外生菌根共生:共生真菌多样性及菌根形成的分子机制

大约2%的维管植物能够与17～18个目约280个属的真菌形成外生菌根关系.外生菌根关系的形成、宿主植物的专一化和宿主转移等事件可能是共生真菌物种分化的重要驱动力.比较基因组学研究发现,外生菌根真菌丢失了大量与植物细胞壁物质降解相关的基因.在外生菌根形成过程中,真菌与宿主植物之间借助多样化的信号分子完成相互识别,并且外生菌根真菌能够借助分泌效应蛋白抑制宿主植物的防御反应,促进菌根形成.本文对外生菌根真菌的多样性和分布规律,以及外生菌根形成的分子机制等方面进行了综述,并据此对后续研究提出展望.     

植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展

在自然生态系统中,植物组织可作为许多微生物定居的生态位.内生真菌普遍存在于植物组织内,与宿主建立复杂的相互作用(互惠、拮抗和中性之间的相互转化),并且存在不同的传播方式(垂直和水平传播).内生真菌通过多样化途径来增强植物体的营养生理和抗性机能.但这种生理功能的实现有赖于双方精细的调控机制,表明宿主和真菌双方都进化形成特有的分子调控机制来维持这种互惠共生关系.环境因子(如气候、土壤性质等)、宿主种类和生理状态、真菌基因型的变化都将改变互作结果.此外,菌根真菌和真菌病毒等也可能普遍参与植物-内生真菌共生体,形成三重互作体系,最终影响宿主的表型.研究试图从形态、生理和分子水平阐述内生真菌与植物互作的基础.     

外生菌根真菌与内生细菌共生互作的研究进展

外生菌根真菌能与很多高等植物共生,广泛存在于自然界,在促进植物生长和养分吸收、增强宿主抗逆性及维持森林生态系统稳定等方面发挥着重要作用。除与寄主植物密切联系外,外生菌根真菌,在其生命周期中与细菌群落进行物理和代谢相互作用常形成共生关系。这些细菌对外生菌根真菌菌丝生长、生物量增加及子实体的形成具有积极影响。本文阐述了外生菌根真菌与内生细菌共生现象的发现、共生关系的建立、内生细菌促进外生菌根真菌生长和发育及宿主与微生物组的研究方法等,以期更好地巩固外生菌根真菌的生物学及生态学等基础性知识,并利用细菌与真菌的相互作用为可食用外生菌根真菌的生物防治、菌肥研究、人工驯化及栽培提供思路。     

菌根真菌与兰科植物互作的组学研究进展

兰科植物因其具有丰富的物种多样性和重要的社会经济价值,多年来一直是植物学及生态学界的重点研究对象。菌根真菌对兰科植物的种子萌发、营养吸收和种群动态等多个方面都具有十分重要的作用,因而近年来受到越来越多的关注。探究菌根真菌与兰科植物互作的内在机制是目前兰科菌根研究的一大热点领域,同时也为兰科植物野生资源保护和种群恢复提供了许多新方法与新思路。随着新一代测序技术以及多种组学数据库的发展与建立,菌根真菌与兰科植物互作机制研究已然进入了一个全新的时代。纵观近年来的研究,通过基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等相关技术,人们对兰科菌根共生过程中的种子萌发、营养物质转运、信号转导、宿主免疫和逆境抗性等方面的内在机制有了一定的了解。本文对近十年来国内外采用组学技术研究菌根真菌与兰科植物互作机制方面的研究成果进行了总结和梳理,并对未来该领域的研究进行了展望。     

菌根真菌与植物共生营养交换机制研究进展

菌根是陆地生态系统普遍存在的、由土壤中的菌根真菌侵染宿主植物根系形成的联合共生体.菌根的建立是以共生体双方的营养交换为基础的:菌根真菌从土壤中吸收氮、磷等营养物质并转运给宿主植物,供其生长;作为交换,植物则以脂质或糖的形式向菌根真菌提供其生长所必需的碳水化合物.近年来,菌根真菌与宿主植物间的营养交换机制一直是研究的热点,国内外对菌根真菌介导的植物营养物质吸收和转运机制的研究也取得了巨大进展.本文综述了丛枝和外生两种菌根真菌与宿主植物间营养交换的最新研究进展,尤其是碳、氮、磷等几种重要营养物质的吸收与双向转运机制,以及营养交换在菌根形成中的潜在调控作用,并对目前存在的关键问题和未来研究方向进行了分析和展望,这对菌根模型的建立及菌根效益的优化具有重要意义.     

