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瞿宋林， 吴一凡， 刘忠宽， 王国良， 陈妍静， 戎郁萍*
(1.中国农业大学草业科学与技术学院， 北京 100193；
2.河北省农林科学院农业资源环境研究所， 河北 石家庄 050057；
3.山东省农业科学院休闲农业研究所， 山东 济南 250023)
紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是一种优质豆科牧草，具有蛋白质含量高、营养丰富、适口性好、生物固氮能力强以及适应范围广的特点，被誉为“牧草之王”。紫花苜蓿在我国栽培历史悠久，形成了‘肇东’、‘敖汉’、‘陇东’、‘新疆大叶’等多个优良的地方品种，并已培育出众多具有不同抗逆性的新品种，如中苜、龙牧、公农和甘农等多个系列，这些育成品种适宜我国不同地区地理气候条件，已在多地推广种植。苜蓿除了可以作为优质饲料，同时因其较强的再生能力与发达的根系，有助于促进水土保持与土壤改良，也常应用于生态修复领域。丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza fungi，AM)真菌是土壤微生物中重要的一类能与植物根系形成菌根共生关系的真菌，具有促进植物生长发育的功能。AM真菌可以利用菌丝网络扩大植物根系与土壤的接触面积，促进植物吸收水分和土壤养分的能力；
另一方面AM真菌与植物形成共生体后还可有效改良土壤结构与理化性质，对于生态修复有着重要作用[1-2]。鉴于紫花苜蓿和AM真菌两者的特点与作用，研究AM真菌对紫花苜蓿在植物生长发育和植物抗逆性以及改良土壤等方面的作用，具有重要的生态和农业意义。
AM真菌是常见的土壤微生物之一，在自然界中分布极广，遍布各生态系统[3]。现已被鉴定出的AM真菌隶属于球囊菌门(Glomeromycotina)球囊菌纲(Glomeromycetes)的球囊霉目(Glomerales)、多孢囊霉目(Diversisporales)、类球囊霉目(Paraglomerales)和原囊霉目(Archaeosporales)中的12个科的36个属[4]。除了藜科、莎草科、石竹科等少数科属植物难以形成菌根[5]外，AM真菌能与世界上约90%的植物形成菌根[6]。菌根共生体可以通过其构建的丛枝结构，与植物进行双向营养交换，改善植物营养状况；
形成向外的菌丝网络还能扩大根系与土壤接触面积，促进植物生长发育与物质吸收能力[7-9]。同时，冯海燕等[10]研究发现AM真菌的生长和代谢活性受到宿主植物的营养状况的调控。AM真菌作为一种优异的共生组合在农林植物生产与生态修复保护中具有极高的未来应用前景和生产开发前景。首先，AM真菌能有效地促进植物对土壤中水分和养分的吸收。马放等[11]通过对小麦(TriticumaestivumL)接种AM真菌，发现AM真菌可以改善小麦的株高性状和提高单位面积的生物量，同时还能加强小麦对土壤中N元素的吸收利用。刘慧等[12]研究表明，对羊草接种摩西球囊霉(Glomusmosseae)和幼套球囊霉(Glomusetunicatum)两种AM真菌，对提升羊草分蘖数、地上生物量和总生物量具有极显著作用。刘云龙等[13]研究表明，无论是盆栽还是大田环境下，利用AM真菌侵染大豆，可以显著提升大豆地上部N，P元素含量以及对这两种元素的吸收量，说明大豆接种AM真菌可以加强固氮能力和对P元素的吸收利用。赵青华等[14]研究表明在一定的施N水平下，接种AM真菌可以增加茶叶中N，P，K，Ca，Mg等元素的含量，且AM真菌处理还能改善茶叶品质，显著提高茶叶中的茶多酚、咖啡碱、蛋白质含量。另一方面，AM真菌能提升植物的抗逆能力。