AMF to
host plants. This paper reviewed the mechanisms of N metabolism and translocation in the symbiote
and the effects of carbon and phosphorous on the N metabolism and translocation. The roles of AMF
in the N allocation in host plants and the related ecological significance at community and ecosystem
levels were briefly elucidated, and some issues to be further studied on the N metabolism in the
symbiote were addressed.
Key words: arbuscular mycorrhizal fungi (AMF); nitrogen; metabolism pathway; ecosystem.
*中国科学院“百人计划冶项目和中国科学院东北地理与农业生态
研究所“12·4冶项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: tiancj@ neigae. ac. cn
2012鄄05鄄01 收稿,2012鄄12鄄18 接受.
摇 摇 丛枝菌根是自然界中丛枝菌根真菌(arbuscular
mycorrhizal fungi, AMF)和宿主植物之间形成的最
为普遍的一种共生形式,能与 80%的陆生维管植物
形成共生菌根[1-2] . 共生体的存在对促进宿主植物
营养吸收和提高植物抗逆性具有重要的意义. 丛枝
菌根真菌可以吸收水和矿质营养(氮、磷、硫以及锌
等),并传输给宿主植物;作为回馈,宿主植物将光
合作用合成的碳水化合物以己糖的形式输送给
AMF作为真菌的碳源[1,3-6] .而这种营养物质交换是
通过 AMF 定殖在植物皮层细胞内形成丛枝结构的
共生体来完成的[6] .这一过程可以有效地控制宿主
和真菌之间的养分平衡,达到最佳共生状态.这种共
生关系不仅增强了植物营养吸收能力,也提高了植
物抵抗生物及非生物胁迫的能力[4,7] .
丛枝菌根真菌的根外菌丝( extraradical myceli鄄
um, ERM)通过蔓延交错在土壤中形成大量的菌丝
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 3 月摇 第 24 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2013,24(3): 861-868
网,扩大了植物根系的面积范围,能够更加深入地吸
收土壤中的营养成分,然后转运给共生体,最后转运
至根部利用,有效提高了宿主植物对环境中营养元
素的吸收、转运[8-11] . 目前有关 AMF 吸收转运磷的
机制已有较多报道,在 AMF 代谢转运磷的机制,尤
其在其分子基础和基因调控方面取得了重要的成
果[12-14] .此外,在碳代谢方面,已运用分子生物学、
核磁共振及各种生化方法初步探讨了碳在共生体中
的流动方式[13,15] .
氮作为植物生长的重要营养元素,在自然环境
和农田生态系统中,特别是逆境条件下,是植物生长
的限制性元素[16] . AMF 同样可以通过根外菌丝吸
收环境中的 NO3 -、NH4 +和氨基酸,并把吸收的氮转
运给植物,增强植物氮营养.近年来,人们针对 AMF
吸收、转运氮的机制,运用生化、分子等手段对 AM
共生体中氮转运和传递的形态、AM 真菌体内 N 代
谢的新途径等进行了大量研究,取得了重要成
果[17-22],从而完善了氮代谢模型,加深了对 AMF 转
运和代谢氮内在机理的认识. 目前丛枝菌根真菌吸
收氮素的研究逐渐引起人们的重视, 成为一个新的
研究热点.一些研究者围绕着丛枝菌根共生体中氮
传输的机理机制做了很多工作,但仍有许多问题需
要进一步验证.比如,通过菌根真菌吸收的氮究竟是
主要氮源还是辅助氮源,氮代谢与磷代谢及碳代谢
的关系及其对宿主植物的生态学意义,以及氮流通
在群落、生态系统水平上对物质循环和生态维护的
重要意义等.
鉴于此,本文综述了 AMF共生体中的氮传输模
型,主要运输途径,AMF对氮的吸收、运转和代谢特
点,以及碳、磷等对氮代谢的影响.同时,从群落和生
态系统的水平着眼,简述丛枝菌根真菌对宿主植物
的生态学意义,该方面研究存在的问题及今后的工
作建议.
1摇 氮代谢模型及运输途径
1郾 1摇 氮吸收、转运、代谢模型
菌根植物可以通过植物根系和 AMF 根外菌丝
吸收氮素,其中菌丝吸收氮素占植物总氮的 30%左
右,说明菌丝体可能存在一套氮代谢系统.早期研究
发现,菌丝体内存在大量游离氨基酸. Smith 等[23]认
为,氨基酸或者氨基化合物可能是 AMF向植物传递
的氮形态. Bago等[15]在此基础上提出了丛枝菌根共
生体中氮从真菌到植物的运输机制的假设. 这一假
设是以特定氨基酸鄄精氨酸(Arg)为核心的.随后,大
量分子的、生化的,以及代谢的证据不断支持和完善
这一模型[24-25],特别是近期的丛枝菌根真菌氮代谢
途径上关键基因的克隆鉴定、定量表达,以及在15N
标记基础上的共生体中氮代谢通量分析等研究在很
大程度上完善了这一模型(图 1) [20] .该模型的基本
内容是:土壤中的无机氮(包括硝态氮和铵态氮)被
菌根真菌蔓延在土壤中的外生菌丝吸收以后,在外
生菌丝中首先转化为精氨酸,精氨酸从外生菌丝运
输到着生在宿主植物细胞内部的内生菌丝(intraradi鄄
cal mycelium, IRM)中,在内生菌丝中再发生从有机
到无机形式的氮转化而释放出铵态氮,最终传输给宿
主植物细胞供其利用. Jin 等[21-22]进一步完善了该模
型,提出了精氨酸在传输过程中的双向运转可能.
