廖德華，劉俊麗，劉健健，楊曉峰，陳 瀟，顧 冕，陳愛群

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

植物激素響應(yīng)和調(diào)控叢枝菌根共生研究進(jìn)展

廖德華，劉俊麗，劉健健，楊曉峰，陳 瀟，顧 冕，陳愛群*

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

【目的】叢枝菌根是土壤中的叢枝菌真菌（arbuscular mycorrhizal, AM）與大多數(shù)陸地植物根系形成的互惠共生體。叢枝菌根的形成過程是一系列信號交換和轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)果，受到很多基因的程序化表達(dá)調(diào)控。植物激素作為重要的信號物質(zhì)被證實能夠參與調(diào)控植物與AM真菌的互作過程。本文簡述了植物激素在調(diào)控叢枝菌根形成的作用機理，為激素調(diào)控叢枝菌根形成的研究與應(yīng)用提供理論線索。【主要進(jìn)展】外源施加低濃度的生長素和脫落酸能夠促進(jìn)叢枝菌根共生,而外源施加赤霉素能夠顯著抑制叢枝菌根中叢枝的形成；內(nèi)源缺失赤霉素，脫落酸以及油菜素內(nèi)酯會抑制叢枝菌根共生；茉莉酸合成突變體推遲叢枝菌根形成；獨腳金內(nèi)酯合成、轉(zhuǎn)運以及受體突變體都會抑制叢枝菌根共生；生長素以及脫落酸受體表達(dá)量降低會抑制叢枝菌根共生。但是生長素信號受體的降低表達(dá)不僅能夠顯著抑制叢枝菌根的形成還能顯著抑制叢枝細(xì)胞的正常發(fā)育，而植物脫落酸信號受體表達(dá)降低突變體中叢枝細(xì)胞發(fā)育正常。【研究展望】激素如何調(diào)控叢枝菌根共生的研究仍處于起步階段。隨著轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)（如Crispr/cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的基因敲除技術(shù)）的快速發(fā)展以及通過菌根植物的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)和代謝組數(shù)據(jù)的挖掘，叢枝菌根共生中的眾多科學(xué)問題以及與其他植物-微生物互作系統(tǒng)等問題都將一一得到解答。

叢枝菌根；共生；植物激素；調(diào)控

叢枝菌根是屬于球囊菌門(Glomeromycota)的叢枝菌根 (arbuscular mycorrhizal, AM) 真菌與植物根系形成的互惠共生體[1–2]，是自然界中存在最為廣泛的陸生共生體。地球上 80%以上的陸生植物 (除十字花科、黎科、石竹科、莎草科和少數(shù)形成排根的豆科類植物外) 都可以與土壤中不同種類的 AM 真菌共生形成叢枝菌根[3]。叢枝菌根的形成被認(rèn)為是植物根系與 AM 真菌經(jīng)過漫長時間協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。從已發(fā)現(xiàn)的植物化石記錄推測，叢枝菌根的共生起源至少發(fā)生在 4 億年以前[4]。

AM 真菌與宿主植物間的互惠共生關(guān)系主要體現(xiàn)在形成叢枝菌根后植物根系可以通過 AM 真菌大量的根外菌絲數(shù)十倍地擴展在土壤中的吸收空間，增加對土壤中養(yǎng)分 (主要是 P 和 N) 的吸收利用；作為交換，植物將多達(dá) 20% 的光合產(chǎn)物用于供給 AM 真菌生長繁殖，以維持兩者的共生關(guān)系[5–8]。宿主向根系輸送光合產(chǎn)物的過程也增加了根系細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) (如可溶性糖) 的有效濃度，從而增強宿主植物對多種環(huán)境脅迫，如鹽害、干旱的抵御能力[9]。AM 真菌對根系的侵染還能誘導(dǎo)宿主植物獲得系統(tǒng)性抗性，從而減輕病原菌對植株的侵害[10]。由此可見，叢枝菌根共生已經(jīng)成為高等植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的重要進(jìn)化機制之一。叢枝菌根共生過程的研究有助于深入理解叢枝菌根的作用機理，為 AM 真菌的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。在過去十年中，叢枝菌根研究學(xué)者在叢枝菌根共生體如何建立的機理性研究方面已經(jīng)取得了大量進(jìn)展，其中植物激素作為重要的信號分子被證實在調(diào)控植物與 AM 真菌互作過程中起重要的作用。本文以叢枝菌根的共生過程和植物激素為視角，簡要綜述了各種植物內(nèi)源激素在響應(yīng)和調(diào)控叢枝菌根共生方面的最新研究進(jìn)展。