菌根真菌多样性与植物多样性的相互作用研究进展

菌根共生双方多样性影响着生态系统的过程与功能。菌根真菌-寄主植物之间的共生组合存在偏好性或特异性,这导致菌根真菌对寄主植物的效益差异和寄主植物对菌根真菌的利益差别：两者在互利共生过程中不仅相互选择,还存在相互促进与制约的关系(如互补与选择效应、竞争),从而在一定程度上决定生态系统的演化与发展。本文概述了植物多样性与菌根真菌多样性的相互影响,探讨了两者互作可能存在的调控因素与机制,对存在的问题和争议进行了总结,并提出了进一步研究的方向。深入阐明植物多样性与菌根真菌多样性之间的互作关系,将丰富生物共生学理论,增强菌根应用潜力及生物多样性的维持。     

外生菌根对植物非生物胁迫的缓解作用及作用机理研究进展

外生菌根在林木共生系统中占据重要的地位,具有提高宿主植物抗逆性的作用。在菌根学领域中,外生菌根与非生物胁迫互作的研究要远少于其他类型的菌根,尤其是缺乏综合、全面的总结性评述。文中总结了近5年来的相关研究,阐述了非生物胁迫(干旱、寒冷、高温、盐碱、重金属和有毒物质)下菌根共生体与植物抗逆性的关系,其他因子与外生菌根协同提高植物对非生物胁迫的耐受能力,以及外生菌根缓解非生物胁迫的生理机制和基因调节机制。本文结合了污染土壤修复、功能蛋白表达及微生物生态系统3个方面的研究,分析了当前研究的热点问题与存在的不足,展望了今后的研究方向,以期为林木生态恢复和菌根学研究的扩充提供可借鉴的思路。     

外生菌根缓解植物酸雨胁迫的机理研究进展

森林作为陆地生态系统的主体,是酸雨污染的主要受体,酸雨对生态系统产生着巨大的影响。菌根是菌根真菌与植物营养根的共生体。外生菌根真菌与宿主植物间互惠互利,在森林生态系统中,外生菌根在维持生态系统的养分平衡和改善树木营养等方面有重要的作用。本文综述了国内外关于菌根和酸雨关系的研究,酸雨能抑制外生菌根的形成,降低其活力;但另一方面,外生菌根能够缓解酸雨造成的植物危害,提高植株对酸雨的耐受力。外生菌根主要通过以下几方面缓解酸雨胁迫:(1)菌根形态结构的物理屏蔽作用;(2)增加养分吸收,增加御酸能力;(3)增强酶活性,提高植物生存能力;(4)产生有机酸或其他物质。     

丛枝菌根真菌脂类代谢对共生信号调控的响应和反馈

丛枝菌根(AM)真菌是自然生态系统中分布最为广泛的真菌之一,在自然界物质循环和能量流动中发挥着重要作用。经过长期的协同进化,AM真菌和宿主植物之间形成了完美的互惠互利的共生关系,而真菌的脂类代谢可能是揭示共生秘密的关键所在。本文综述了AM真菌脂类代谢在共生关系建立和维持中关键作用的最新研究进展,重点探讨了AM真菌脂类代谢对共生信号调控的响应和反馈机制,主要包括:AM真菌脂类存储和释放对共生和非共生状态的响应,以及脂类代谢产物变化与共生营养传递之间的关系;脂类分解过程在共生建立初期对信号分子调控发生的响应,以及相应的物质转化和能量代谢;菌根共生互惠互利关系维持中,真菌脂类代谢与信号分子交流通道的相互渗透和影响。本文对于理解菌根共生机制,促进菌根在生产中的应用具有促进作用。     

