城市菌根真菌多样性、变化机制及功能应用

菌根真菌能够与大多数陆生植物的根系形成菌根共生体,具有改善宿主植物矿质营养、增强抗逆性、改良土壤结构等重要生态功能。城市化过程中气候、土壤、植被、土地利用等因素的改变,对菌根真菌的多样性产生了直接或间接的影响。目前城市菌根真菌的研究多侧重对其空间分布及群落组成的简单描述,缺乏针对城市典型生态现象及生态问题系统性的探讨。分别从城市菌根真菌的多样性变化、影响机制及功能应用等3方面进行了综述,全面揭示城市菌根真菌的研究现状及研究的复杂性,发现当前研究存在多样性评估简单化、研究层次单一化、内在机制现象化及功能应用停滞化等问题,认为今后应建立更为系统、综合、标准的研究体系以深刻而准确地认识与理解城市化对菌根真菌多样性的影响,为城市微生物资源的保存及绿地系统维持提供理论依据。     

丛枝菌根共生关系的信号机制研究进展

在植物与微生物的共生体中,最广泛的互惠共生体就是丛枝菌根.真菌在植物根系形成菌根后,菌丝通过根的皮层细胞获取植物提供的碳源,同时将矿物营养和水从土壤转运到皮层细胞,这种共生过程的研究在生物多样性的保护、陆生植物的起源与演化、退化生态系统的修复与重建以及农业、林业和园艺业的应用具有重要的意义.近年来丛枝菌根真菌与植物根系建立共生关系的信号传导途径和作用机制备受关注,也取得了突破性的进展.本文对丛枝菌根真菌与植物根系在共生关系形成、营养交换以及防御方面的分子信号和细胞方面的研究进展进行综述,并对发展前景作以展望.     

植物根系复合共生体研究进展

植物根系与菌根真菌形成的互惠共生体,即菌根(mycorrhizas)是最常见、最广泛分布的共生体之一。自然条件下,一些植物的根系可同时形成由2种类型菌根构成的混合菌根,或菌根与细菌、菌根与放线菌、菌根与其他种类真菌构建的所谓复合共生体。文中从复合共生体的概念入手,简要介绍混合菌根、菌根与细菌、菌根与放线菌、菌根与其他真菌构建的复合共生体的多样性、形态解剖特征、生长发育及其功能等方面的研究概况,旨在为推进该领域的研究提供依据和借鉴的思路。     

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。     

特殊生境中丛枝菌根真菌多样性

丛枝菌根真菌(AMF)是生态系统的重要组分之一,不仅具有丰富的遗传、物种和功能多样性,而且还具有生态系统多样性,即该真菌的分布与栖息生境复杂多样.AMF侵染植物根系形成菌根,营专性活体共生营养,生态适应性强,除了森林、草原和农田生态系统外,还广泛分布于保护地、盐碱地、矿区污染地、石化与农药污染地、荒漠地、干旱地、湿地、沼泽地、火山地、高原、低温与极地等植物多样性匮乏的特殊生境,形成独特的群落结构,发挥着不可替代的生理生态功能.本文总结了上述生境中AMF物种多样性与菌根发育特点,旨在为进一步开展这些特殊生境和极端环境下的AMF研究提供基本信息.     

三峡库区马尾松林土壤真菌群落特征及影响因素

土壤真菌是地下生物多样性的重要组成部分,在土壤碳和养分循环中发挥重要功能。本研究基于高通量测序技术对三峡库区22个马尾松林表层土壤(0～10 cm)真菌群落进行研究。结果表明: 子囊菌门与担子菌门为优势真菌类群,常见类群包括散囊菌目、红菇目和银耳目。真菌功能群以腐生真菌与外生菌根真菌为主,欧石南类菌根真菌也较常见。冗余分析表明,无论是对整个土壤真菌群落还是不同真菌功能群,环境变量对群落结构的影响均强于空间变量,说明在较小的空间尺度上生境过滤对土壤真菌群落结构的影响超过扩散限制。地上生物量、电导率、有效磷、容重、碳氮比、硝态氮、粉粒占比是影响真菌群落结构的主要环境因子,但影响不同真菌功能群的最关键环境因子存在差异。     