1 叢枝菌根共生的建立及信號調(diào)控途徑

不同種類 AM 真菌和不同植物根系之間形成叢枝菌根共生的過程是非常一致的。叢枝菌根共生體的建立起始于植物根系普遍分泌的“分枝因子” (主要為獨腳金內(nèi)酯化合物) 誘導(dǎo)土壤中 AM 真菌孢子萌發(fā)和分枝，并向植物根系附近延伸[11–12]。與此同時，AM 真菌也向根際釋放出被稱為“叢枝菌根因子”的信號物質(zhì) (包括硫化的脂殼寡聚糖、非硫化的脂殼寡聚糖和殼寡聚糖等)[13–14]。植物在識別 AM 真菌分泌的叢枝菌根因子后會激活一個保守的共生信號途徑(common symbiosis signaling pathway)[15]。菌絲與宿主根部接觸以后，并不會立即進(jìn)入宿主的細(xì)胞，而是在其根表先形成一個稱為附著枝 (菌足) 的結(jié)構(gòu)，同時在相應(yīng)位置的根表皮細(xì)胞會發(fā)生骨架結(jié)構(gòu)變化。AM 真菌的菌絲體侵入到根系表皮細(xì)胞以及皮層細(xì)胞，并在根組織內(nèi)部增殖蔓延。叢枝菌根共生的一個重要特征就是菌絲體侵入到皮層細(xì)胞，并經(jīng)過多次分枝形成叢枝結(jié)構(gòu) (圖 1)，包圍叢枝的是由宿主質(zhì)膜產(chǎn)生的環(huán)叢枝膜結(jié)構(gòu) (peri-arbuscular membrane)[16]。叢枝被認(rèn)為是宿主植物與 AM 真菌進(jìn)行養(yǎng)分交換的主要場所，AM 真菌與宿主之間的物質(zhì)和信號交換主要發(fā)生在環(huán)叢枝膜與 AM 真菌質(zhì)膜之間約 100 nm寬的質(zhì)外體中[17]。

近年來，通過圖位克隆、突變體功能研究和比較基因組分析在蒺藜苜蓿、百脈根和水稻等模式植物中克隆/鑒定到多個叢枝菌根共生信號傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵基因 (簡稱共生基因)，如兩個編碼核孔蛋白的基因 NUP85 和 NUP133、兩個編碼陽離子通道蛋白的基因 CASTOR 和 POLLUX (也稱為 DMI1)、一個編碼富含亮氨酸重復(fù)序列的類受體激酶的基因SYMRK (DMI2)、一個編碼鈣/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶基因 (DMI3/CCaMK) 以及與之互作的功能未知的基因 CYCLOPS (IPD3)[18]。最近的研究還報道了幾個處于該信號途徑下游的 GRAS 家族的轉(zhuǎn)錄因子NSP1、NSP2、RAM1 和 RAD1[19–23](圖 2)。這些基因的功能缺失或?qū)е?AM 真菌的菌絲體侵入宿主皮層細(xì)胞受阻，或?qū)е虏荒苄纬烧５膮仓Y(jié)構(gòu)[24–25]。其中部分基因也被證實參與調(diào)控豆科植物根瘤的形成，如將蒺藜苜蓿中的 3 個 DMI 基因中任何一個突變均導(dǎo)致其不能形成正常的叢枝菌根和根瘤[18,26]。研究還發(fā)現(xiàn)，水稻 DMI3 (OsCCaMK) 基因能夠恢復(fù)蒺藜苜蓿 dmi3 突變體形成正常叢枝菌根和根瘤的能力[27]。生物信息學(xué)分析顯示 DMI3 是植物特有的基因，在動物、微生物以及在不能形成叢枝菌根共生的擬南芥中都沒有發(fā)現(xiàn)其同源基因存在[28–29]，由此推斷在植物長期的進(jìn)化過程中 DMI3 以及此類共生基因的丟失是擬南芥等非叢枝菌根植物喪失叢枝菌根共生能力的一個內(nèi)在因素。

圖1 叢枝菌根共生的形成過程[95]Fig. 1 The establishment of arbuscular mycorrhizal symbiosis[95]

圖2 叢枝菌根共生信號途徑[15]Fig. 2 The signaling pathway associated with arbuscular mycorrhizal symbiosis[15]

2 植物激素在叢枝菌根共生過程中的調(diào)控

叢枝菌根形成過程的復(fù)雜性決定了 AM 真菌與宿主植物之間需要進(jìn)行持續(xù)的信號交流。植物激素作為重要的信號分子已被證明在調(diào)控植物與微生物(根瘤菌、AM 真菌、病原菌等) 互作過程中起重要的作用。

2.1 獨角金內(nèi)酯

獨角金內(nèi)酯是一類倍半萜烯化合物，也是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新型分枝抑制激素[30]。獨角金內(nèi)酯幾乎存在于所有的植物中，主要在根中被合成，雖然其具體的合成途徑還不很清楚，但對幾種植物突變體材料的遺傳分析表明，獨角金內(nèi)酯的生物合成起源于 MEP (2-C-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphate)途徑，以類胡蘿卜素為前體進(jìn)行合成[31]。目前已經(jīng)有多個酶被證實參與到獨角金內(nèi)酯的生物合成，包括β-胡蘿卜素異構(gòu)酶 D27 (Dwarf 27)、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶(carotenoid cleavage dioxygenase) CCD7 (MAX3/ RMS5/HTD1/D17) 和 CCD8 (MAX4/ RMS1/DAD1/ D10) 和細(xì)胞色素 P450 單加氧酶 (Cyt P450, MAX1) (圖 3)。