菌根真菌提高植物抗旱性机制的研究回顾与展望

菌根真菌与全世界约97%的维管植物具有广泛的共生关系。大量研究结果显示菌根植物相比于非菌根植物对于干旱胁迫具有更高的耐受性,说明菌根真菌在植物抗旱过程中发挥着重要作用。本文对近年来国内外在菌根真菌协助植物抵御干旱作用机制方面的研究进行了归纳和总结,主要包括在干旱胁迫下菌根真菌对植物生理学特性的影响机制、菌根真菌提高植物抗旱性的分子机制以及菌根真菌对植物次生代谢途径的影响机制等3个方面。当前菌根真菌增强植物抗旱性的生理机制方面的研究较为深入,而其他两个方面的研究则相对薄弱。随着分子生物学技术的发展,菌根真菌增强植物抗旱性的分子机制和涉及的相关代谢通路将被进一步揭示。本文旨在呈现菌根真菌提高植物抗旱性机制的研究前沿,为菌根互作更深层次的理论研究以及功能菌剂的研发提供一定的理论参考。     

真菌与植物共生机制研究进展

真菌与植物共生是一种非常普遍、复杂和重要的生物学现象。真菌与植物共生部位、共生类型和共生结构的多样性,以及参入共生的真菌和植物多样性奠定真菌与植物共生的生物学基础。真菌与植物首先通过分子"对话"的生化机制相互识别构建共生体,进而由真菌和植物双方生理机制调控共生体发育及其生理功能,以构建稳定有效的共生体。真菌与植物的空间、营养和功能生态位很多是相近的,双方均面临相同的生态选择压力,需要共同抵抗不良生境,以适应更多环境。因此,真菌和植物通过两者共生的生态学机制增强植物抗逆性,减轻有害生物危害,提高其竞争力和生境的适应能力。真菌和植物长期的协同演化过程中,种群间的基因交流及其差异导致不同的基因组合,奠定了共生体多样化的基础与资源。此遗传学机制形成的多种遗传组合的共生体不仅使真菌和植物在各环境压力下共存,还可以不断进化发展。真菌和植物共生研究方面已形成较为完善的体系,加强真菌与植物共生理论的研究,特别是该类共生体遗传背景、基因与环境互作效应及其机制的阐明,将有助于诠释真菌与植物共生的生物学机制。     

外来入侵植物对本地植物菌根真菌的影响及其机制

菌根真菌共生是植物吸收养分的一个重要策略。外来植物可以干扰本地植物与菌根真菌的共生关系从而抑制本地植物生长, 这是近年来被发现的一种重要入侵机制, 在研究中得到日益广泛的关注。该文从以下几个方面着重综述这种入侵机制: 1)外来植物对本地植物菌根真菌的影响, 包括菌根真菌侵染率、菌根内部结构、根外菌丝的量、菌根真菌的群落组成、非菌根真菌的影响及网络结构; 2)外来植物对本地植物菌根真菌上述影响的机制, 包括资源竞争、化感作用和土壤肥力等生态机制以及相关的分子机制; 3)上述两个方面随入侵时间的变化格局。尽管干扰本地植物菌根真菌是一种重要的入侵机制, 但相对其他的入侵机制(例如天敌逃逸、新武器假说等)来说, 这类机制的研究目前仍很匮乏。鉴于此, 该文提出了未来需要重点关注的几个方面: 1)全球变化背景下, 入侵植物对本地植物菌根真菌的影响如何变化; 2)包括这种菌根机制在内的多种入侵机制之间的关系; 3)深入探究入侵的这种菌根机制在大的时空尺度上的变化规律。     

A review on the effects of invasive plants on mycorrhizal fungi of native plants and their underlying mechanisms

菌根真菌共生是植物吸收养分的一个重要策略。外来植物可以干扰本地植物与菌根真菌的共生关系从而抑制本地植物生长, 这是近年来被发现的一种重要入侵机制, 在研究中得到日益广泛的关注。该文从以下几个方面着重综述这种入侵机制: 1)外来植物对本地植物菌根真菌的影响, 包括菌根真菌侵染率、菌根内部结构、根外菌丝的量、菌根真菌的群落组成、非菌根真菌的影响及网络结构; 2)外来植物对本地植物菌根真菌上述影响的机制, 包括资源竞争、化感作用和土壤肥力等生态机制以及相关的分子机制; 3)上述两个方面随入侵时间的变化格局。尽管干扰本地植物菌根真菌是一种重要的入侵机制, 但相对其他的入侵机制(例如天敌逃逸、新武器假说等)来说, 这类机制的研究目前仍很匮乏。鉴于此, 该文提出了未来需要重点关注的几个方面: 1)全球变化背景下, 入侵植物对本地植物菌根真菌的影响如何变化; 2)包括这种菌根机制在内的多种入侵机制之间的关系; 3)深入探究入侵的这种菌根机制在大的时空尺度上的变化规律。     