摇 摇 图 1 是菌根真菌共生体中氮素吸收、代谢和运
转模型[20] .根外菌丝吸收土壤中不同形态的氮素,
并通过一系列代谢转化反应生成精氨酸,精氨酸沿
着根外菌丝进入根内菌丝中分解释放出无机氮,无
机氮穿过根内菌丝进入宿主植株根系,继而被宿主
利用[20-22] .
1郾 2摇 氮代谢的主要运输途径
基于大量试验数据,氮在丛枝菌根共生体中传
图 1摇 丛枝菌根共生体中氮的吸收、代谢和运输模型[20]
Fig. 1摇 Working model of N uptake, metabolism and transfer in
the AM symbiosis[20] 郾
IRM:根内菌丝 Intraradical mycelium; ERM:根外菌丝 Extraradical my鄄
celium; Glu:谷氨酸 Glutamic acid; Gln:谷氨酰胺 Glutamine; Arg:精
氨酸 Arginine; Orn:鸟氨酸 Ornithine; Put:腐胺 Putrescine; Urea:尿
素 Urea; NT:硝酸盐离子泵 Nitrate transporter; GS:谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthetase; GluS: 谷氨酸合酶 Glutamate synthase; CPS:氨
基甲酰磷酸合成酶 Carbamoyl鄄phosphate synthase; ASS:精氨基琥珀酸
合成酶 Argininosuccinate synthase; AL:精氨酸代琥珀酸裂解酶 Argin鄄
osuccinate lyase; CAR:精氨酸酶 Arginase; ODC:鸟氨酸脱羧酶 Orni鄄
thine decarboxylase; OAT:鸟氨酸氨基转移酶 Ornithine aminotrans鄄
ferase; URE:脲酶 Urease郾 黑圆点代表代谢途径相关基因 Black dots
are metabolism related genes,虚线箭头代表与关键基因表达相关的代
谢调控 Dotted arrow are metabolism regulation related crucial genes ex鄄
pression郾
268 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
输的基本模型已经确立.这是一个无机-有机-无机
的转变过程[15] .从土壤中吸收的无机氮(氨态氮或
硝态氮)首先在真菌的作用下转化成有机的氨基
酸———精氨酸(Arg),并在菌丝体内运输,运输到内
生菌丝后释放出无机氮(铵态氮)给宿主植物细胞,
完成了传氮去碳的传递过程[20,24-25] . 在这一过程中
涉及了很多参与氮代谢的功能基因和酶. 目前在丛
枝菌根共生体中已经获得 20 多个氮代谢相关基因
(表 1),这些基因的鉴定更好地说明了氮的吸收代
谢转运途径,特别是菌根真菌根内球囊酶 (Glomus
intraradices)中大量的功能基因的表达分析和酶活
性的测定,以及氨态氮、硝态氮运输离子泵的鉴定,
在极 大 程 度 上 促 进 了 对 氮 传 输 机 制 的 理
解[20,24,26-28] .此外,在另外一种丛枝菌根真菌摩西球
內囊霉(Glomus mossae)中也鉴定出了谷氨酰胺合成
酶和氨基酸透性酶[29-30] .这为比较相近种间的运输
机制奠定了基础.
2摇 丛枝菌根共生体中氮的传输和代谢机理
2郾 1摇 丛枝菌根共生体中氮的吸收、同化
菌根真菌通过外生菌丝从土壤中吸收无机氮
(或者有机氮),并在外生菌丝中实现从氮的无机形
式到有机形式的转变. 作为真菌从土壤中吸收氮的
第一步反应,真菌的硝态氮、铵态氮运输离子泵的第
一反应是:随着环境中氮浓度的变化而在转录水平
上发生相应的变化.在根内球囊霉中发现、鉴定了一
个硝酸根离子泵,其转录水平上的基因表达会随着
外界硝酸盐水平的提高而上调,并且对硝酸根有着
高度的亲和性[20] .此外,在此真菌中也发现、鉴定了
1 个参与铵离子吸收的、高亲和性的铵离子泵[27] .
理论上,无论是植物还是真菌对矿质元素的吸收都
会有高度亲和性和低度亲和性的离子泵同时参与,
因而可以预期,在真菌中很有可能存在参与氮吸收
的低度亲和性的离子泵.
