菌根真菌是唱响生物共生交响曲的主角——菌根真菌专辑序言

地球上任何生物都不是单独进行生命活动和进化的,即生物之间更多的是依靠密切联合、共生互助、需求互补和共同发展。其中,陆地生态系统中的强大分解者真菌和强大生产者植物关系密切,特别是以菌根真菌(mycorrhizal fungi)为代表的植物共生真菌自始至终与植物共生,这一强-强共生联合在维持生态平衡、保存生态系统可持续生产力与生态系统综合服务功能体系中,其分布之广、作用之多、功能之强和贡献之大,可谓名副其实的生物共生体系中的主导者。近年来,中国在真菌与植物共生研究领域成绩斐然,占据世界重要地位。本期《菌物学报》"菌根真菌专刊"刊登了2篇综述和20篇研究报告。综述分别对丛枝菌根(AM)真菌在煤矿区生态修复应用研究和兰科植物与菌根真菌的营养关系进行了总结和热点论述;研究报告分别对菌物界球囊菌门AM真菌全球公认种的中文学名给予了全面规范正确的描述、对中国部分林区红桦外生菌根真菌多样性、华山松印度块菌菌根中的块菌交配型基因、AM真菌对枳吸收磷和分泌磷酸酶的影响、转Bt基因棉叶片腐熟物抑制AM真菌定殖及菌根对磷的吸收、低pH影响AM真菌丛枝发育和磷的吸收、接种AM真菌与间作对红壤上玉米和大豆种间氮素竞争的影响、AM真菌及其菌种组合对植物根结线虫病害的影响以及接种AM真菌和施加铁可协同降低水稻砷累积等方面进行了研究。本期内容基本体现了中国菌根真菌分类、物种多样性、生理学、生态学、生理生态效应与作用机制研究的最新进展,对当前和今后开展植物共生真菌的研究具有重要的引领作用。     

AM真菌与非菌根植物的相互作用关系

丛枝菌根(AM)真菌作为一类在全球分布广泛的土壤微生物,能够与陆地上大多数的维管植物形成专性共生关系,对于植物营养吸收和生态系统功能具有重要作用.而较少量的维管植物如苋科、黎科、石竹科、十字花科等植物被认为是非菌根植物.目前,对于这些非菌根植物与AM真菌之间的相互作用关系研究少且分散,缺乏系统总结.本文综述了非菌根植物的类型以及低侵染的原因,邻体植物形成的菌丝网络对AM真菌侵染非菌根植物的影响,并探讨AM真菌和非菌根植物之间可能存在的相互作用,以及植物-AM真菌之间的物质交换及可能存在的生态功能,旨在为进一步发挥非菌根植物在脆弱生态系统的功能潜力提供新思路.     

丛枝菌根结构与功能研究进展

丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)是陆地生态系统中分布最广泛、最重要的互惠共生体之一,对提高植物抗逆性、修复污染生境、保持生态系统稳定与可持续生产力的作用显著.AM结构特征是判断菌根形成的主要指标,与其功能密切相关.本文总结了AM丛枝结构、泡囊结构、菌丝结构和侵入点结构等发育特征;分析了A型丛枝结构、P型丛枝结构、泡囊结构和根外菌丝结构与促进寄主植物养分吸收和生长、提高植物抗旱性、耐涝性、耐盐性、抗高温、拮抗病原物、提高植物抗病性、抗重金属毒性、分解有毒有机物、修复污染与退化土壤等功能的关系,及其所发挥的重要作用;探讨了影响AM结构与功能的因子,以及基于AM不同结构所发挥功能的作用机制.旨在为系统研究AM真菌发育特征、AM真菌效能机制,以及评价和筛选AM真菌高效菌种提供依据.     

菌根真菌在生态系统中的作用

 菌根是一种植物营养根与土壤真菌形成的共生体,在自然界中分布广泛。本文着重从以下几个方面介绍相关的研究进展：1) 菌根真菌作为生态系统的重要组成部分,具有不可忽视的生物量,并成为连接绿色植物和食真菌者食物链的重要一环;2) 菌根真菌通过参与凋落物的酶降解过程影响有机物的循环,通过促进生物固氮、加速土壤磷的风化、提高土壤溶液离子的有效性以及直接吸收等过程影响氮、磷、钾、钙、镁等元素的无机循环;3) 菌根真菌与土壤微生物间存在有益的或拮抗的相互作用,并可以直接或间接地影响根际生物区系的组成和数量;菌根真菌通过对宿主植物的有益作用而影响植物的种间竞争,通过菌根网络而形成的种团可以在同种或不同种植物间实现资源的重新分配和共享;由于对种间关系的作用和对食物链的影响,菌根真菌对群落的物种构成和多样性的维持具有重要的作用;菌根真菌是群落演替过程的指示者,也是这一过程的参与者和推动者,并且菌根真菌的存在也有利于提高土壤团聚体的稳定性及促进灰壤的形成;4) 菌根真菌的种类和数量可以指示生态系统中自然的或人类活动引起的变化,并可以在生态系统的保护、恢复或重建过程中发挥重要作用。文章的最后还介绍了最新的研究热点和发展趋势。     