在侵染發(fā)生之前，植物根系分泌的獨角金內(nèi)酯化合物能夠刺激 AM 真菌孢子萌發(fā)和強烈分枝，以增加菌絲接觸植物根系的機會[31–32]。目前已經(jīng)從很多植物的根中分離出獨角金內(nèi)酯，與之合成相關(guān)的基因也被發(fā)現(xiàn)存在于所有被研究的高等植物中。研究表明，獨角金內(nèi)酯的生物合成受到叢枝菌根和根瘤共生信號途徑中的兩個轉(zhuǎn)錄因子 NSP1 (Nodulation Signaling Pathway1) 和 NSP2 調(diào)控[20–22,33–35]。這兩個基因在豆科植物和非豆科植物中的功能相對比較保守，且 NSP1 在百脈根等植物的叢枝菌根中被誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)[22]。苜蓿和水稻 nsp1 突變體中獨角金內(nèi)酯不能被合成，而 NSP2 在調(diào)控蒺藜苜蓿植物體內(nèi)列當(dāng)醇向二脫氫列當(dāng)醇 (豆科植物中主要的獨角金內(nèi)酯產(chǎn)物)轉(zhuǎn)化過程中起重要作用[36]。在百脈根中突變NSP1顯著抑制 AM 真菌菌絲對根系的侵入，早期侵染階段受到抑制[22]。在苜蓿中雙突變 NSP1 和 NSP2 能夠下調(diào)獨角金內(nèi)酯合成途徑中β-類胡蘿卜素異構(gòu)酶編碼基因 CCD7 的表達(dá)水平，從而降低根系分泌獨腳金內(nèi)酯含量的分泌，導(dǎo)致抑制 AM 真菌孢子的萌發(fā)并顯著降低 AM 真菌 (G. intraradices) 對苜蓿的侵染強度[36]。在苜蓿、豌豆和水稻等植物中突變或抑制獨角金內(nèi)酯合成途徑中的 CCD7 (RMS5/D17) 和 CCD8 (PsRMS1/D10)，獨角金內(nèi)酯的生物合成也受到抑制，其濃度在這些基因的突變體中往往低于可檢測水平[11,37–39]。與之對應(yīng)的是，AM 真菌對 ccd7 和 ccd8突變體的侵染也顯著降低，而外源施加獨角金內(nèi)酯人工合成類似物 GR24 能夠恢復(fù) AM 真菌對這些突變體的正常侵染[11]。盡管目前尚未明確獨角金內(nèi)酯是如何在植物體內(nèi)進(jìn)行運輸，但對矮牽牛中一個 ABC (ATP-binding cassette transport family) 轉(zhuǎn)運體 PDR1的突變體功能研究發(fā)現(xiàn)，PDR1 可能行使獨角金內(nèi)酯外運體的功能。pdr1 突變體根系分泌獨角金內(nèi)酯含量降低，其 AM 真菌侵染率與野生型對照相比也顯著降低，并呈現(xiàn)出侵染延遲[40]。值得注意的是，盡管在這些基因的突變體中 (ccd7、ccd8 和 pdr1) AM 真菌侵染率受到顯著抑制，但 AM 真菌對根系并沒有表現(xiàn)出異常的侵染過程。因此推測，這些突變體AM 真菌侵染率降低可能是由于根系合成和分泌獨腳金內(nèi)酯的缺失抑制了 AM 真菌的活性所引起。

圖3 獨腳金內(nèi)酯合成途徑[95]Fig. 3 The biosynthesis pathway of strigolactones[95]

除了上述負(fù)責(zé)獨角金內(nèi)酯合成和轉(zhuǎn)運的基因外，最近還在水稻、擬南芥、豌豆等植物中鑒定到獨角金內(nèi)酯代謝途徑中的幾個相關(guān)基因 D3 (MAX2、RMS4)、D14 (DAD2、AtD14) 和 D53。D3 編碼一類 F-box 蛋白，通過形成 SCF (Skp1-Cullin-F-box) 蛋白復(fù)合體，參與蛋白泛素化并介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解[41]。D14 編碼一個α-β水解酶家族蛋白質(zhì)，參與獨角金內(nèi)酯途徑信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[42]。D53 可能編碼一個Ⅰ類 Clp ATPase 類似的核蛋白，扮演獨角金內(nèi)酯信號的抑制因子的角色[43–44]。在獨角金內(nèi)酯存在條件下，D53 與 D14、D3 互作，形成 D53-D14-SCFD3 蛋白復(fù)合體。D53 蛋白被泛素化，進(jìn)而特異地被蛋白酶體降解，從而誘導(dǎo)下游目標(biāo)基因?qū)Κ毥墙饍?nèi)酯信號的響應(yīng)[45](圖 3)。最近的研究表明，D3 在維持叢枝菌根共生過程中起非常關(guān)鍵的作用。AM 真菌對水稻 d3 突變體的侵染在早期階段受到阻礙，菌絲在根系表面能夠形成附著胞，但對根系的侵入被限制在表皮細(xì)胞，菌絲中出現(xiàn)隔膜結(jié)構(gòu)，并極少能侵入到皮層細(xì)胞中形成叢枝。在 d3突變體中一些受叢枝菌根共生誘導(dǎo)表達(dá)的基因被顯著下調(diào)[46]。另一實驗室在對豌豆 D3 突變體 rms4 的研究中也觀察到類似的 AM 真菌侵染率和叢枝豐度降低的結(jié)果[39]。有意思的是，盡管水稻 d3 和 d14 突變體地上部都呈現(xiàn)出矮化多分蘗的表型，且都對獨角金內(nèi)酯不敏感，但 AM 真菌對水稻d14突變體的侵染 (AM 真菌侵染率和叢枝豐度) 并沒有受到抑制；相反，接種 AM 真菌 G.intraradices (4 周) 和 G. margarita (5 周) 后，d14 與野生型對照相比顯示出更高的的 AM 真菌侵染率[46]，暗示了 D14 可能不直接參與到叢枝菌根的共生過程。水稻 d53 突變體對獨角金內(nèi)酯也不敏感，目前尚沒有直接證據(jù)證明 D53是否能夠參與調(diào)控叢枝菌根的共生過程。

