叢枝菌根對(duì)防治植物缺鐵性黃化病的作用機(jī)理與應(yīng)用研究

張玉婷 陳佳毅 李培根 琚淑明

(徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

植物缺鐵性黃化病是由于植物體內(nèi)Fe元素含量相對(duì)過低而導(dǎo)致的葉片黃化，植物生長(zhǎng)勢(shì)衰弱，甚至危害植物生存的一種生理性病害。自20世紀(jì)初缺鐵性黃化病多被報(bào)道，為防治黃化病對(duì)植物造成的危害，相關(guān)領(lǐng)域研究人員相繼研發(fā)了土壤改良、莖干Fe元素注入等有效的防治措施，但是現(xiàn)存措施存在易復(fù)發(fā)、經(jīng)濟(jì)投入過高等缺點(diǎn)，因此研究經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)效、安全的防治措施成為亟待解決的問題。 叢枝菌根真菌(ArbuscularMycorrhizalFungi,AMF)應(yīng)用于困難立地造林，多有報(bào)道，例如馬尾松造林、南京地區(qū)楸樹困難立地造林、油松造林等，AMF研發(fā)的微生物菌肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。叢枝菌根真菌在自然界廣泛存在，屬于微生物肥料的重要組成部分，備受相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等國(guó)家以及目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)于叢枝菌根做了大量相關(guān)的研究，對(duì)植物黃化現(xiàn)象有了較為深入的了解。本研究從叢枝菌根對(duì)植物缺鐵性黃化病的機(jī)理與應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，同時(shí)對(duì)未來植物黃化研究方向提出了展望，旨在探明叢枝菌根對(duì)防治植物缺鐵性黃化病的機(jī)理，為植物黃化病的防治提供長(zhǎng)期有效的方案。

1 缺鐵性黃化病致病機(jī)理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物缺鐵性黃化病致病原因及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入的探討，對(duì)其防治措施進(jìn)行了大量實(shí)踐。研究認(rèn)為導(dǎo)致植物缺鐵主要有兩方面的原因，即分為植物功能性吸收障礙和土壤中植物有效鐵含量低。

1.1 植物功能性吸收障礙

植物缺鐵性黃化病是因?yàn)橹参矬w內(nèi)缺少鐵元素導(dǎo)致植物體內(nèi)的葉綠素合成受到阻礙，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)緩慢，嚴(yán)重至生長(zhǎng)停滯而死亡[1-2]。徐萬泰等人發(fā)現(xiàn)樹木本身的生長(zhǎng)狀況也可造成植物缺鐵性黃化病，例如香樟黃化病的發(fā)病率隨香樟的胸徑增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，胸徑為15cm為發(fā)病率最高[3]。晁無疾等人發(fā)現(xiàn)葡萄不同種群和品種發(fā)生黃化病的程度有明顯差異，如歐亞種群葡萄明顯比歐美雜交種葡萄抗黃能力更強(qiáng)[4]。

1.2 土壤中植物有效鐵含量過低

植物葉片缺鐵失綠黃化表觀原因是葉片組織缺鐵，本質(zhì)上是土壤鐵素營(yíng)養(yǎng)失調(diào)引起的一種生理病害，與土壤中鐵元素的形態(tài)和活性有很大關(guān)系。何天明等人對(duì)香梨產(chǎn)區(qū)土壤樣品進(jìn)行理化特征分析，土壤高pH和有效鐵含量低是香梨葉片出現(xiàn)黃化病的主要原因[5]。

針對(duì)堿性土壤導(dǎo)致的缺鐵性黃化病的致病原因，土壤改良與植株亞鐵鹽的直接補(bǔ)給是主要的防治措施。土壤改良是通過施用有機(jī)肥、腐殖酸、醋糟等基質(zhì)調(diào)節(jié)土壤的pH，促進(jìn)Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化，提高植物有效Fe2+的含量，從而緩解植物缺鐵性黃化病，而研究顯示這些方法雖然能緩解植物缺鐵，但都存在一定的弊端。土壤改良耗時(shí)耗力，有效期短，直接向土壤施用鐵肥由于很快被土壤固定而轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效鐵，失去肥效。葉面噴施絡(luò)合態(tài)鐵的方法由于植物體內(nèi)鐵的移動(dòng)性很小，新生長(zhǎng)的葉片仍呈黃化癥，需反復(fù)噴施，實(shí)際應(yīng)用的成本過高[13]。