除此之外,丛枝菌根真菌还可以直接从环境中
吸收有机氮(如氨基酸) [25],或者通过分解有机物来
获得氮源,并把其储藏在菌丝体中[33] .例如,在摩西
球內囊霉中已经鉴定出了一个参与脯氨酸(Pro)运
输的透性酶 GmosAAP1,而且该酶对脯氨酸的运输
方式与pH及能量的多少息息相关,其转录水平会
表 1摇 丛枝菌根共生体中已经鉴定的氮代谢基因(包括来自于植物和真菌)
Table 1摇 Nitrogen metabolism genes identified in the arbuscular macorrhizal symbiosis ( including plants and fungi)
基因
Genes
来源物种
Resources
主要发现
Main findings
硝酸还原酶
Nitrate reductase
根内球囊霉、玉米 Glomus intraradices,
Zea mays
在 AM着生的根部,由硝酸还原酶代谢的亚硝酸
的生成主要依靠辅酶 NADPH; 菌根真菌的硝酸
还原酶的转录主要是发生在丛枝而不是泡囊[26]
谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthetase
摩西球內囊霉、根内球囊酶 G. mosseae,
G. intraradices
不同的氮处理对谷氨酰胺合成酶的调控主要发
生在转录后水平,而不是转录水平[29]
谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthetase
胡萝卜 Daucus carota 鉴定了来自胡萝卜的 3 个谷氨酰胺合成酶片
段[31]
谷氨酸合酶、铵离子泵、脲酶辅助蛋白 Glutamate
synthase, ammonium transporter, urease accessory
protein
根内球囊霉
G. intraradices
基因表达支持了同化的氮首先转化为精氨酸,然
后在真菌内部实现转移,并在植物细胞内释放铵
态氮[21]
铵离子泵
Ammonium transporter
根内球囊霉
G. intraradices
GintAMT1 参与了菌根真菌从环境中吸收铵态
氮[27]
氨基酸透性酶
Amino acid permease
摩西球內囊霉
G. mosseae
GmosAAP1 在氨基酸获得的第一步起着主要作
用,特别是对脯氨酸[30]
精氨酸酶、谷氨酰胺合成酶、鸟氨酸氨基转移酶、
精氨琥珀酸合成酶、铵离子泵 Arginase, Gluta鄄
mine synthetase, Ornithine aminotransferase,
Argininosuccinate synthase, Ammonium transporter
根内球囊酶、苜蓿 G. intraradices,
Medicaga truncatula
根据短序列片段设计 RT鄄PCR 引物,并以此检测
转录水平,包括在真菌根内球囊酶和宿主植物苜
蓿[28]
铵离子泵
Ammonium transporter
百脉根
Lotus japonicus
该离子泵在宿主细胞内部与真菌菌丝的空隙处
结合铵离子,并在植物植物细胞质内释放
NH3 [32]
谷氨酰胺合成酶 1,2、精氨琥珀酸合成酶、鸟氨
酸氨基转移酶 1、精氨酸酶、鸟氨酸脱羧酶、脲
酶、谷氨酸合酶、甲酰磷酸合成酶谷氨酰胺链、精
氨琥珀酸裂解酶 Glutamine synthetase 1,2, argin鄄
inosuccinate synthase, ornithine aminotransferase
1, arginase, ornithine decarboxylase, urease, glu鄄
tamate synthase, carbamoyl鄄phosphate synthase,
arginosuccinate lyase
根内球囊霉
G. intraradices
通过真菌实现的氮同化能够触发外生菌丝、内生
菌丝以及宿主植物本身的氮代谢基因的表达[20]
3683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李元敬等: 丛枝菌根共生体的氮代谢运输及其生态作用摇 摇 摇 摇 摇 摇
随着周围环境中氨基酸含量的增加而上调[30] .对于
其他可以直接从土壤中吸收的氨基酸来说,真菌中
也可能存在着相应的氨基酸透性酶,如精氨酸透性
酶[25] .
硝酸盐被外生菌丝吸收后,会在菌丝体内实现
从硝态氮到铵态氮的第一步转化. 其中两个关键
酶———硝酸还原酶和亚硝酸还原酶在这一过程中起
着重要作用. Guescini 等[34]在外生菌根真菌 Tuber
borchii中发现并鉴定出了硝酸和亚硝酸还原酶.
Kaldorf等[26]在根内球囊霉中发现了硝酸还原酶的
部分序列片段,并基于该片段做了基因表达的分析.
从硝态氮转化而来或者从土壤中直接吸收的铵态
氮,再经过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶(GS /
GOGAT)的联合作用,转化成有机的氨基酸. 此外,
需要 NAD(P)参与的谷氨酸脱氢酶途径也可能在这
一转化过程中起着重要的作用,但目前还需要更为
直接的证据加以证明.
Breuninger等[29]发现,在根内球囊霉和摩西球
內囊霉中,谷氨酰胺合成酶的调控发生在转录水平
上. Tian 等[20]进一步证实, 根内球囊霉中存在的谷
氨酰胺合成酶只是一个基因家族中的一员,并定义
为 GiGS1. 该基因与另一个家族成员 GiGS2 一起发
挥着功效,并在不同的氮浓度下,通过转录水平上的
调控来实现二者之间的协调配合. 这两个基因之间
功能上的分工和互补,在基因表达和酶动力学分析
中也得到了验证. 同时,酶活分析也表明,两个酶对
底物谷氨酸都具有较低的 Km值,意味着 GS / GOGAT
途径在较低的氮浓度条件下也能发挥作用[20] .
2郾 2摇 丛枝菌根共生体中氮的代谢和转运
无机氮在外生菌丝中同化为有机氮,继而转化
成精氨酸,并以精氨酸的形式传送到内生菌丝中.在
内生菌丝中,精氨酸首先通过鸟氨酸循环的分解途
径释放 NH4 +和鸟氨酸,NH4 +再通过 AMT 蛋白迅速
地转移给植物根细胞,保持根内菌丝中低水平的
NH4 +,而参与转移的碳在内生菌丝中以某一形态返
回外生菌丝,继续参与代谢,释放出的 NH4 +转移给
植物供其生长.这是氮在共生体中传输的第二步.在
此过程中,GS鄄GOGAT 途径和鸟氨酸循环的联合作
用保障了氮素在菌丝和根系之间的持续转移. 精氨
酸作为鸟氨酸循环中的重要中间产物,能在外生菌
丝和内生菌丝之间快速地转变为其他形态,通过酶
的催化快速地转化分解,进而释放 NH4 +,而以无机
氮 NH4 +的形态向宿主提供氮能控制碳的流出,节省
了碳的消耗.这对 AMF 自身也有很重要的意义. 而
氮的同化和 NH4 +的释放过程单靠 GS鄄GOGAT 途径
是无法实现的.