AM真菌能加强宿主植物抗逆性的效果与菌根的强大吸收能力有关，菌根菌丝对矿质养分和水分的吸收，可以改变植物体内离子平衡，削弱逆境对细胞膜的损伤，减弱生理性干旱的影响[15]。范继红等[16]研究表明，接种AM真菌可以显著增加甘草的主要渗透调节物质含量，显著提高甘草的抗逆性。王立等[17]通过盆栽实验发现摩西球囊霉能与小麦形成菌根共生体系，增强小麦抗病能力，显著降低根腐病的发病概率、发病指数和病情。AM真菌对紫花苜蓿生长发育的影响大致可以分为两个方面，即对紫花苜蓿的直接影响和通过影响土壤性能对紫花苜蓿的间接影响(图1)。
2.1 AM真菌促进苜蓿的生长发育
作物幼苗的强弱对生长发育和成熟后的产量与品质有着至关重要的影响。许多试验都表明在紫花苜蓿苗期接种AM真菌可以培育出高抗逆性、高品质的苜蓿幼苗。
张海娟等[18]在6种禾本科牧草播种时接种AM真菌，显著提高了生物量与根系活性等指标。王栋等[19]通过土培试验研究发现接种AM真菌处理后的紫花苜蓿幼苗不仅在植物各组织中N，P元素含量显著提高，还表现出更强的根系活力、更高的叶绿素含量以及更丰富的生理特性。AM真菌侵染可有效提高植物的光合能力[20]和盐胁迫下的气孔导度。有研究表明，在盐胁迫下用AM真菌栽培紫花苜蓿可以促进其生物量积累和养分吸收，增加其地下部生长，促进了如P，K等中微量养分元素的积累。此外，AM真菌增加了盐胁迫下紫花苜蓿叶片的PSⅡ和PSⅠ活性，增加了PSⅡ供体和受体侧的电子传递能力。AM真菌不仅使紫花苜蓿在盐胁迫下具有较高的气孔导度，而且显著提高了其利用CO2的能力[21]。AM真菌对于处于水分胁迫、盐碱胁迫、重金属污染等逆境下的植株也具备相同的促进效果。邢易梅等[22]研究表明单接种或双接种摩西球囊霉和根瘤菌均能提高紫花苜蓿的渗透调节能力和抗氧化能力，降低细胞膜损伤。Li等[23]通过在中国东北温带草甸进行原位排除降雨试验，发现AM真菌显著降低了干旱对植物生长的负面影响，如提高植物光合速率等。水分胁迫会影响植株内的水分含量，抑制光合作用等生理活动。于萌等[24]研究发现，接种AM真菌有助于紫花苜蓿在干旱条件下提升抗旱能力，增加植株中的脯氨酸含量，缓解细胞膜损伤，同时还显著提高了紫花苜蓿的地上部与根系的干重。盐碱胁迫是限制紫花苜蓿生产的主要限制因素之一，但在盐碱胁迫环境下接种AM真菌可以减少盐分对苜蓿的有害影响，AM真菌可以通过维持较高叶片水势、减少MDA含量、诱导可溶性糖和抗氧化酶积累作为缓解盐分损害的措施，并通过提高PSⅡ的效率提高植物生产力[25]。
2.2 AM真菌促进紫花苜蓿对营养元素的吸收
N，P，K三种元素是植物生理生化重要的结构组分，对于植物生长、发育和繁殖有着重要的作用[26]。韩颜隆等[27]研究表明，对四个品种紫花苜蓿，施氮能提高各品种农艺性状和品质。范富等[28]研究表明施N有利于增加紫花苜蓿中粗蛋白、粗脂肪、粗灰分的含量；
施P会增加粗灰分和粗蛋白含量，但会降低粗纤维含量；
适量施K可以提升无氮浸出物的含量。简而言之，营养元素对于紫花苜蓿的生长发育和产量品质有着重要影响。
不同的AM真菌与植物组合会产生不一样的效果，这既受AM真菌种类的影响，也取决于宿主植物自身的形态特征和功能[29]。紫花苜蓿作为直根系植物具有主根和大量侧根，对菌根有较强的依赖性，常被作为研究菌根的模式植物。
菌根共生体能够改善宿主植物的营养状况，促进植株对土壤中各种矿质元素的吸收，因此接种AM真菌能加强紫花苜蓿对于土壤养分的吸收利用。胡振琪等[30]通过盆栽实验对紫花苜蓿接种AM真菌，发现AM真菌接种处理能提高紫花苜蓿N，P，K含量和地下部的氮吸收量。刘忆等[31]通过微区试验对紫花苜蓿接种AM真菌，研究发现菌根外延菌丝广泛伸入土壤，扩大了养分吸收空间；