所以，尋找高效的解決植物缺鐵的方法就顯得尤為重要。針對(duì)目前堿性土壤植物缺鐵性黃化病防治措施存在的問題，提出利用微生物進(jìn)行土壤微生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)整，來促進(jìn)植物對(duì)Fe的吸收。

2 叢枝菌根對(duì)防治植物缺鐵性黃化病的機(jī)理

AMF在自然界廣泛存在，能與世界上80%的維管束植物形成互利共生關(guān)系的菌根[14]，AMF通過菌絲侵入到植物根系與宿主植物根系形成菌根，根系外延菌絲通過利用植物碳水化合物維持生長(zhǎng)并吸收土壤養(yǎng)分供給宿主植物實(shí)現(xiàn)互利共生[15]，這對(duì)植物個(gè)體間營(yíng)養(yǎng)平衡方面具有重要的作用，并對(duì)宿主植物的N、P等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移分配產(chǎn)生影響[16-17]，它將改變植物個(gè)體功能形狀和營(yíng)養(yǎng)狀況以及表型形狀等。缺鐵導(dǎo)致植物黃化病主要是土壤有效性鐵元素含量低，提高土壤中的有效性鐵的含量，促進(jìn)植物對(duì)鐵的吸收是緩解植物缺鐵型黃化病的重要機(jī)制。

2.1 增加土壤鐵的有效性

植物的根系在缺Fe的土壤環(huán)境中分泌出酚類、黃素等有機(jī)物質(zhì)[18-19]。而酚類、黃素以及其他有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤微生物具有毒害脅迫作用[20-23]，同時(shí)部分分泌物又可以作為某些微生物的碳源物質(zhì)，刺激微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而在植物的根際形成特殊的微生物群落結(jié)構(gòu)，這些改變的微生物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而影響植物對(duì)鐵營(yíng)養(yǎng)的吸收[24]。為了克服鐵有效性低的問題，許多微生物自身合成并且分泌高鐵載體。釋放到土壤中的高鐵載體再通過配合基的螯合反應(yīng)，使難溶性的鐵(如氧化鐵和氫氧化鐵)得以釋放出來，并且形成Fe 螯合物,增加了土壤中鐵的生物有效性[25-26]。這既能達(dá)到校正植物缺鐵失綠，又能達(dá)到保護(hù)生態(tài)和諧，因此不失為一條可行性途徑。此外，鐵載體的螯合過程不受pH影響，這對(duì)于石灰性土壤抗缺鐵營(yíng)養(yǎng)脅迫具有特殊的意義。

2.2 影響植物生理狀態(tài)

研究表明，AMF侵染對(duì)植物生理狀態(tài)最大的影響在于增加了宿主植物根系的吸收面積。侵染的外生菌絲穿透植物根系表皮進(jìn)入皮層細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)形成內(nèi)生菌絲。它既是物質(zhì)運(yùn)輸通道，也是AMF與宿主植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)交換的器官和場(chǎng)所。物質(zhì)在AMF菌絲的傳輸速度遠(yuǎn)大于在植物根系中的傳輸速度，而且侵染的菌絲使得宿主植物根系的吸收面積極大增加，從而提高了宿主植物根系的吸收效率[27-29]。

另一方面，從枝菌根還在一定程度上增加了根系Fe3+螯合物還原酶(FCR)的活性。高pH常引起根系FCR的降解，AMF提高了柑橘根系的FCR活性,從而提高了基質(zhì)中鐵的氧化還原能力，使更多的Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+,供植物根系直接吸收，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)鐵的吸收效果[30]。