在真菌根内球囊霉参与氮代谢的主要途径———
脲循环中,除了鸟氨酸氨甲酰鄄转氨酶尚未报道之
外,其他关键酶都已经鉴定. 利用实时定量 PCR 技
术证明,在外生菌丝中,精氨酸合成途径上的基因会
随着谷氨酰胺或谷氨酸的积累而表达水平上调. 相
反,在内生菌丝中参与精氨酸分解的基因(包括精
氨酸酶、脲酶和鸟氨酸氨基转移酶,以及鸟氨酸脱羧
酶)会随着精氨酸从外生菌丝到内生菌丝的不断运
输而表达下调[20] .这进一步证实了共生体中以精氨
酸为中心的从外生菌丝到内生菌丝的氮的转运,尽
管在内生菌丝中形成的鸟氨酸的最终去向还需要
探明.
丛枝菌根真菌着生在宿主细胞内的丛枝、泡囊
和植物皮层细胞之间的空隙是氮在两者之间传输的
重要区域[35] .真菌的铵离子泵会把铵态氮托运到此
空隙[19,23],然后植物的铵离子泵发挥作用,把植物
和真菌共生质体界面处的 NH4 +转运到植物细胞内
部,然后再在植物细胞内释放出铵态氮[27,34] . 氮代
谢的调控由不同的信号途径联合发挥作用,这与磷
吸收的调控模式相类似[36] .着生在植物细胞内的真
菌菌丝中的氮代谢基因,其表达水平的调控不但与
细胞内积累的氮的多少有关,也与代谢途径中的一
些中间产物有关[20] .此外,与酿酒酵母(Saccharomy鄄
ces cerevisiae)相比,菌根真菌的氮代谢物调控方式
(NMC)在丛枝菌根外生菌丝中明显不同.高浓度的
精氨酸没有下调精氨酸合成基因的表达,反而提高
了其表达水平;而在酿酒酵母中,其结果是下调的.
这意味着丛枝菌根真菌中的代谢物调控可能与宿主
植物的分泌物或者其他化学产物的参与相关,也可
能是植物和真菌之间氮利用率的不同所致[37] .
3摇 丛枝菌根共生体氮代谢与碳、磷代谢的交互作用
AM真菌通过与宿主植物的营养交换形成互惠
共生关系,AMF 外生菌丝吸收氮、磷等营养物质传
输给宿主植物,而 AMF 不能进行光合作用,宿主植
物将碳水化合物传递给 AMF.通过这种碳氮交互作
用,宿主植物通过光合作用,使空气中更多的碳固定
在植物和真菌中;宿主植物向 AMF传输的碳以脂质
体三酰基甘油的形式储存在泡囊中,三酰基甘油再
沿着菌丝由内生菌丝向外生菌丝运输,为外生菌丝
提供碳源,而 AMF 在利用碳源增强菌根生长的同
时,促进了植物对土壤氮等营养物质的吸收.有研究
468 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表明,AM共生体中氮的吸收转运是由宿主植物运
输给真菌的碳流引发的[38] . 提高空气中的 CO2分
压,可以促进 AM真菌对土壤氮的吸收,从而改善植
物寄主的氮素营养[39] . Olsson 等[40]研究表明,菌根
真菌的氮水平决定了真菌碳流量的分配.由此可见,
虽然 AMF 与植株的碳氮交互作用存在分歧,但
AMF氮代谢和碳代谢有着密切联系,真菌和植物间
的碳、氮交互关系控制着二者的营养传递.
磷是植物生长发育的必需营养元素之一. AMF
外生菌丝可以将无机磷转化为多聚磷酸盐,以多聚
磷酸盐(polyP)的形式运输到内生菌丝中.内生菌丝
中的 polyP 通过水解释放无机磷(Pi)到菌根细胞
中,进而将 Pi传递给宿主植物. 而多聚磷水解释放
的能量,增强了氮代谢载体精氨酸从外生菌丝到内
生菌丝的转运. 尽管多聚磷 polyP 中被电离的磷离
子不需要 Arg+的作用[41],但是并不能排除精氨酸和
磷的结合作用以及二者的协同运输,因为精氨酸很
容易在相同摩尔无机磷或短链的多聚磷酸盐溶液中
溶解.试验表明,AMF 能够显著提高宿主植物对土
壤磷的吸收,增加植物氮素营养[42] . 但高磷条件抑
制了 AM 真菌菌根的形成和 ERM 的伸长,使 AMF
外生菌丝对外源氮的吸收能力下降,降低了内生菌
丝向宿主植物传递氮的能力,从而影响 AM 真菌的
整个氮代谢途径.
无论在自然还是受干扰条件下,菌根真菌对宿
主植物的侵染率都与氮、磷的水平相关[43] .通常,营
养缺乏条件下,菌根真菌的生长和发育更容易获得
不同程度的提高[44] .例如,当磷素供应不足时,菌根
真菌对宿主植物氮吸收的促进效果最为显著. 菌根
真菌的菌丝的生理、形态会受到外界无机氮源的多
少和种类的影响. 同时,根际微生物或者根系分泌
物,以及一些次生代谢产物也在菌根真菌的生长和
发育过程中起着重要的调节作用[45] .这意味着菌根
真菌对宿主植物氮吸收的影响不但与外界氮源有
关,也与菌根真菌自身的种类,以及根际伴生菌的种
类和数量有关.因此,根据不同的立地条件,结合宿
主植物的种类,鉴定相应的菌根真菌及其伴生菌,对
促进丛枝菌根共生体在农业生产中的应用具有重要
的意义.