AM真菌所分泌的氢离子和有机酸提高了土壤矿质养分的生物有效性；
AM真菌释放的纤维素酶、蛋白酶和磷酸酶，可促进有机质矿化。
紫花苜蓿对于磷肥较为敏感，磷元素已经成为制约其生产的重要营养元素之一[32]。而AM真菌共生最显著的优点是增强植物对磷元素的获取吸收[33]。植物通常以磷酸盐(Pi)的形式吸收磷，在田间环境中植物吸收的大部分Pi可以通过菌根途径获得，但磷获取效率一般只有15%左右[34]。AM真菌的菌丝可以帮助紫花苜蓿扩大对磷元素的获取范围，并且菌根相较于植物根系能够存储更多的磷，从而使紫花苜蓿在生长过程中获得充足的磷素供应。Zaefarian等[35]通过盆栽实验研究发现不同种AM真菌对紫花苜蓿的P的吸收和转运能力影响存在差异，但都提升了紫花苜蓿对P，N养分吸收、转运效率。任爱天等[29]对不同磷水平下紫花苜蓿接种AM真菌也得到了相似结果。
除了N，P，K外，AM真菌对其他元素吸收也有影响。R Azcón等[36]研究表明，AM真菌可以显著抑制钙质土壤中紫花苜蓿对钙元素的过度吸收并且接种AM真菌处理降低了土壤中的Ca∶P比值。黄晶等[37]试验发现在Cd，Zn污染土壤条件下AM真菌仍能侵染紫花苜蓿，并促进植株对两种污染源的吸收积累，不同AM真菌对植株吸收积累污染源草促进幅度不同。
2.3 AM真菌提高苜蓿抗病虫的能力
由土传病原物侵染引起的土传病害是最难防治的病害之一，而AM真菌对由真菌、线虫、细菌等病原体引起的土传性植物病害有拮抗作用，诱导宿主植物增强对病虫害的耐、抗病性[38]。AM真菌侵染植物提升其抗病能力的作用机制大致可以分为三类：一是增强寄主植物的系统免疫力，二是改变病原体生存环境以降低其活动范围，三是协同其他因素来改善植株或环境，从而提高寄主植物抗病性[39]。Li等[40]通过对由苜蓿疫霉菌感染引起的苜蓿叶斑病研究发现，接种AM真菌能够显著抑制苜蓿叶斑病发病率和疾病指数，同时还诱导防御途径的活性，从而减轻苜蓿疫霉菌对苜蓿的影响。王晓瑜等[41]通过研究接种AM真菌(摩西管柄囊霉)和苜蓿中华根瘤菌对紫花苜蓿萎蔫和根腐病的影响，发现两者共同接种可以形成互作效应促进苜蓿形成根瘤、改善植株品质和显著降低萎蔫和根腐病发病率。菌根化植株根系的变化还体现在诱导细胞壁产生富含羟基脯氨酸糖蛋白(Hydroxyproline-rich glycoprotein,HRGP)。HRGP是植物细胞壁上的糖蛋白质线性复合分子，可以提高宿主植物细胞壁的强度，从而阻止病原体侵入植物细胞。该研究还表明AM真菌和根瘤菌共同接种可以促进苜蓿生长，显著提高苜蓿生物量。然而有研究结果与此相反，Gao等[42]通过研究AM真菌和根瘤菌对苜蓿根腐病的联合作用，结果发现AM真菌诱导的苜蓿显著生长与根瘤菌接种无关。豌豆蚜爆发性强、危害大，是危害紫花苜蓿生长的主要害虫[43]。李应德等[44]研究表明，AM真菌通过提高植物抗氧化酶活性和植物激素信号物质含量来响应蚜虫取食胁迫，从而抑制豌豆蚜对苜蓿取食导致的负效应。综上所述，接种AM真菌可以减少紫花苜蓿病虫害的发生。
植物修复是一种潜力巨大的环境保护技术，利用微生物菌株强化植物修复能力是改善土壤重金属污染的主要策略之一[45]。Meglouli等[46]研究表明，接种AM真菌的紫花苜蓿和高羊茅可以增强土壤二噁英的消散。植物修复技术在金属污染盐渍土壤中往往会因为重金属和盐分胁迫而受到限制，较高浓度的重金属会抑制植物生长[47]，而利用促进植物生长的微生物与宿主植物结合可解决此类问题。AM真菌可以增强植物对各种环境胁迫如干旱、盐碱和极端温度的抗性，从而改善其生长状况和产量品质。张延旭等[48]通过研究煤矿沉陷复垦区接种AM真菌处理的紫花苜蓿，发现与对照组相比，接种菌根利于生态修复，不仅有助于苜蓿生长还显著改善根际土壤质量、土壤含水量和土壤中相关生理生化指标。此外有研究表明[49]，在采煤塌陷区土壤中接种AM真菌，能够影响土壤氮循环，显著提高土壤养分含量(土壤全氮、溶解有机氮和硝态氮)和土壤酶活性(土壤转化酶、脲酶和碱性磷酸酶活性)。