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。     

菌根真菌与兰科植物生境选择的相关性研究进展

随着基因测序技术的发展,研究者获取了大量有关兰科菌根真菌群落组成的信息。这些信息为探究菌根真菌与兰科植物的生境选择之间的相关性提供了有力证据。综合过去近10年的研究结果,根据兰科植物广域分布、异质性生境、小生境共存以及生态位分化等分布特征,对不同分布特征的兰科菌根真菌群落组成差异进行了梳理归纳,发现：广域分布的兰科植物通常具有泛化的菌根特征,或其特定的真菌伙伴亦具有广域分布特征;异质性生境会导致兰科菌根真菌群落组成差异,暗示菌根真菌在兰科植物适应不同异质性生境过程中具有特殊的生态功能;在同一区域中共存的兰科植物,其菌根真菌群落组成具有显著差异,有效避免了不同种兰科植物对同种养分的竞争;不同生态位分化的兰科植物,其菌根真菌群落组成具有显著差异,表明菌根真菌在宿主植物的生态位分化过程中亦起到重要作用。未来还应在大尺度空间兰科植物的菌根真菌类群变化、促进种子萌发特异性真菌类群以及菌根真菌的生态功能等方面加强研究。期望能为从事相关研究的业界同仁提供参考,并为兰科植物多样性保护及生态恢复提供理论参考。     

林木共生菌系统及其作用机制——以杨树为例

杨树（Populus）是重要造林树种,也是研究林木基础生物学性状的模式材料。不仅如此,杨树可与多种细菌（内生细菌、内生固氮菌和根际促生菌）和真菌（外生菌根真菌、丛枝菌根真菌和内生真菌）类群建立共生关系,为揭示树木和微生物之间的互惠共生机制提供了理想模型。这些共生菌能积极调控林木生长发育、营养吸收和生理生态过程。目前在杨树-双色蜡蘑（Laccaria bicolor）形成的外生菌根发育、提高杨树耐盐、耐重金属的生理与分子机制、叶片内生真菌群落结构与病害发生、菌根辅助细菌和菌丝内共生细菌-真菌-杨树形成的三重跨界共生等方面取得多项突破。近年来,一批模式草本植物微生物组（microbiome）计划相继实施,对共生菌群落结构和功能的认识有了革命性的进步。以美洲黑杨、毛果杨和胶杨为代表的林木微生物组研究也已启动,表明宿主基因型和环境因子可显著影响共生菌群落结构与物种组成;在根际（rhizosphere）和内生（endosphere）环境存在结构和功能迥异的菌群。另一方面,以根系为诱饵,通过宿主表型来推测菌群功能的反向"钓鱼"策略将推动林木根际微生物工程研究,为揭示杨树-微生物群落的相互关系、菌群进化搭建了研究模型。总之,深入认识多元微生物对林木表型和生理代谢的表观遗传学调控机制将为今后创制新型菌剂并用于高效育苗和抗性育种提供新的思路,具有重要的科学意义和应用价值。     

兰科植物共生胶膜菌:分类学、多样性、专一性和适应性

兰科植物与丝核菌类真菌,包括胶膜菌科、角担菌科和蜡壳菌科等形成菌根共生体。胶膜菌科真菌作为最广泛分布的共生菌根真菌,表现出与兰科植物的协同进化与密切关系。除了形态学特征分析和比较外,分子技术促进了兰科植物胶膜菌的分类学和多样性研究。兰科植物与胶膜菌的特异性可能限制兰科植物的分布和移栽后的生存能力,但有些兰科植物与胶膜菌的共生关系会因为地理分布或环境变化进行调整,使植物更好地生存,这种适应性为实现无菌苗菌根化来促进兰科植物的迁地保护或繁殖提供可能。本文综述了兰科植物共生菌根真菌胶膜菌在分类学、多样性、特异性和适应性等方面的研究。     