丛枝菌根真菌形态结构、物种多样性和群落组成对氮沉降响应研究进展

工业革命以来,人类活动输入到生态系统中的氮迅速增加,已突破地球所能承受的氮循环阈值。过量氮沉降会造成生物多样性丧失等一系列危害,严重影响生态系统结构和功能。丛枝菌根(AM)真菌能够与大约70%-80%的陆地植物种类形成共生关系,在宿主植物养分吸收、抵抗外界不良环境压力、群落动态和物种共存、生物地球化学循环等方面具有重要的作用。探究AM真菌对氮沉降的响应对认识和把握菌根真菌缓解氮沉降的负面后果,维持生态系统的结构和功能具有重要意义。本文综述了AM真菌的形态结构、物种多样性和群落组成等对氮沉降的响应机制。前人研究表明氮沉降通常降低AM真菌的根系定殖率,减少根外菌丝密度和土壤孢子密度,改变菌丝生长的时间动态;降低AM真菌多样性,改变AM真菌群落组成。氮沉降主要通过缓解植物氮限制、降低植物对菌根的依赖性、减少植物对菌根的碳分配、改变根系和土壤中菌根生物量比率、在植物根内维持稳定的菌根真菌组成作为应对未来扰动的“保险”、改变土壤资源有效性及土壤酸度等直接和间接途径影响AM真菌结构和功能。我们建议在未来研究中整合多组学手段、开展学科交叉,聚焦复杂的生物互作体系对氮沉降的响应机制,以及AM真菌对氮沉降响应的生态后果。     

外生菌根真菌及其菌根辅助细菌协同解磷的研究进展

磷素是植物生长发育所必需的大量营养元素,参与植物体内多数生物代谢过程。然而,土壤中矿物对无机磷的强吸附性以及有机磷的难降解性都大大降低了磷素对植物的有效性。植物与外生菌根真菌形成外生菌根共生体,能够显著提高土壤磷素的植物有效性,促进植物对磷素的高效吸收。在此过程中,外生菌根辅助细菌也发挥着十分重要的作用,但对其综述性分析还鲜有报道。本文介绍了外生菌根真菌及其菌根辅助解磷细菌的相互作用;解析了外生菌根真菌及其菌根辅助解磷细菌溶解无机磷和水解有机磷的协同作用,并分析了其溶磷机制;阐明了外生菌根真菌对磷素的吸收过程;展望了外生菌根真菌及其菌根辅助解磷细菌互作促进植物磷素吸收的研究前景。     

同位素示踪技术在丛枝菌根真菌生态学研究中的应用

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌是生态系统中重要的土壤微生物之一。AM真菌菌丝体网络是由AM真菌菌丝体在土壤生态系统中连接两株或两株以上植物根系所形成的菌丝体网络。随着菌根学研究的深入,如何直观的揭示AM真菌的生态学功能已经成为相关领域关注的热点问题。研究发现,利用同位素示踪技术可以开展AM真菌与宿主植物对土壤矿质营养的吸收、转运等方面的研究,以及菌丝体网络对不同宿主植物之间营养物质的分配研究和AM真菌在生态系统生态学中的功能研究。基于此,为了阐明同位素示踪技术在AM真菌研究中的价值,围绕菌根学最新研究进展,系统回顾了利用同位素示踪技术探究AM共生体对不同元素吸收和转运的机制、同位素示踪技术在AM真菌菌丝体网络研究中的价值和利用同位素示踪技术研究AM真菌在生态系统中的功能,为AM真菌生态学功能的研究提供理论基础,并对本领域未来的研究方向和应用前景进行展望。     

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。     

丛枝菌根养分吸收和转运机制的研究历史与进展

丛枝菌根真菌(AMF)在土壤生态系统中分布最广且在农业生态系统中作用最大,是颇受研究人员关注的一类菌根真菌。多年来,人们尝试着用各种技术和方法从不同角度、不同层次对AMF与植物的互惠机制进行研究并取得了较大进展。近年来分子技术在该领域得以广泛应用,使得人们对这一共生体的互惠机制有了更为详尽的了解。从营养学角度入手,综述了国内外关于丛枝菌根(AM)真菌对土壤中养分吸收和转运机制的研究进展,并在概括当前AMF促生机制研究热点的基础上对其发展前景作了展望。     

菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

在陆地生态系统中,土壤、植被与大气之间有着可观的碳交换通量,陆地生态系统碳循环也和全球气候变化密切关联。菌根真菌可与绝大多数陆地植物建立菌根共生关系,通过矿质养分-碳交换连接起生态系统地上与地下部分,深度参与和影响陆地生态系统的碳循环过程。该文从碳的输入,土壤有机质的形成、稳定和分解等4个关键环节分别论述了菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用。研究表明,菌根真菌在陆地生态系统碳的输入过程中扮演关键角色,其通过改善植物矿质营养,参与植物逆境响应,影响植物的光合作用强度,以及调控植物多样性与生产力之间的关系等多种途径,维持或提高植被初级生产力;大气中的CO₂被植物固定后,一部分碳经由菌丝网络输送到土壤中,随后经微生物的分解和转化,与矿物结合或被团聚体包裹而被稳定在土壤中;同时,菌根真菌通过影响根际激发效应和菌丝际生物化学过程,如分泌特定胞外酶,与菌丝际微生物互作,驱动芬顿反应,以及与腐生微生物竞争等,调控土壤有机质的分解和转化过程。考虑到菌根真菌对环境和气候变化的敏感性,该文还探讨了全球变化因子对菌根真菌介导的碳循环过程的影响。最后,该文对未来研究方向进行了展望,并提...     

丛枝菌根真菌与根围促生细菌相互作用的效应与机制

丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)真菌是植物活体营养专性共生菌,广泛存在于陆地各生态系统中.研究表明,AM真菌与根围促生细菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)之间的相互作用,尤其是它们之间的协同作用不仅影响植物养分吸收利用、病原物发生发展、土壤理化特性与生物修复等,而且对于可持续农、林、牧业生产、稳定生态系统都具有十分重要的意义.因此,近年来给予众多关注和研究.综述了AM真菌与PGPR之间的相互影响及其可能的作用机制,以及AM真菌与PGPR协同改善植物营养和生长、协同抑制病原菌、协同修复土壤方面的作用,旨在总结AM真菌与PGPR相互作用的效应与机制方面的最新研究进展,为今后研究发展提供依据.     

全球变化下菌根真菌的作用及其作用机制

全球气候、环境、经济与社会的发展变化,对环境与资源造成严重挑战和新的发展机遇。菌根真菌是陆地生态系统中的重要生物组份,占据不可替代的重要地位,充当调控生态系统稳定和保持可持续发展的多重角色。分析了全球变化对菌根真菌的影响,探讨了全球变化下菌根真菌的地位、角色和作用,以及菌根真菌应对全球变化的可能作用机制,旨在为加强全面应对全球变化提供新的思路和途径。     

丛枝菌根网络的生态学功能研究进展

丛枝菌根(AM)真菌是陆地生态系统中重要的土壤微生物之一.其在土壤生态系统中延伸出的根外菌丝,可以通过菌丝融合的方式形成丛枝菌根网络(AMN).AMN在土壤生态系统中发挥着重要功能：一方面,AMN可以改变土壤的理化性质,其根外菌丝分泌物可以影响土壤微生物生存的微环境,进而改变土壤微生物的群落组成;另一方面,AM真菌的根外菌丝可以吸收土壤养分,并通过AMN将吸收的营养物质在宿主植物间进行分配,调节植物物种之间的竞争关系.为了全面阐述AMN在生态系统中的功能,本文围绕最新的AMN研究成果,探究AM真菌根外菌丝在土壤中相互融合的机制、AMN影响土壤微生物的数量和组成、调节植物群落的生态学机理,以及AMN调节地下资源、植物种内和种间竞争、影响植物群落的多样性和丰富度等生态系统功能.阐述在全球变化过程中AMN与大气氮沉降、CO₂浓度升高以及温度升高的相关性,探究其在维持生态系统稳定性中的作用,并对本领域未来的发展方向和应用前景进行展望.     

AM真菌在草原生态系统中的功能

AM真菌是土壤生态系统中重要的微生物类群,能与陆地生态系统中80%以上的高等植物建立共生体系。目前,AM真菌在维持草原生态系统稳定性中的功能已经成为生态学研究的热点问题之一。基于此,从植物个体、种群、群落和生态系统等不同层次探究AM真菌在维持植物群落多样性和草原生态系统稳定性中的功能。分析发现在个体水平上,AM真菌对宿主植物具有促生效应、抑制效应或中性效应。在种群水平上,分析AM真菌对不同宿主植物吸收土壤矿质营养的分配和调控策略,围绕构成草原植被的两大组成成分:牧草和有毒植物,论述AM真菌对植物种群增长和衰败的调控机制,并从草原植物群落的物种多样性和稳定性角度,探讨AM真菌与植物群落之间的相关性。在生态系统水平上,围绕AM真菌对草原生态系统的演替和退化草原的修复等展开论述,以期为利用AM真菌开展草原生态系统保护和恢复治理提供理论依据,并对草原菌根生态学领域未来的研究进行展望。     