2.2 生長素

生長素作為植物中的一種重要的內(nèi)源激素已被證明在植物生長發(fā)育的各個階段都起重要的作用，其中包括參與調(diào)控植物根系發(fā)育以及植物-微生物(如病原真菌) 的互作過程。一系列的研究結(jié)果顯示，形成叢枝菌根后，植物根系內(nèi)源生長素濃度會顯著增加[47–51]。Meixner 等 (2005，2007) 通過大豆分根實驗證實，在接種 AM 真菌后的叢枝菌根根部的IAA(吲哚乙酸，Indole-3-acetic acid)濃度與對照相比有顯著增加，而在不接種 AM 真叢枝菌根部的 IAA濃度則沒有顯著增加[48,52]。Etemadi 等 (2014) 利用人工合成的生長素響應(yīng)啟動子 DR5 驅(qū)動 GUS 報告基因在番茄叢枝菌根中的表達(dá)結(jié)果顯示，DR5 啟動子能夠驅(qū)動 GUS 報告基因在形成叢枝的細(xì)胞中大量表達(dá)，進(jìn)一步證實 AM 真菌對植物根系的侵入能夠誘導(dǎo)生長素在被侵入細(xì)胞中的積累[60]。Hanlon 等 (2010)對兩個番茄生長素相關(guān)突變體研究發(fā)現(xiàn)，在溫室接種 AM 真菌培養(yǎng)條件下，無論是生長素響應(yīng)不敏感突變體 dgt，還是生長素極性運輸超活性突變體 pct的 AM 真菌侵染率與野生型相比都略有降低，但在兩個突變體被侵染的根段中內(nèi)生菌絲、叢枝和泡囊都能夠正常發(fā)育，暗示了生長素信號參與了叢枝菌根共生的起始過程[94]。Etemadi 等 (2014) 研究發(fā)現(xiàn)，采用低濃度的生長素類似物 2, 4-D 在不影響根系發(fā)育的基礎(chǔ)上能夠提高番茄、苜蓿和水稻中的 AM 真菌侵染率，特別是叢枝菌根中的叢枝形成豐度，表明了生長素同樣能夠參與調(diào)控叢枝菌根共生的后期過程[60]。

植物可以通過生長素合成、降解、轉(zhuǎn)運等途徑控制內(nèi)源生長素的含量和動態(tài)平衡。James (2008) 等報道了兩個苜蓿生長素水解酶基因 MtIAR33 與MtIAR34 在叢枝菌根中被顯著誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)[51]。對近年來公布的植物叢枝菌根轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析也發(fā)現(xiàn)，一些參與生長素代謝或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因在叢枝菌根中能夠被強烈誘導(dǎo)表達(dá)[53–58]。本實驗室前期在番茄中鑒定到一個受外源生長素 IAA 和叢枝菌根共生共同誘導(dǎo)強烈表達(dá)的 GH3(Grethen Hagen 3)家族基因 SlGH3.4。該基因編碼的蛋白被預(yù)測為生長素氨?；铣擅福饕呋杂蓱B(tài)的 IAA 與部分氨基酸結(jié)合形成結(jié)合態(tài)的 IAA，從而能夠調(diào)節(jié) IAA 在植物體內(nèi)的動態(tài)平衡。在沒有生長素誘導(dǎo)或不接種 AM真菌的植物中幾乎不表達(dá)。利用該基因的啟動子驅(qū)動 GUS 報告基因的研究方法證實，該基因在 IAA 誘導(dǎo)下主要在根尖和根系成熟區(qū)的中柱和皮層細(xì)胞表達(dá)；而在接種 AM 真菌的根系中主要在含有叢枝的皮層細(xì)胞中表達(dá)[59]。最近本實驗室在煙草中克隆到該基因的直系同源基因 NtGH3.4，在煙草中超表達(dá)該基因能夠顯著降低轉(zhuǎn)基因植株根系中自由態(tài) IAA 的含量，并抑制 AM 真菌對煙草根系的侵染，導(dǎo)致大量發(fā)育不完全或畸形的叢枝出現(xiàn) (未發(fā)表數(shù)據(jù))。在番茄、水稻與苜蓿中超表達(dá)一個調(diào)控生長素受體TIR1 和 AFB 的 miR393 能夠顯著降低 AM 真菌侵染率，并抑制菌絲在侵入細(xì)胞中的分枝，從而產(chǎn)生發(fā)育不良或畸形的叢枝形態(tài)[60]。這些結(jié)果表明了生長素在植物體內(nèi)的動態(tài)平衡對于維持叢枝菌根的正常共生起到至關(guān)重要的作用。

植物中的各類激素雖然都可以獨立行使其生物學(xué)功能，但在調(diào)節(jié)植物的某一生長發(fā)育過程往往是由多種激素協(xié)同作用完成[33]。施加外源生長素被證實能夠誘導(dǎo)豌豆、水稻和擬南芥中編碼獨腳金內(nèi)酯合成途徑的 CCD7 (D17/MAX3) 和 CCD8 (D10/MAX4)的上調(diào)表達(dá)。Foo 等 (2013) 對一個生長素缺陷型豌豆突變體bsh生理功能的研究，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，bsh突變體地上部和根系中的生長素濃度分別要低 15 倍和 3 倍。與之對應(yīng)的是，bsh 突變體中獨腳金內(nèi)酯合成途徑中 CCD8 的表達(dá)被抑制，根系的分泌獨腳金內(nèi)酯顯著降低，其 AM 真菌侵染率和叢枝形成豐度也被受到顯著抑制。外源施加獨腳金內(nèi)酯類似物只能夠部分恢復(fù) bsh 突變體的 AM 真菌侵染率，揭示了生長素能夠通過控制根系中獨腳金內(nèi)酯的水平對叢枝菌根共生形成的早期階段進(jìn)行調(diào)控[61]。