4摇 丛枝菌根促进植物之间氮转移
AMF可以通过菌根网络与植物形成共生体,改
善植物个体营养[46],增强宿主应对外界胁迫的能
力[47] .而植物根系间通过 AM 真菌的根外菌丝形成
的连接植物的菌丝桥,为不同植物间养分的转移提
供了一条直接途径. 菌根通过菌丝可以将某种植物
多余的氮、磷运输到其周围的植物. 由此可见,菌根
真菌的存在对宿主植物个体的氮吸收发挥着作用,
而且对加强居群、群落水平上的植物间的氮交流也
发挥着功效.例如,由于大量菌丝体的纽带作用,氮
可以从固氮豆科树木上传送到相邻的草本植物或作
物上,其传递的氮量可以达到草类植物含氮总量的
2郾 5% [48-49] .不同植物间氮的转移取决于彼此间氮
的源鄄库的动态平衡[49],而这一传输也会通过氮的
再分配调整植物间营养平衡,改变植株种群的竞争
能力,反过来影响植被特征.同理,除了氮之外,菌根
真菌网络也可以看作是磷、碳及其他营养元素的储
存库.而这些营养元素的多少又会通过影响菌根真
菌的数量和种类(即多样性),实现群落水平上的营
养元素再分配的调节,进而影响到植物种内和种间
的竞争[50] .不同土壤条件以及不同碳、氮水平条件
下菌丝体的丰富程度,也间接地说明菌根真菌参与
了生态系统中氮的再分配[51] . AMF 在氮和磷的吸
收上具有重要意义. 菌根的氮营养效应也表明了在
自然生态系统中,AMF菌丝桥在植物间养分传递及
生态系统养分循环中的重要作用.
5摇 丛枝菌根真菌在植物氮代谢过程中的生态作用
目前,AMF共生体的氮运输代谢机制研究不断
深入,其在宿主植物氮循环过程中的生态作用也愈
发重要. AMF与植物共生形成共生体. 在植物个体
水平上,AMF通过与植物共生形成的菌根网络增强
氮代谢,改善植物营养;在种群水平和生态系统中,
AMF通过错综复杂的菌根网络改变植物间的营养
平衡,驱动土壤营养循环[52],影响植物间的竞争关
系[53],使物种生态位发生位移,并最终导致生态系
统水平上的变化. 因此,其在植物种群建立、群落竞
争、物种多样性,以及群路空间分布格局中均具有重
要的调节作用[54-55],对整个生态系统产生重要的
影响.
菌根与宿主植物共生体形成过程与环境中的氮
有关[56-57],而固氮的根瘤则是在宿主植物菌根共生
体基础之上形成的.对于菌根菌和固氮菌来说,尽管
在宿主范围上不同,但它们之间共享着一定的分子
机制[58] .某些宿主植物特定的遗传基因无论是对菌
根共生还是根瘤共生都有着重要的调控功能.比如,
固氮菌根植物百脉根( Lotus corniculatus)中的两种
质体蛋白 CASTOR 和 POLLUX,在菌根真菌和固氮
5683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李元敬等: 丛枝菌根共生体的氮代谢运输及其生态作用摇 摇 摇 摇 摇 摇
菌的侵染并进入植物细胞的过程中都发挥着关键性
的作用[59] .对于固氮菌来说,在根瘤的形成过程中,
磷和硫是两个关键的营养元素,对根瘤的发育和固
氮能力至关重要.而丛枝菌根与植物形成的共生体
增强营养吸收,保证了根瘤菌所需的矿质元素[60] .
这在一定程度上促进了固氮菌和菌根植物尽可能地
形成联合共生[58] .而丛枝菌根与根瘤菌协同进化关
系在丛枝菌根真菌、固氮菌和宿主植物之间的协调
作用,以及整个生态系统的氮循环过程中具有重要
作用.
总之,AMF与植物形成的菌根共生体在生态系
统中广泛分布.作为生态系统的重要组成部分,AMF
的种群丰度影响着植物种群丰富度、群落多样性和
群落结构,AMF 菌丝体通过建立植物种间的联系,
调节着生态系统中氮素等的营养循环,而 AMF多样
性及其与根际微生物的拮抗或竞争,同样直接或间
接地影响着植物群落多样性和生态系统功能.
6摇 问题与展望
目前,AM 真菌共生体中氮的代谢和运输传递
的分子机制已经取得了重大的进展.利用分子、生化
等手段对氮的吸收和代谢的研究,揭示了氮的吸收
特点、转运载体,以及氮同化分解的新途径,使氮代
谢模型得到补充和完善,加深了对 AMF转运代谢氮
的内在机理的认识. 越来越多的研究关注菌根真菌
对宿主植物的生态作用,及其在自然、农田生态系统
中的应用.但是目前仍然有一些问题需要进一步研
究,主要包括:1)精氨酸是如何转运的? 从无机氮
到有机氨基酸(精氨酸)的转化,进而再转化为无机
的铵态氮的过程,是菌根共生体中氮传输和代谢的
主要变化.但在丛枝菌根共生体氮的运输中,精氨酸
是以怎样的方式实现从外生菌丝到内生菌丝的运
转,目前还不是很明了. 有证据表明,精氨酸的运转
是和多聚磷绑定到一起的,而多聚磷可以在泡囊或
者液泡中自由移动. 但两者的协同运输机制直到目
前还不是很清楚. 2)除了精氨酸以外,还有其他形
式的氮参与运输吗? 尽管试验证明,精氨酸在外生
菌丝中占有绝对的丰度,15N 标记试验也证实了它
的确是转运过程中的主要有机氮[25] . 也有证据表
明,硝态氮也可以直接从外生菌丝传输到内生菌丝,
并且可能在内生菌丝中进一步被真菌的硝酸、亚硝
酸还原酶还原为氨态氮,或者被硝酸离子泵直接托
运给宿主植物细胞供其利用. 但是硝态氮的直接运
输所占的比重,以及运输到内生菌丝中的硝态氮的
最终命运如何(还原、转化还是储存),还需要进一
步的论证.此外,氨也可以通过自由扩散或是铵离子
泵的运送直接从外生菌丝运输到内生菌丝,进而传
输给植物皮层细胞[61] . 然而,还没有直接的证据来
验证氨从外生菌丝到内生菌丝的直接运输,以及这
种运输的可能比重.总而言之,除了精氨酸为主导的
氮运输方式外,其他的运输方式所占的比例以及在
不同条件下的可能性还需要进一步探索. 第三,氮、
磷和碳之间的交互作用如何? 虽然氮、磷和碳之间
相互作用影响着共生体中的营养传递,但其交互作
用及控制营养传递机理仍需深入探讨,而且 AMF在
吸收氮素和影响植物种间营养交流传递过程的信号
转导途径还不清楚,其在生态系统中氮循环的作用
也不明了.这些都需要进一步的试验来论证.