Mycorrhizal fungi as mediators of defence against insect pests in agricultural systems

• 1 Below‐ground organisms influence above‐ground interactions in both natural and agricultural ecosystems. Among the most important below‐ground organisms are mycorrhizal fungi, comprising ubiquitous and ancient plant mutualists that have significant effects on plant growth and fitness mediated by resource exchange with plants. In the present study, we focus on the effects of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on crop defence against insect pests.
• 2 AMF alter the availability of resources used by crop plants to manufacture defences against pests and to compensate for pest damage. However, AMF also provide plants with nutrients that are known to increase insect performance. Through potentially opposing effects on plant nutritional quality and defence, mycorrhizal fungi can positively or negatively affect pest performance.
• 3 Additionally, AMF may directly affect gene expression and plant defence signalling pathways involved in the construction and induction of plant defences, and these effects are apparently independent of those caused by nutrient availability. In this way, AMF may still influence plant defences in the fertilized and highly managed systems typical of agribusiness.
• 4 Because AMF can affect plant tolerance to pest damage, they may have a significant impact on the shape of damage–yield relationships in crops. Potential mechanisms for this effect are suggested.
• 5 We highlight the need for continuing research on the effects of AMF identity and the abundance on crop defences and tolerance to pest attack. Much work is needed on the potential effects of mycorrhizal colonization on plant signalling and the induction of direct and indirect defences that may protect against pest damage.

     

AM真菌在植物病虫害生物防治中的作用机制

丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhizae,AM)真菌是一类广泛分布于土壤生态系统中的有益微生物,能与大约80%的陆生高等植物形成共生体。由土传病原物侵染引起的土传病害被植物病理学界认定为最难防治的病害之一。研究表明,AM真菌能够拮抗由真菌、线虫、细菌等病原体引起的土传性植物病害,诱导宿主植物增强对病虫害的耐/抗病性。当前,利用AM真菌开展病虫害的生物防治已经引起生态学家和植物病理学家的广泛关注。基于此,围绕AM真菌在植物病虫害生物防治中的最新研究进展,从AM真菌改变植物根系形态结构、调节次生代谢产物的合成、改善植物根际微环境、与病原微生物直接竞争入侵位点和营养分配、诱导植株体内抗病防御体系的形成等角度,探究AM真菌在植物病虫害防治中的作用机理,以期为利用AM真菌开展植物病虫害的生物防治提供理论依据,并对本领域未来的发展方向和应用前景进行展望。     

Plant and insect genetic variation mediate the impact of arbuscular mycorrhizal fungi on a natural plant–herbivore interaction

1. While both arbuscular mycorrhizal (AM) fungi and plant and insect genotype are well known to influence plant and herbivore growth and performance, information is lacking on how these factors jointly influence the relationship between plants and their natural herbivores. 2. The aim of the present study was to investigate how a natural community of arbuscular mycorrhizal fungi affects the growth of the perennial herb Plantago lanceolata L. (Plantaginaceae), as well as its interaction with the Glanville fritillary butterfly [Melitaea cinxia L. (Nymphalidae)]. For this, a multifactorial experiment was conducted using plant lines originating from multiple plant populations in the Åland Islands, Finland, grown either with or without mycorrhizal fungi. For a subset of plant lines, the impact of mycorrhizal inoculation, plant line, and larval family on the performance of M. cinxia larvae were tested. 3. Arbuscular mycorrhizal inoculation did not have a consistently positive or negative impact on plant growth or herbivore performance. Instead, plant genetic variation mediated the impact of arbuscular mycorrhizal fungi on plant growth, and both plant genetic variation and herbivore genetic variation mediated the response of the herbivore. For both the plant and insect, the impact of the arbuscular mycorrhizal community ranged from mutualistic to antagonistic. Overall, the present findings illustrate that genetic variation in response to mycorrhizal fungi may play a key role in the ecology and evolution of plant–insect interactions.     

Effects of a belowground mutualism on an aboveground mutualism

Studies of multitrophic interactions between below‐ and aboveground communities have generally focused on soil organisms and antagonists of plant shoots and leaves (herbivores). Despite the widespread occurrence of plant mutualists below‐ and aboveground which can occur on the same host plant, the potential for interactions between them has not been considered. Here we demonstrate that aboveground plant mutualists, insect pollinators, are strongly influenced by belowground plant mutualists, arbuscular mycorrhizal fungi. The presence of arbuscular mycorrhizal fungi in the roots of Chamerion angustifolium increased pollinator visitation and per cent seed set of this plant in the field by up to two times compared with non‐mycorrhizal plants. We propose that interactions between belowground and aboveground mutualisms are widespread and may play important functional roles in populations and communities.