2.3 赤霉素

赤霉素作為一種重要的植物內(nèi)源激素廣泛參與了植物生長發(fā)育以及應(yīng)對生物和非生物脅迫的調(diào)控過程。早期曾有研究報道 AM 真菌能夠產(chǎn)生赤霉素，在被 AM 真菌侵染的植物根系中赤霉素會顯著積累[62]?；蛐酒投勘磉_(dá)結(jié)果分析顯示，番茄、苜蓿和水稻等植物中的一些與赤霉素合成相關(guān)或信號途徑中的基因 (如赤霉素-3β-雙加氧酶編碼基因GAGA3-ox) 在叢枝菌根中被誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)[53,63]。赤霉素在植物體內(nèi)的活性濃度受到合成和降解途徑的協(xié)同調(diào)節(jié)。最近對一個豌豆赤霉素合成突變體 na-1 的叢枝菌根侵染指標(biāo)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，na-1 突變體叢枝菌根中的叢枝豐度較野生型增加 40%，叢枝與根內(nèi)菌絲的比例也要顯著高于野生型[67]。外源施加赤霉素能夠顯著抑制 WT 和突變體 na-1 中的叢枝形成豐度以及叢枝與根內(nèi)菌絲的比例，暗示了植物體內(nèi)赤霉素信號能夠負(fù)調(diào)控叢枝菌根共生。與此結(jié)論相一致的是，外源施加赤霉素對豌豆、水稻和苜蓿等植物的叢枝菌根共生具有明顯的抑制作用[64–65]。

GRAS 轉(zhuǎn)錄因子家族的 DELLA 蛋白被認(rèn)為處于赤霉素信號調(diào)控途徑的中心位置。DELLA 蛋白能夠負(fù)調(diào)控赤霉素信號，在活性赤霉素存在條件下，DELLA 與赤霉素受體 GID1 發(fā)生互作，并被泛素化途徑降解，進(jìn)而激活赤霉素信號途徑下游基因表達(dá)[65]。最近對水稻、豌豆和苜蓿中 DELLA 介導(dǎo)的叢枝菌根共生效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，水稻 DELLA 突變體slr1，豌豆 DELLA 雙突變體 la/cry-s 以及苜蓿雙突變體 della1/della2 均表現(xiàn)出不同程度的叢枝菌根共生缺陷[64–65,67]。與野生型相比，豌豆 la/cry-s 雙突變體根系中只能形成較少的叢枝和根內(nèi)菌絲。與此結(jié)果類似的是，接種 AM 真菌的水稻 slr1 突變體，其根內(nèi)菌絲和叢枝豐度也顯著降低，但菌絲在根表形成附著枝并不受影響。在水稻中超表達(dá) SLR1/DELLA 對叢枝菌根共生具有顯著促進(jìn)效應(yīng)。水稻 DELLA 蛋白能夠與另一個 GRAS 蛋白 DIP1 (DELLA Interacting Protein 1) 互作。DIP1 被證實又能夠通過與先前報道的叢枝菌根共生信號途徑中的 GRAS 轉(zhuǎn)錄因子RAM1 相互作用參與對叢枝菌根共生的調(diào)控[64]。苜蓿中存在三個 DELLA 基因，苜蓿雙突變體 della1/della2雙突變體的叢枝菌根中幾乎觀察不到有叢枝形成，但與野生型以及豌豆和水稻 DELLA 的突變體相比，苜蓿 della1/della2 雙突變體的根內(nèi)菌絲在皮層中的生長并沒有受到顯著影響。令人意外的是，MtDELLA1主要在維管組織和內(nèi)皮層中表達(dá)，在被 AM 真菌菌絲侵染的細(xì)胞中表達(dá)很低，且叢枝菌根共生對其表達(dá)水平?jīng)]有顯著影響，暗示了 DELLA 對叢枝形成的影響可能是間接的。Floss 等 (2013) 將 MtDELLA1蛋白的 DELLA 結(jié)構(gòu)域缺失，使其失去對赤霉素響應(yīng)而不被降解，但保留抑制赤霉素信號的功能域，創(chuàng)造了一個顯性的赤霉素不敏感的 DELLA 突變基因della1-Δ18。將該突變基因轉(zhuǎn)入到 della1/della2 中可以恢復(fù)該雙突變體叢枝菌根中叢枝的正常形成和發(fā)育。值得注意的是，苜蓿 della1/della2 雙突變體中一些叢枝菌根共生信號途徑 (圖 2) 中的基因 (如 NSP1和 NSP2) 的表達(dá)也顯著下調(diào)。有意思的是，共生信號途徑中 CYCLOPS/IPD3 功能的缺失也同樣會導(dǎo)致菌絲能夠侵入皮層，但叢枝形成受阻。將 della1-Δ18通過 CaMV35S 組成型啟動子驅(qū)動轉(zhuǎn)入到苜蓿cyclops/ipd3 突變體中也能夠恢復(fù)該突變體叢枝菌根中的叢枝正常形成[65]。這些結(jié)果暗示了 DELLA 蛋白不但可以通過調(diào)控赤霉素信號影響叢枝菌根共生，還可以參與到對叢枝菌根共生信號途徑的調(diào)控。最近有研究還發(fā)現(xiàn)，水稻 DELLA/SLR1 能夠與獨角金內(nèi)酯代謝途徑中的 D14 互作，暗示了赤霉素和獨角金內(nèi)酯信號途徑能夠協(xié)同調(diào)控叢枝菌根的共生[42]。