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。     

城市废弃物资源化共生网络:概念、特征及体系解析

挖掘城市废弃物中有价值的资源,已经成为世界各国开展废弃物开发与管理的共同选择。产业共生是推动经济绿色发展和提高资源效率的战略工具,已经成为探讨废弃物资源化利用问题的重要视角。将产业共生理论引入城市废弃物资源化利用领域,提出城市废弃物资源化共生网络的概念,并将其典型特征概括为"四个统一",即价值网络与责任网络的统一,集聚共生与虚拟共生的统一,稳健型与脆弱性的统一以及自组织性与主体建构性的统一。借鉴超网络理论构建城市废弃物资源化共生网络体系的结构模型,并从共生单元、共生模式、共生界面和共生环境4个层面对该模型进行详细解析。城市废弃物资源化共生网络可分为核心网络和外围网络,两者之间存在全方位、多层次的合作机制。在城市废弃物资源化共生网络中,共生单元具有多层次性和多样性特征,它们之间存在着不同类型、效率各异的共生关系,推动共生模式向对称互惠一体化共生进化是破解城市废弃物资源化利用难题的关键;共生界面具有物质交换、能量传递、信息共享、知识传播及利益协调等多样化功能,而共生关系的进化以及共生界面功能发挥又依赖于优越的共生环境。此外,城市废弃物资源化共生网络有依托型、平等型、嵌套型和虚拟型等4种运作模式,国内典型案例分析表明这4种运作模式将长期并存。     

Mechanisms of nutrient transport across interfaces in arbuscular mycorrhizas

Bidirectional nutrient transfer between the plant and the fungus is a key feature of arbuscular mycorrhizal symbiosis. The major nutrients exchanged between the symbiotic partners are reduced carbon, assimilated through the plant photosynthesis and phosphate, taken up by the fungal hyphae exploring soil microhabitats. This nutrient exchange takes place across the symbiotic interfaces which are bordered by the plant and fungal plasma membranes. This review provides an overview of the current knowledge of the mechanisms underlying nutrient transport processes in the symbiosis, with special emphasis on recent developments in the molecular biology of the plant and fungal primary (H⁺-ATPases) and secondary transporters.     

基于生命周期视角的产业资源生态管理效益分析——以虚拟共生网络系统为例

资源流代谢失调是造成产业生态环境问题的主要原因之一,对其实施基于共生网络的生态管理是解决问题的一项重要的举措。运用全生命周期的思想构建了产业资源共生网络及其管理框架,并运用全生命周期评价的方法,借助生命周期评价软件GaBi4,分别选取EI99 (Eco-Indicator 99)、CML2001 EP评价体系,以武汉市造纸产业为例,通过设计合理的资源流网络关系及中水、废纸和污泥利用共生路径构建虚拟造纸产业共生网络,对比分析了共生设计系统与原有共生系统的各生态环境影响。并运用市场价值法对共生设计系统的经济效益进行了分析。结果表明:共生设计系统总的环境影响、生态系统质量、人体健康、资源损耗值的环境影响分值分别为1166.445、814.509、148.893、203.045,比原有系统分别减少23.91%、19.15%、46.56%、22.26%;其中富营养化、气候变化的影响分别比原有系统降低56.25%、16.62%。同时共生设计系统通过污水、废纸及污泥的回用,在不考虑市场波动的情况下,可获得1018-7252万元的经济效益。可见,通过构建共生网络的生态管理是提高资源利用效率的有效手段之一,在一定条件下可取得明显的环境和经济效益。     