近年来,随着 RNA干扰和定向诱导基因组局部
突变等反向遗传学技术的成熟,以及激光捕获显微
技术的利用,有效促进了共生细胞中的特定基因表
达的分析.与此同时,各种模式植物基因组测序工作
的展开、越来越多的植物氮代谢基因突变体的利用,
也会对共生体中的氮传输机理研究起到重要的促进
作用.
参考文献
[1] 摇 Campos鄄Soriano L, Sequndo BS. New insights into the
signaling pathways controlling defense gene expression
in rice roots during the arbuscular mycorrhizal symbio鄄
sis. Plant Signaling & Behavior, 2011, 6: 553-557
[2]摇 He XH, Duan YH, Chen YL, et al. A 60鄄year journey
of mycorrhizal research in China: Past, present and fu鄄
ture directions. Science China Life Sciences, 2010, 53:
1374-1398
[3]摇 Zhao S鄄Q (赵淑清), Tian C鄄J (田春杰), He X鄄Y
(何兴元 ). Mycorrhizal research on nitrogen鄄fixing
plants. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态
学报), 2000, 11(2): 306-310 (in Chinese)
[4] 摇 Pozo MJ, Azc仵n鄄Aguilar C. Unraveling mycorrhiza in鄄
duced resistance. Current Opinion in Plant Biology,
2007, 10: 393-398
[5]摇 Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: The mother of plant
root endosymbioses. Nature Reviews Microbiology,
2008, 6: 763-775
[6]摇 Bonfante P, Genre A. Mechanisms underlying beneficial
plant鄄fungus interactions in mycorrhizal symbiosis. Na鄄
ture Communications, 2010, 1: 48-52
[7]摇 Zhao P鄄J (赵平娟), An F (安摇 锋), Tang M (唐摇
明). Effects of arbuscular mycorrhiza fungi on drought
resistance of Forsythia suspensa. Botanica Boreali鄄Occi鄄
dentalia Sinica (西北植物学报), 2007, 27(2): 396-
399 (in Chinese)
[8]摇 Wu Q鄄S (吴强盛), Xia R鄄X (夏仁学), Hu Z鄄J (胡
668 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
正嘉). Effects of arbuscular mycorrhiza on drought tol鄄
erance of Poncirus trifoliata. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2005, 16 (3): 459 -463
(in Chinese)
[9]摇 Tong R鄄J (仝瑞建), Yang X鄄H (杨晓红), Li D鄄Y
(李东彦). Effects of interspecies difference of arbuscu鄄
lar mycorrhizal fungi on Citrus grandis cv. Changshou
Shatian You seedlings vegetative growth and mineral
contents. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生
态学报), 2006, 17(7): 1229-1233 ( in Chinese)
[10]摇 Sun Y (孙摇 玥), Quan X鄄K (全先奎), Jia S鄄X (贾
淑霞), et al. Effects of nitrogen fertilization on ectomy鄄
corrhizal infection of first order roots and root morpholo鄄
gy of Larix gmelinii plantation. Chinese Journal of Ap鄄
plied Ecology (应用生态学报), 2007, 18(8): 1727-
1732 ( in Chinese)
[11]摇 Liu J (刘 摇 洁), Liu J (刘 摇 静), Jin H鄄R (金海
如). Advancement in arbuscular mycorrhizal fungi爷 s N
and C metabolism. Journal of Microbiology (微生物学
杂志), 2011, 31(6): 70-75 (in Chinese)
[12]摇 Javot H, Pumplin N, Harrison MJ. Phosphate in the ar鄄
buscular mycorrhizal symbiosis: Transport properties
and regulatory roles. Plant, Cell and Environment,
2007, 30: 310-322
[13]摇 Landis FC, Fraser LH, A new model of carbon and
phosphorus transfers in arbuscular mycorrhizas. New
Phytologist, 2007, 177: 466-479
[14]摇 Wang S鄄G (王曙光), Lin X鄄G (林先贵), Shi Y鄄Q
(施亚琴). Effects of arbuscular mycorrhiza on resist鄄
ance of plants to environmental stress. Chinese Journal
of Ecology (生态学杂志), 2001, 20(3): 27-30 ( in
Chinese)
[15]摇 Bago B, Pfeffer PE, Shachar鄄Hill Y. Carbon metabo鄄
lism and transport in arbuscular mycorrhiza. Plant Phys鄄
iology, 2000, 124: 949-957
[16]摇 Jackson LE, Burger M, Cavagnaro TR. Roots, nitrogen
transformations, and ecosystem services. Annual Review
of Plant Biology, 2008, 59: 341-363
[17] 摇 Govindarajulu M, Pfeffer PE, Jin HR, et al. Nitrogen
transfer in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Na鄄
ture, 2005, 435: 819-823