AM真菌还能提高污染土壤中微生物多样性，促进土壤植被的恢复。王海娟等[50]研究表明，AM真菌菌剂与肥料混合使用能显著改善露天煤矿复垦区紫花苜蓿的生长状况，提高土壤肥力和土壤微生物数量。这一变化可能与接种AM真菌能够增加土壤腐生性营养真菌或抑制其他真菌和细菌的数量有关[51]。
与未接种AM真菌的土壤相比，接种AM真菌能够改良土壤的物理性质，如土壤含水量、孔隙度、通透性等，从而促进植物生长发育。有研究表明，AM真菌不仅可以有效提高压实土壤的含水量与土壤孔隙度，增加土层粘聚力与渗透能力[52-53]，还有助于基质中碱解氮含量的提升[54]。
AM真菌改良土壤通透性和持水能力主要与其本身菌丝分泌的球囊霉素相关土壤蛋白(Glomalin-related soil protein,GRSP)存在关联，土壤容重会随着土壤中GRSP含量的上升而呈现显著下降趋势[55]。球囊霉素相关GRSP是土壤团聚体稳定物质之一，对于提升团聚体稳定性和提高土壤碳存储具有重要作用[56]。Stefano Bedini等[57]通过对苜蓿接种不同的AM真菌，结果表明菌根植物土壤的团聚体稳定性和GRSP含量显著高于非菌根土壤，说明AM真菌有利于改善土壤肥力和土地恢复。
AM真菌促进紫花苜蓿生长发育、提升抗逆性的效果受到AM真菌、紫花苜蓿以及外界环境三者之间相互作用的影响。其中，环境条件对前两者的影响显著。在营养成分较少的基质中，接种AM真菌不仅能够促进紫花苜蓿生长，还可提高其在逆境下的耐受性以及抗病虫能力。相比于单独接种，AM真菌与其他内生真菌混合接种可能是一种更有效的处理模式。目前，关于单一AM真菌对同科牧草的不同影响、AM真菌接种方法和适应范围等方面研究还比较少；
此外，AM真菌通过基因调控影响紫花苜蓿的抗病机制仍有待探索，例如AM真菌最先诱导哪个信号物质?基因的改变受哪个/些信号物质诱导产生?定位、筛选出AM真菌诱导表达的相关抗性基因,探究其产物的结构、功能及诱导表达机制。目前国内外已经筛选出多种抗病AM真菌，但生产中大多为直接使用菌株或菌剂应用于紫花苜蓿病害防治，因此其活性有效期及效果稳定性难以保证[58]。紫花苜蓿生长不仅受到地下部的生物胁迫，还面临地上部的生物胁迫。Pozo M J等[59]研究表明接种AM真菌能够抑制地上有害生物对植物的胁迫影响，但具体影响机制仍有待系统性的研究。综合国际上对于AM真菌在牧草生产中的研究动态，未来研究方向应向以下几点集中：(1)筛选出AM真菌-植物共生体系的最佳组合并制定相匹配的管理措施，以促进AM真菌的发挥效能和应用效果。(2)研究新型AM真菌接种方式，提高其在苜蓿实际生产中的使用便利性。(3)深入AM真菌防治病虫害方向的研究。(4)进一步深入研究AM真菌紫花苜蓿共生的抗病机制。未来研究中应利用同位素标记、分子生物学、激光共聚焦扫描显微等技术和基因工程手段深入研究AM真菌对各种信号途径的影响及各信号物质之间的相关性[60]。(5)进一步探究AM真菌对紫花苜蓿地上部分的生物防治作用，明确紫花苜蓿地上部-病原体-AM真菌之间的种间协同竞争关系。随着现代科学技术发展迅速和加工工艺的更新换代，国际上已有公司可大规模生产AM真菌菌剂[50]。AM真菌作为一种低污染高效益的生物质肥料，可能在一定程度上代替传统化肥与农药的使用，还具备改善土壤结构与理化性质的功能，符合当今世界所推崇的环保理念。当前我国草业与畜牧业蓬勃发展，包括紫花苜蓿在内的牧草需求量逐年上升，因此绿色安全的AM真菌技术发展潜力巨大。