兰科植物种子共生萌发真菌多样性及共生萌发机制研究进展

自然环境下,兰科植物种子细小无胚乳,需要和适宜的真菌共生才能萌发,因而与真菌有天然的共生关系。自身繁殖率低加之近年来栖息地环境破坏导致兰科植物资源更加濒危,而通过筛选适合的真菌进行种子的共生萌发可以有效地实现兰科植物的种质保育及濒危种类野生居群的生态恢复。本文对地生型、附生型以及腐生型等兰科植物已发现的萌发真菌的多样性进行了系统地梳理,发现担子菌门的胶膜菌科、角担菌科以及蜡壳耳目真菌为已报道共生萌发真菌的主要类群;同时对兰科植物种子的共生萌发机制,包括形态学机制、营养机制和分子机制等方面的相关研究进行了归纳论述,但是当前关于兰科植物和真菌互作机制方面的研究还相对较少,许多问题需要进一步明确。本文对共生萌发真菌在兰科植物保育和繁育中的应用以及共生萌发机制的研究等方面具有一定的参考价值。     

Preference,specificity and cheating in the arbuscular mycorrhizal symbiosis

Arbuscular mycorrhizal symbioses are mutualistic interactions between fungi and most plants. There is considerable interest in this symbiosis because of the strong nutritional benefits conferred to plants and its influence on plant diversity. Until recently, the symbiosis was assumed to be unspecific. However, two studies have now revealed that although it can be largely unspecific with the fungal community composition changing seasonally, in certain ecosystems it can also be highly specific and might potentially allow plants to cheat the arbuscular mycorrhizal network that connects plants below ground.     

How are plant and fungal communities linked to each other in belowground ecosystems? A massively parallel pyrosequencing analysis of the association specificity of root-associated fungi and their host plants

In natural forests, hundreds of fungal species colonize plant roots. The preference or specificity for partners in these symbiotic relationships is a key to understanding how the community structures of root‐associated fungi and their host plants influence each other. In an oak‐dominated forest in Japan, we investigated the root‐associated fungal community based on a pyrosequencing analysis of the roots of 33 plant species. Of the 387 fungal taxa observed, 153 (39.5%) were identified on at least two plant species. Although many mycorrhizal and root‐endophytic fungi are shared between the plant species, the five most common plant species in the community had specificity in their association with fungal taxa. Likewise, fungi displayed remarkable variation in their association specificity for plants even within the same phylogenetic or ecological groups. For example, some fungi in the ectomycorrhizal family Russulaceae were detected almost exclusively on specific oak (Quercus) species, whereas other Russulaceae fungi were found even on “non‐ectomycorrhizal” plants (e.g., Lyonia and Ilex). Putatively endophytic ascomycetes in the orders Helotiales and Chaetothyriales also displayed variation in their association specificity and many of them were shared among plant species as major symbionts. These results suggest that the entire structure of belowground plant–fungal associations is described neither by the random sharing of hosts/symbionts nor by complete compartmentalization by mycorrhizal type. Rather, the colonization of multiple types of mycorrhizal fungi on the same plant species and the prevalence of diverse root‐endophytic fungi may be important features of belowground linkage between plant and fungal communities.     

丛枝菌根真菌的生态分布及其影响因子研究进展

丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)共生体系对于植物适应各种逆境胁迫具有重要积极作用。AM真菌还能够通过根外菌丝网络调节植物群落结构和演替,深刻影响生态系统结构和功能的稳定性。AM真菌生态生理功能的发挥主要取决于其生态适应性,明确AM真菌在不同环境中的多样性、生态适应性以及对各种生态因子的响应机制,是AM真菌资源管理、功能发掘与利用的前提。迄今为止,有关各种生态因子对AM真菌多样性的影响已有不少研究,但是AM真菌生态分布及其形成机制仍缺乏系统的研究和理论分析。综述了生物因子和非生物因子对AM真菌生态分布的影响,结合大型生物空间分布理论探讨了AM真菌生态分布规律和建成机制,分析了当前本研究领域所存在的问题和动向,以期推动相关研究进展。     

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.