3 叢枝菌根對(duì)植物鐵元素吸收效果的影響因素

3.1 AMF菌根種類

大量研究顯示菌根的形成不僅擴(kuò)大了植株根系吸收的空間有效性，而且菌根通過分泌次生代謝產(chǎn)物，調(diào)節(jié)土壤 pH，提高土壤酶活性和營(yíng)養(yǎng)元素的有效性[31]。研究顯示，AMF能提高植物對(duì)Fe的吸收。王明元等人研究了堿性條件下地表球囊霉(Glomusversiforme)接種枳實(shí)生苗，促進(jìn)了植株生長(zhǎng)，提高了葉綠素、活性鐵與全鐵含量，增強(qiáng)了根系Fe3+還原酶活性，減輕了其缺鐵性黃化病的產(chǎn)生[29-30.32]；摩西球囊霉(Glomusmosseae)接種三葉草形成共生菌根能顯著提高植物體內(nèi)鐵元素含量[33]；集球囊霉(Glomusfasciculatum)和大果球囊霉(Glomusmacrocarpum)單一及復(fù)合接種大葉相思能顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物體內(nèi)鐵元素的含量，并且復(fù)合接種效應(yīng)顯著高于單一處理[34]。G?sto等人研究了不同種類的復(fù)合AMF接種蘋果苗，能不同程度提高植物體內(nèi)鐵元素的含量[35]。Balakrishnan以玉米為材料接種AMF(Glomusintraradices)研究菌根對(duì)土壤中鐵與鋅元素狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)顯示接種菌根后，植物根際植物有效性鐵、鋅元素含量明顯提高。因此特定環(huán)境下，目標(biāo)植物AMF優(yōu)勢(shì)功能性菌株的篩選成為項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵[36]。

3.2 植物種類

有報(bào)道認(rèn)為AMF接種不同種類植物對(duì)鐵元素吸收影響不同。例如，Pacoysky和Fuller認(rèn)為在AMF存在的情況下,大豆的鐵吸收會(huì)減少[37], Clark和 Zeto認(rèn)為玉米的鐵吸收會(huì)增加[38]，而Lambert等人探究發(fā)現(xiàn)AMF侵染的大豆和玉米的鐵吸收都會(huì)增加[39]。唐振堯與何首林使用AMF接種4種柑桔砧木實(shí)生苗 (枸頭橙、酸桔、紅檸檬和枳)，得知紅檸檬實(shí)生苗吸收鐵量最多，其次為酸桔、枳和枸頭橙[40]。

3.3 土壤環(huán)境因素

多項(xiàng)研究顯示，土壤環(huán)境因素也成為影響AMF接種對(duì)植物吸收Fe效果的主要因素之一，即使是同一植物在不同的土壤條件下也會(huì)得出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Raju等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)土壤pH磷的供應(yīng)和土壤的溫度等可能導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異[41]。Clark和Zeto綜述了AMF對(duì)植物吸收礦質(zhì)元素的影響，認(rèn)為在堿性土壤中，菌根能促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)，提高Fe的吸收，而酸性土壤條件下鐵變化不顯著[42]。鹿金穎等人研究了AMF對(duì)酸棗實(shí)生苗吸收土壤鐵元素的影響，顯示菌根對(duì)植株體內(nèi)Fe的濃度無顯著影響[43]。金崇偉進(jìn)行的鐵同位素(59Fe)示蹤試驗(yàn)顯示AMF(Glomusmosseae)通過菌絲能吸收土壤中的Fe，而且在缺鐵條件下，AMF接種效果明顯[44]。

4 結(jié)論與展望

從以上綜述可以看出，AMF接種促進(jìn)植物對(duì)Fe的吸收，防治缺鐵性黃化病，低成本、操作簡(jiǎn)單、持效性長(zhǎng)，有重要的研究與應(yīng)用前景。就其影響因素來看，不同種的AMF功能不同，而同種AMF在不同生境中長(zhǎng)期生存會(huì)表現(xiàn)出不同的生態(tài)適應(yīng)性。不同植物適宜的AMF種類不同，篩選高效的功能菌種會(huì)成為一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。同時(shí)，外源AMF接種在一個(gè)新的環(huán)境下也必然有一個(gè)本土化的過程，外源AMF菌種/菌群的引入，勢(shì)必導(dǎo)致其與土壤土著AMF菌群生態(tài)位的改變，整體AMF菌群“功能多樣性”，即菌種生態(tài)位、AMF群落多樣性及功能會(huì)發(fā)生一定的變化，而土著AMF可能更適應(yīng)條件，競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。對(duì)于引入AMF的成功定殖，維持其長(zhǎng)期較高的競(jìng)爭(zhēng)力是尤其重要的。因此，探究引進(jìn)篩選后的AMF與土著AMF之間的關(guān)系及其競(jìng)爭(zhēng)的基本機(jī)制具有重要的意義，而且也是構(gòu)建穩(wěn)定植物-目標(biāo)AMF共生體系，防治植物缺鐵性黃化病的前提。