盡管此前大多數(shù)的研究報道都認(rèn)為赤霉素對叢枝菌根共生具有負(fù)調(diào)控作用，而 Takeda 等 (2015) 的研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素對于維持叢枝菌根共生具有多效性[68]。一方面，外源施加赤霉素能夠抑制 AM 真菌菌絲對宿主根系的侵入，并抑制叢枝菌根共生信號途徑中兩個 RAM 轉(zhuǎn)錄因子 (Reduced Arbuscular Mycorrhization) RAM1 和 RAM2 的表達(dá) (RAM1 和RAM2 被證實在菌絲對根系侵染和叢枝形成過程在起重要作用)。另一方面，抑制赤霉素的生物合成或信號途徑同樣能夠影響宿主根系的叢枝菌根發(fā)育。抑制赤霉素的生物合成能夠降低根內(nèi)菌絲的分枝，并抑制一個受叢枝菌根共生誘導(dǎo)、維持叢枝菌根正常共生所必需的枯草桿菌蛋白酶類似的絲氨酸蛋白酶基因 SbtM1 (subtilisin-like serine protease1) 的表達(dá)水平。外源施加 GA 能夠恢復(fù)根內(nèi)菌絲在細(xì)胞中的分枝和 SbtM1 的表達(dá)水平，證明了植物根系內(nèi)源赤霉素缺乏的信號也能夠?qū)仓采a(chǎn)生抑制效應(yīng)。這些結(jié)果也暗示了赤霉素信號對叢枝菌根共生不僅具有負(fù)調(diào)控作用，也能夠通過與叢枝菌根共生信號互作，對叢枝菌根共生起促進(jìn)作用。

2.4 脫落酸

脫落酸作為關(guān)鍵的非生物脅迫信號，能夠廣泛參與植物的非生物脅迫反應(yīng)。最近研究結(jié)果表明，脫落酸在 AM 真菌對植物的侵染過程中也起到非常重要的調(diào)控作用。大豆和玉米在形成叢枝菌根后其根系脫落酸含量會顯著增加，但對于所增加的脫落酸究竟是來源于 AM 真菌還是宿主植物并不清楚[48,69]。對一個番茄脫落酸合成突變體 sitiens 的叢枝菌根侵染效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，盡管在該突變體中還殘留一定濃的脫落酸，但該突變體根系的叢枝菌根侵染頻率、侵染強度以及叢枝的發(fā)育和功能都受到顯著降低[70–71]。外源施加脫落酸可以恢復(fù) sitiens 突變體叢枝菌根的正常發(fā)育。這些結(jié)果暗示了脫落酸在叢枝菌根共生過程中能夠起到直接的正調(diào)控作用。有意思的是，雖然叢枝菌根和根瘤兩個不同的共生系統(tǒng)能夠共享部分信號調(diào)控途徑，但研究發(fā)現(xiàn)脫落酸在根瘤發(fā)育過程中可能起負(fù)調(diào)控作用[72]。由于番茄sitiens 以及其它一些脫落酸缺失突變體 (如 notabilis)或轉(zhuǎn)基因材料中乙烯的合成能夠被顯著誘導(dǎo)增加，暗示了脫落酸還可以通過抑制乙烯信號途徑間接參與叢枝菌根共生的調(diào)控過程[73]。

最近對苜蓿脫落酸信號途徑中一些相關(guān)基因的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫落酸信號受體復(fù)合物 PP2A 中的一個亞基 PP2AB’1 既能夠響應(yīng)叢枝菌根共生信號，也能夠響應(yīng)外源脫落酸信號。表達(dá)分析顯示，PP2AB’1基因的表達(dá)水平與 AM 真菌侵染率具有較好的正相關(guān)性。在苜蓿中抑制該基因的表達(dá)或突變該基因能夠顯著降低 AM 真菌對苜蓿根系的侵入，但在被侵入的根段中根內(nèi)菌絲和叢枝能夠正常形成。外源施加脫落酸不能恢復(fù) pp2aB’1 突變體的叢枝菌根共生缺陷，暗示了脫落酸介導(dǎo)的叢枝菌根共生的正調(diào)控效應(yīng)依賴于 PP2AB’1[74]。

2.5 茉莉酸

茉莉酸作為重要信號分子能夠廣泛參與植物的生長發(fā)育和應(yīng)對脅迫 (如損傷和病菌侵入) 的系統(tǒng)性響應(yīng)過程[75]。早期研究報道，AM 真菌對大麥、苜蓿和黃瓜等植物根系的侵入能夠誘導(dǎo)宿主根系內(nèi)茉莉酸含量的增加[48,76–77]。一些茉莉酸合成相關(guān)基因 (如丙二烯氧化合酶編碼基因 AOS 和丙二烯氧化合酶編碼基因 AOC) 也被發(fā)現(xiàn)能夠在形成叢枝的細(xì)胞中特異性表達(dá)[78]。但到目前為止，對于茉莉酸是否能夠直接調(diào)控叢枝菌根共生還沒有定論。近年來一系列的研究發(fā)現(xiàn)，外源施加茉莉酸或其衍生物對不同植物的叢枝菌根共生具有不同的調(diào)控效應(yīng)，其結(jié)果受到很多因素的影響，其中包括茉莉酸的施加劑量、植物品種、接種時間和營養(yǎng)條件等。如 Regvar 等 (1996)研究發(fā)現(xiàn)，外源施加低濃度 (5 μM) 的茉莉酸對大蒜叢枝菌根共生有明顯的促進(jìn)效應(yīng)[79]；而另一實驗室發(fā)現(xiàn)，施加高濃度 (0.05～5 mM) 的茉莉酸能夠抑制旱金蓮和番木瓜根系的 AM 真菌侵染率[80]。