[18]摇 Jin HR, Pfeffer PE, Douds DD, et al. The uptake, me鄄
tabolism, transport and transfer of nitrogen in an arbus鄄
cular mycorrhizal symbiosis. New Phytologist, 2005,
168: 687-696
[19]摇 Cruz C, Egsgaard H, Trujillo C, et al. Enzymatic evi鄄
dence for the key role of arginine in nitrogen transloca鄄
tion by arbuscular mycorrhizal fungi. Plant Physiology,
2007, 144: 782-792
[20]摇 Tian CJ, Kasiborski B, Koul R, et al. Regulation of the
nitrogen transfer pathway in the arbuscular mycorrhizal
symbiosis: Gene characterization and the coordination of
expression with nitrogen flux. Plant Physiology, 2010,
153:1175-87
[21]摇 Jin HR. Arginine bi鄄directional translocation and break鄄
down into ornithine along the arbuscular mycorrhizal my鄄
celium. Science China Life Sciences, 2009, 52: 381 -
389
[22]摇 Jin HR, Liu J, Liu J, et al. Forms of nitrogen uptake,
translocation, and transfer via arbuscular mycorrhizal
fungi: A review. Science China Life Sciences, 2012,
55: 355-364
[23]摇 Smith SE, Gianinazzi鄄Pearson V, Koide R, et al. Nutri鄄
ent transport in mycorrhizas: Structure, physiology, and
consequences for efficiency of the symbiosis. Plant and
Soil, 1994, 159: 103-113
[24]摇 Govindarajulu M, Pfeffer PE, Jin HR, et al . Nitrogen
transfer in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Na鄄
ture, 2005, 435: 819-823
[25]摇 Jin H, Pfeffer PE, Dou ds DD, et al. The uptake, me鄄
tabolism, transport and transfer of nitrogen in an arbus鄄
cular mycorrhizal symbiosis. New Phytologist, 2005,
168: 687-696
[26]摇 Kaldorf M, Schmelzer E, Bothe H. Expression of maize
and fungal nitrate reductase genes in the arbuscular my鄄
corrhiza. Molecular Plant鄄Microbe Interactions, 1998,
11: 439-448
[27]摇 L仵pez鄄Pedrosa A, Gonz觃lez鄄Guerrero M, Valderas A, et
al. GintAMT1 encodes a functional high鄄affinity ammo鄄
nium transporter that is expressed in the extraradical
mycelium of Glomus intraradices. Fungal Genetics and
Biology, 2006, 43: 102-110
[28]摇 Gomez SK, Javot H, Deewatthanawong P, et al. Medi鄄
cago truncatula and Glomus intraradices gene expression
in cortical cells harboring arbuscules in the arbuscular
mycorrhizal symbiosis. BMC Plant Biology, 2009, 9:
10
[29]摇 Breuninger M, Trujillo CG, Serrano E, et al. Different
nitrogen sources modulate activity but not expression of
glutamine synthetase in arbuscular mycorrhizal fungi.
Fungal Genetics and Biology, 2004, 41: 542-552
[30]摇 Cappellazzo G, Lanfranco L, Fitz M, et al. Character鄄
ization of an amino acid permease from the endomycor鄄
rhizal fungus Glomus mosseae. Plant Physiology, 2008,
147: 429-437
[31]摇 Higashi K, Shiota H, Kamada H. Patterns of expression
of the genes for glutamine synthetase isoforms during so鄄
matic and zygotic embryogenesis in carrot. Plant and
Cell Physiology, 1998, 39: 418-424
[32]摇 Guether M, Neuhauser B, Balestrini R, et al. A mycor鄄
rhizal鄄specific ammonium transporter from Lotus japoni鄄
cus acquires nitrogen released by arbuscular mycorrhizal
fungi. Plant Physiology, 2009, 150: 73-83
[33]摇 Hodge A, Fitter AH. Substantial nitrogen acquisition by
arbuscular mycorrhizal fungi from organic material has
implications for N cycling. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2010, 107: 13754-13759
[34]摇 Guescini M, Zeppa S, Pierleoni R, et al. The expres鄄
sion profile of the Tuber borchii nitrite reductase suggests
its positive contribution to host plant nitrogen nutrition.