Dating in the dark: how roots respond to fungal signals to establish arbuscular mycorrhizal symbiosis

The arbuscular mycorrhizal symbiosis that involves most plants and Glomeromycota fungi is the result of a complex exchange of molecular information, which commences before the partners are in physical contact. On the one hand, plants release soluble factors, including strigolactones that activate both the metabolism and branching of the fungal partners. On the other hand, fungi use compounds that trigger the signaling transduction pathways that are required for the symbiotic modus of plant cells. Here we describe some of the recent discoveries regarding the fungal molecules involved in rhizospheric conversation, and the way in which they are perceived by their hosts. We conclude that similar signaling molecules may have different meanings, depending on the context. However, at the end, specificity must be maintained to ensure appropriate partners enter symbiosis.     

菌根真菌促进植物吸收利用氮素机制的研究进展

作为自然界最为普遍的一种植物共生体,菌根能够极大地促进植物对氮素的吸收和利用,其中菌根真菌在共生结构功能中发挥了重要作用。本文分别从菌根解剖构造、生理生化和分子生物学方面系统总结了菌根真菌促进植物吸收和利用氮素的研究现状。重点介绍了菌根真菌可利用的氮素形态及影响其利用的主要因素、菌根真菌的氮代谢途径GS-GOGAT以及菌根真菌中存在的鸟氨酸循环途径,指出精氨酸是菌丝内氮转运的主要形式,NH3可能为菌根真菌和植物界面质外体的主要转运形式。     

Meeting a non-host: the behaviour of AM fungi

 Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi are obligately biotrophic organisms that live symbiotically with the roots of most plants. The establishment of a functional symbiosis between AM fungi and host plants involves a sequence of recognition events leading to the morphological and physiological integration of the two symbionts. The developmental switches in the fungi are triggered by host signals which induce changes in gene expression and a process leading to unequivocal recognition between the two partners of the symbiosis. It has been calculated that about 80% of plant families from all phyla of land plants are hosts of AM fungi. The remaining plant species are either non-mycorrhizal or hosts of mycorrhizas other than the arbuscular type. Non-host plants have been used to obtain information on the factors regulating the development of a functional symbiosis. The aim of this present review is to highlight present-day knowledge of the fungal developmental switches involved in the process of host/non-host discrimination. The following stages of the life cycle of AM fungi are analysed in detail: spore germination, presymbiotic mycelial growth, differential branching pattern and chemotropism, appressorium formation, root colonization. Accepted: 17 June 1998     

Host and geographic structure of endophytic and endolichenic fungi at a continental scale

? Premise of the study: Endophytic and endolichenic fungi occur in healthy tissues of plants and lichens, respectively, playing potentially important roles in the ecology and evolution of their hosts. However, previous sampling has not comprehensively evaluated the biotic, biogeographic, and abiotic factors that structure their communities. ? Methods: Using molecular data we examined the diversity, composition, and distributions of 4154 endophytic and endolichenic Ascomycota cultured from replicate surveys of ca. 20 plant and lichen species in each of five North American sites (Madrean coniferous forest, Arizona; montane semideciduous forest, North Carolina; scrub forest, Florida; Beringian tundra and forest, western Alaska; subalpine tundra, eastern central Alaska). ? Key results: Endolichenic fungi were more abundant and diverse per host species than endophytes, but communities of endophytes were more diverse overall, reflecting high diversity in mosses and lycophytes. Endophytes of vascular plants were largely distinct from fungal communities that inhabit mosses and lichens. Fungi from closely related hosts from different regions were similar in higher taxonomy, but differed at shallow taxonomic levels. These differences reflected climate factors more strongly than geographic distance alone. ? Conclusions: Our study provides a first evaluation of endophytic and endolichenic fungal associations with their hosts at a continental scale. Both plants and lichens harbor abundant and diverse fungal communities whose incidence, diversity, and composition reflect the interplay of climatic patterns, geographic separation, host type, and host lineage. Although culture-free methods will inform future work, our study sets the stage for empirical assessments of ecological specificity, metabolic capability, and comparative genomics.