此外，多個實驗室的研究結(jié)果顯示，通過脅迫或基因操作等手段改變植物內(nèi)源茉莉酸的濃度能夠顯著影響叢枝菌根共生。Landgraf 等 (2012) 通過反復(fù)對苜蓿植株造成傷害增加其內(nèi)源茉莉酸水平能夠顯著促進(jìn) AM 真菌對苜蓿根系的侵染效率[81]。Isayenkov等 (2005) 發(fā)現(xiàn)，抑制苜蓿中茉莉酸合成途徑中丙二烯氧化合酶編碼基因 AOC 的表達(dá)，能夠顯著降低轉(zhuǎn)基因苜蓿植株中內(nèi)源 JA 的濃度，并推遲其叢枝菌根共生過程和抑制叢枝在叢枝菌根中的形成[82]，暗示了茉莉酸在叢枝菌根共生過程中可能具有正調(diào)控效應(yīng)。與此結(jié)論相一致的是，番茄茉莉酸合成突變體spr2 的 AM 真菌侵染率顯著降低，該缺陷能夠被外源施加甲基茉莉酮酸酯恢復(fù)[83]。但令人意外的是，Herrera-Medina 等 (2008) 發(fā)現(xiàn)番茄茉莉酸不敏感突變體 jai-1 與野生型相比卻擁有更高的 AM 真菌侵染率，并且外源施加甲基茉莉酮酸酯能夠顯著抑制野生型植株根系的 AM 真菌侵染率[70]。

2.6 水楊酸、油菜素內(nèi)酯、乙烯和細(xì)胞分裂素

水楊酸作為一種重要內(nèi)源信號分子被證實能夠協(xié)同調(diào)節(jié)植物的抗病防衛(wèi)反應(yīng)，因此也被推測能夠響應(yīng)叢枝菌根共生過程[84]。研究發(fā)現(xiàn)，AM 真菌對植物的侵入能夠誘導(dǎo)水楊酸在宿主植物中短暫 (侵染的早期階段) 積累[85]。外源施加水楊酸到水稻根部不影響 AM 真菌在水稻根表形成附著枝，但能延遲叢枝菌根的早期共生過程[85]。Herrera-Medina 等 (2003) 研究發(fā)現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)基因途徑抑制 (超表達(dá)來源于細(xì)菌的水楊酸羥化酶) 或增加 (組成型表達(dá)水楊酸生物合成酶) 煙草內(nèi)源活性水楊酸的濃度能夠顯著影響 AM 真菌對煙草根系的侵染和叢枝菌根共生[86]。有意思的是，在接種 G. intraradices 菌種條件下，轉(zhuǎn)基因植物內(nèi)源活性 SA 濃度與根系侵染率和叢枝形成豐度呈顯著的負(fù)相關(guān)效應(yīng)；而在接種 G. intraradices 菌種條件下，轉(zhuǎn)基因植物內(nèi)源活性水楊酸濃度的改變能夠影響 AM 真菌對根系的侵染進(jìn)度，但并不影響最終的根系侵染率和侵染強度[86]。由于缺乏更多的與水楊酸合成或響應(yīng)相關(guān)的突變體的實驗證據(jù)，對于植物內(nèi)源水楊酸水平與叢枝菌根共生的因果關(guān)系還有待進(jìn)一步確定。

油菜素內(nèi)酯幾乎能夠和所有植物激素互作，并協(xié)同調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育和應(yīng)對各種生物和非生物脅迫的響應(yīng)過程[87]。但目前對于番茄油菜素甾醇是否能夠參與響應(yīng)和參 與調(diào)控叢枝菌根共生的研究還相對較少。Foo 等 (2013) 對一個豌豆油菜素內(nèi)酯合成缺陷突變體 lkb 的研究發(fā)現(xiàn)，盡管該突變體中的油菜素甾醇濃度只有野生型中的一半，但其根系 AM 真菌侵染率與野生型相比并沒有顯著差異[67]。最近對番茄中一個油菜素內(nèi)酯合成突變體 dx的 AM 真菌侵染效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，接種 AM 真菌 (R.irregularis) 八周后，該突變體根系的叢枝菌根侵染頻率與野生型相比顯著降低。該實驗室還發(fā)現(xiàn)，抑制番茄中的一個定位于環(huán)叢枝膜上的蔗糖轉(zhuǎn)運體 SlSUT2 表達(dá)能夠顯著促進(jìn) AM 真菌對番茄根系的侵染。通過酵母雙雜交和雙分子熒光互補技術(shù)證明 SlSUT2 能夠和油菜素內(nèi)酯合成和信號途徑中的兩個蛋白 (SlBAKL 和 SlMSBP1)互作，暗示了 SlSUT2 能夠通過油菜素內(nèi)酯介導(dǎo)的信號途徑負(fù)調(diào)控植物的叢枝菌根共生過程[88]。