Current Genetics, 2007, 51: 31-41
[35]摇 Pumplin N, Harrison MJ. Live鄄cell imaging reveals
periarbuscular membrane domains and organelle location
7683 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李元敬等: 丛枝菌根共生体的氮代谢运输及其生态作用摇 摇 摇 摇 摇 摇
in Medicago truncatula roots during arbuscular mycorrhi鄄
zal symbiosis. Plant Physiology, 2009, 151: 809-819
[36]摇 Harrison MJ. Development of the arbuscular mycorrhizal
symbiosis. Current Opinion in Plant Biology, 1998, 4:
360-365
[37]摇 ter Schure EG, van Riel NAW, Verrips CT. The role of
ammonia metabolism in nitrogen catabolite repression in
Saccharomyces cerevisiae. FEMS Microbiology Reviews,
2000, 24: 67-83
[38]摇 Fellbaum CR, Gachomo EW, Beesetty Y, et al. Carbon
availability triggers fungal nitrogen uptake and transport
in arbuscular mycorrhizal symbiosis. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of
America, 2012, 109: 2666-2671
[39] 摇 Gamper H, Hartwig UA, Leuchtmann A. Mycorrhizas
improve nitrogen nutrition of Trifolium repens after 8 yr
of selection under elevated atmospheric CO2 partial pres鄄
sure. New Phytologist, 2005, 167: 531-542
[40]摇 Olsson PA, Burleigh SH, Van Aarle IM. The influence
of external nitrogen on carbon allocation to Glomus in鄄
traradices in monoxenic arbuscular mycorrhiza. New
Phytologist, 2005, 168: 677-686
[41]摇 Smith SE, Smith FA. Roles of Arbuscular mycorrhizas
in plant nutrition and growth: New paradigms from cel鄄
lular to ecosystem scales. Annual Review of Plant Biolo鄄
gy, 2011, 62: 227-250
[42]摇 Ezawa T, Smith SE, Smith FA. Differentiation of
polyphosphate metabolism between the extr鄄 and in鄄
traradical hyphase of arbuscular mycorrhizal fungi. New
Phytologist, 2001, 149: 555-563
[43] 摇 Javelle A, Andre B, Marini AM, et al. High鄄affinity
ammonium transporters and nitrogen sensing in mycor鄄
rhizas. Molecular Micorbiology, 2003, 47: 411-430
[44]摇 Jackson LF, Miller D, Smith SE. Arbuscular mycorrhi鄄
zal colonization and growth of wild and cultivated lettuce
in response to nitrogen and phosphorus. Scientia Horti鄄
culturae, 2001, 94: 205-218
[45]摇 Gryndler M, Hrselov佗 H, Cajthaml T, et al. Influence
of soil organic matter decomposition on arbuscular my鄄
corrhizal fungi in terms of asymbiotic hyphal growth and
root colonization. Mycorrhiza, 2009, 19: 255-266
[46] 摇 Leigh J, Hodge A, Fitter AH. Arbuscular mycorrhizal
fungi can transfer substantial amounts of nitrogen to their
host plant from organic material. New Phytologist,
2008, 181: 199-207
[47]摇 Cartmill AD, Valdez鄄Aguilar LA, Bryan DL, et al. Ar鄄
buscular mycorrhizal fungi enhance tolerance of vinca to
high alkalinity in irrigation water. Scientia Horticultu鄄
rae, 2008, 115: 275-284
[48]摇 Sierra J, Nygren P. Transfer of N fixed by a legume tree
to the associated grass in a tropical silvopastoral system.
Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38: 1893-1903
[49]摇 Jalonen R, Nygren P, Sierra J. Transfer of nitrogen from
a tropical legume tree to an associated fodder grass via
root exudation and common mycelial networks. Plant,
Cell and Environment, 2009, 32: 1366-1376
[50]摇 Frey鄄Klett P, Garbaye J, Tarkka M. The mycorrhiza
helper bacteria revisited. New Phytologist, 2007, 176:
22-36
[51]摇 Wilson GW, Rice CW, Rillig MC, et al. Soil aggrega鄄
tion and carbon sequestration are tightly correlated with
the abundance of arbuscular mycorrhizal fungi: Results
from long鄄term field experiments. Ecology Letters,
2009, 12: 452-461
[52]摇 Hodge A, Fitter AH. Substantial nitrogen acquisition by
arbuscular mycohhizal fungi from organic material has
implications for N cycling. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2010, 107: 13754-13759
[53]摇 Liang Y (梁摇 宇), Guo L鄄D (郭良栋), Ma K鄄P (马
克平). The role of mycorrhizal fungi in ecosystems. Ac鄄
ta Phytoecologica Sinica (植物生态学报), 2002, 26
(6): 739-745 (in Chinese)
[54] 摇 van der Heijden MGA, Horton TR. Socialism in soil?
The importance of mycorrhizal fungal networks for facili鄄
tation in natural ecosystems. Journal of Ecology, 2009,
297: 1139-1150
[55]摇 Liu Y鄄J (刘永俊), Zheng H (郑摇 红), He L (何摇
雷), et al. Seasonal variation and related affecting fac鄄
tors of arbuscular mycorrhizal fungi in Carrcgana kor鄄
shinskii roots. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2009, 20(5): 1085-1091 (in Chinese)
[56] 摇 Provorov NA, Borisov, AY, Tikhonovich IA. Develop鄄
mental genetics and evolution of symbiotic structures in
nitrogen鄄fixing nodules and arbuscular mycorrhiza. Jour鄄
nal of Theoretical Biology, 2002, 214: 215-232
[57]摇 Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: The mother of plant
root endosymbioses. Nature Reviews, 2008, 6: 763 -
775
[58]摇 Wang S鄄H (王树和), Wang C (王摇 昶), W X鄄J (王
晓娟), et al. Molecular basics of tripartite symbiosis
formed by rhizobia, arbuscular mycorrhizal (AM) fungi
and legumes. Chinese Journal of Applied and Environ鄄
mental Biology (应用与环境生物学报), 2008, 14
(5): 721-725 (in Chinese)
[59]摇 Imaizumi鄄Anrakun H, Takeda N, Charpentier M, et al.
Plastid proteins crucial for symbiotic fungal and bacterial
entry into plant roots. Nature, 2005, 433: 527-531
[60]摇 Liu W鄄K (刘文科), Feng G (冯摇 固), Li X鄄L (李晓
林). Effects of inoculation with different AM isolates on
the maize growth and P uptake in acidic soil. Chinese
Journal of Eco鄄agriculture (中国生态农业学报),
2006, 14(2): 116-118 (in Chinese)
[61]摇 Chalot M, Blaudez D, Brun A. Ammonia: A candidate
for nitrogen transfer at the mycorrhizal interface. Trends
in Plant Science, 2006, 11: 263-266
作者简介摇 李元敬,男,1983 年生,硕士.主要从事微生物代
谢、土壤微生物与植物营养方面的研究. E鄄mail: liyuanjing@
neigae. ac. cn
责任编辑摇 李凤琴
868 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