通過對番茄乙烯過量產(chǎn)生突變體 epinastic 叢枝菌根侵染效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，該突變體的根系叢枝菌根侵染強度受到顯著抑制[89–90]。Torres de Los Santos 等(2011) 對另一個抑制番茄成熟突變體 rin (ripening inhibitor) 的叢枝菌根侵染效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，與對照相比，該突變體根系叢枝菌根侵染的各項指標(biāo) (包括AM 真菌侵染率、侵染強度和叢枝豐度) 都顯著增加，暗示了乙烯對菌根共生具有負(fù)調(diào)控效應(yīng)[90]。由于RIN 基因被鑒定為一個調(diào)控乙烯產(chǎn)生的 MADS-box類型的轉(zhuǎn)錄因子，暗示了番茄植物能夠通過乙烯介導(dǎo)的 RIN 途經(jīng)調(diào)控叢枝菌根共生過程。

早期的研究發(fā)現(xiàn)，被 AM 真菌侵染的植物中的細(xì)胞分裂素濃度會顯著上升，但對于增加的細(xì)胞分裂素究竟是由 AM 真菌產(chǎn)生還是由宿主植物應(yīng)激產(chǎn)生并不清楚[62,91–92]。最近利用苜蓿細(xì)胞分裂素不敏感突變體 cre1 的研究結(jié)果表明，細(xì)胞分裂素可能在叢枝菌根發(fā)育中不扮演重要作用[93]。

綜上所述，盡管近年來對于植物激素響應(yīng)和調(diào)控叢枝菌根共生的分子機制方面研究有了一定程度的進(jìn)展，但鑒于植物激素在植物體內(nèi)的作用方式和其本身信號調(diào)控途徑的復(fù)雜性，目前的研究工作對于真正解析叢枝菌根共生過程中各種激素的作用地位以及相互之間存在的互作還有很長的路要走。本綜述在此對各種激素參與叢枝菌根共生的互作效應(yīng)作出總結(jié) (表 1)，期望從事該研究領(lǐng)域的專家學(xué)者能夠從中發(fā)掘和凝練更深層次的科學(xué)問題，以促進(jìn)該研究領(lǐng)域的更快發(fā)展。

表1 不同植物激素對叢枝菌根形成的影響Table 1 Effect of different phytohormones on arbuscular mycorrhiza formation

3 結(jié)語

植物激素作為信號分子參與調(diào)控叢枝菌根的共生過程已成為叢枝菌根研究學(xué)者的共識。但由于植物體內(nèi)激素的含量 (包括植物內(nèi)源產(chǎn)生的和 AM 真菌產(chǎn)生的) 非常低，且不同激素之間在調(diào)控植物的各種生理過程以及植物與微生物互作過程中存在著普遍的互作效應(yīng)。因此，對于激素如何調(diào)控叢枝菌根共生的研究也只是個開始。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù) (如 Crispr/cas9 系統(tǒng)介導(dǎo)的基因敲除技術(shù)) 的快速發(fā)展，我們相信在不久的將來，通過對雙子葉和單子葉菌根植物的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)和代謝組數(shù)據(jù)的挖掘以及對菌根共生條件下激素合成、代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中相關(guān)基因進(jìn)行系統(tǒng)性研究，叢枝菌根共生中的眾多科學(xué)問題，比如激素信號與叢枝菌根共生信號的互作機制，菌根共生信號途徑在單子葉和雙子葉植物中保守性，以及與其它植物-微生物互作系統(tǒng)之間相關(guān)性等，都將得到一一解析。

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Advances in the response and modulation of phytohormones on arbuscular mycorrhizal symbiosis

LIAO De-hua, LIU Jun-li, LIU Jian-jian, YANG Xiao-feng, CHEN Xiao, GU Mian, CHEN Ai-qun*
( College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China )

【Objectives】Arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis that is formed by AM fungi in soil and most land plants is the most widespread mutualistic association in nature. The establishment of AM symbiosis involves complicated pathways of signal exchange and transduction, which are regulated by many genes with stringent and coordinated expression procedures. Plant hormones are well known to be signaling molecules that act in almost all physiological processes during plant growth and development, and also have been demonstrated to play crucial roles in modulating interactions between plants and microbe, including the AM fungi. In this article, the research progresses on the phytohormone-mediated regulation of AM symbiosis in last decade were reviewed.【Major advances】External application of low concentration of both auxin and abscisic acid improved the formation of AM symbiosis, while endogenous lack of gibberellin, abscisic acid and brassinolide repressed mycorrhization. Mutants with defection in jasmonic acid biosynthesis retarded AM fungal colonization, and knock down of the receptors of strigoloctone, auxin and abscisic acid inhibited AM symbiosis. Notably, the repressed expression of receptor of auxin not only decreased the AM colonization, but also inhibited the arbuscule abundance in cortical cells.【Expectations】The current research regarding the molecular mechanisms underlying the phytohormone-mediated regulation in the establishment of AM symbiosis is still in the early stage. With the rapid development of transgenic and gene editing techniques, such as Crispr/cas9-mediated gene knockout technology, and through the deeply mining of the genomic, transcriptomic, proteomic and metabolomics data set, the scientific questions with respect to AM symbiosis and other plant-microbial interaction systems will be finally answered.

arbuscular mycorrhiza; symbiosis; phytohormone; regulating

S154.36

A

1008–505X(2016)06–1679–11

2015–06–30 接受日期：2015–01–20

國家自然科學(xué)基金項目（31372121, 31272225）資助。

廖德華（1987—），男，福建泰寧人，博士研究生，主要從事植物叢枝菌根共生的分子機制研究。

* 通信作者 E-mail: chenaq8@njau.edu.cn