叢枝菌根對防治植物缺鐵性黃化病的作用機理與應用研究

張玉婷 陳佳毅 李培根 琚淑明

(徐州工程學院環境工程學院，江蘇 徐州 221018)

植物缺鐵性黃化病是由于植物體內Fe元素含量相對過低而導致的葉片黃化，植物生長勢衰弱，甚至危害植物生存的一種生理性病害。自20世紀初缺鐵性黃化病多被報道，為防治黃化病對植物造成的危害，相關領域研究人員相繼研發了土壤改良、莖干Fe元素注入等有效的防治措施，但是現存措施存在易復發、經濟投入過高等缺點，因此研究經濟、長效、安全的防治措施成為亟待解決的問題。 叢枝菌根真菌(ArbuscularMycorrhizalFungi,AMF)應用于困難立地造林，多有報道，例如馬尾松造林、南京地區楸樹困難立地造林、油松造林等，AMF研發的微生物菌肥在農業生產實踐中廣泛應用。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，備受相關領域研究人員的關注。美國、歐盟、韓國等國家以及目前國內外科學家對于叢枝菌根做了大量相關的研究，對植物黃化現象有了較為深入的了解。本研究從叢枝菌根對植物缺鐵性黃化病的機理與應用研究進行綜述，同時對未來植物黃化研究方向提出了展望，旨在探明叢枝菌根對防治植物缺鐵性黃化病的機理，為植物黃化病的防治提供長期有效的方案。

1 缺鐵性黃化病致病機理

國內外學者對植物缺鐵性黃化病致病原因及相關機理進行了深入的探討，對其防治措施進行了大量實踐。研究認為導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為植物體內缺少鐵元素導致植物體內的葉綠素合成受到阻礙，導致植物生長緩慢，嚴重至生長停滯而死亡[1-2]。徐萬泰等人發現樹木本身的生長狀況也可造成植物缺鐵性黃化病，例如香樟黃化病的發病率隨香樟的胸徑增大呈先上升后下降的趨勢，胸徑為15cm為發病率最高[3]。晁無疾等人發現葡萄不同種群和品種發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[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，本質上是土壤鐵素營養失調引起的一種生理病害，與土壤中鐵元素的形態和活性有很大關系。何天明等人對香梨產區土壤樣品進行理化特征分析，土壤高pH和有效鐵含量低是香梨葉片出現黃化病的主要原因[5]。

針對堿性土壤導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給是主要的防治措施。土壤改良是通過施用有機肥、腐殖酸、醋糟等基質調節土壤的pH，促進Fe3+向Fe2+的轉化，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變為無效鐵，失去肥效。葉面噴施絡合態鐵的方法由于植物體內鐵的移動性很小，新生長的葉片仍呈黃化癥，需反復噴施，實際應用的成本過高[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，提出利用微生物進行土壤微生態系統的調整，來促進植物對Fe的吸收。

2 叢枝菌根對防治植物缺鐵性黃化病的機理

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并吸收土壤養分供給宿主植物實現互利共生[15]，這對植物個體間營養平衡方面具有重要的作用，并對宿主植物的N、P等養分的轉移分配產生影響[16-17]，它將改變植物個體功能形狀和營養狀況以及表型形狀等。缺鐵導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，促進植物對鐵的吸收是緩解植物缺鐵型黃化病的重要機制。

2.1 增加土壤鐵的有效性

植物的根系在缺Fe的土壤環境中分泌出酚類、黃素等有機物質[18-19]。而酚類、黃素以及其他有機物質對土壤微生物具有毒害脅迫作用[20-23]，同時部分分泌物又可以作為某些微生物的碳源物質，刺激微生物的生長繁殖，從而在植物的根際形成特殊的微生物群落結構，這些改變的微生物群落結構轉而影響植物對鐵營養的吸收[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，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]。這既能達到校正植物缺鐵失綠，又能達到保護生態和諧，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，這對于石灰性土壤抗缺鐵營養脅迫具有特殊的意義。

2.2 影響植物生理狀態

研究表明，AMF侵染對植物生理狀態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入皮層細胞間或細胞內形成內生菌絲。它既是物質運輸通道，也是AMF與宿主植物進行營養交換的器官和場所。物質在AMF菌絲的傳輸速度遠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,從而提高了基質中鐵的氧化還原能力，使更多的Fe3+轉化為Fe2+,供植物根系直接吸收，進而增強植物對鐵的吸收效果[30]。

3 叢枝菌根對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物，調節土壤 pH，提高土壤酶活性和營養元素的有效性[31]。研究顯示，AMF能提高植物對Fe的吸收。王明元等人研究了堿性條件下地表球囊霉(Glomusversiforme)接種枳實生苗，促進了植株生長，提高了葉綠素、活性鐵與全鐵含量，增強了根系Fe3+還原酶活性，減輕了其缺鐵性黃化病的產生[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鐵元素含量[33]；集球囊霉(Glomusfasciculatum)和大果球囊霉(Glomusmacrocarpum)單一及復合接種大葉相思能顯著促進植物生長，提高植物體內鐵元素的含量，并且復合接種效應顯著高于單一處理[34]。G?sto等人研究了不同種類的復合AMF接種蘋果苗，能不同程度提高植物體內鐵元素的含量[35]。Balakrishnan以玉米為材料接種AMF(Glomusintraradices)研究菌根對土壤中鐵與鋅元素狀態的影響，實驗顯示接種菌根后，植物根際植物有效性鐵、鋅元素含量明顯提高。因此特定環境下，目標植物AMF優勢功能性菌株的篩選成為項目成功實施的關鍵[36]。

3.2 植物種類

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

3.3 土壤環境因素

多項研究顯示，土壤環境因素也成為影響AMF接種對植物吸收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得出不同的實驗結果。Raju等人經研究發現土壤pH磷的供應和土壤的溫度等可能導致了實驗結果之間的差異[41]。Clark和Zeto綜述了AMF對植物吸收礦質元素的影響，認為在堿性土壤中，菌根能促進宿主植物的生長，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對酸棗實生苗吸收土壤鐵元素的影響，顯示菌根對植株體內Fe的濃度無顯著影響[43]。金崇偉進行的鐵同位素(59Fe)示蹤試驗顯示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 結論與展望

從以上綜述可以看出，AMF接種促進植物對Fe的吸收，防治缺鐵性黃化病，低成本、操作簡單、持效性長，有重要的研究與應用前景。就其影響因素來看，不同種的AMF功能不同，而同種AMF在不同生境中長期生存會表現出不同的生態適應性。不同植物適宜的AMF種類不同，篩選高效的功能菌種會成為一個重要的研究內容。同時，外源AMF接種在一個新的環境下也必然有一個本土化的過程，外源AMF菌種/菌群的引入，勢必導致其與土壤土著AMF菌群生態位的改變，整體AMF菌群“功能多樣性”，即菌種生態位、AMF群落多樣性及功能會發生一定的變化，而土著AMF可能更適應條件，競爭力更強。對于引入AMF的成功定殖，維持其長期較高的競爭力是尤其重要的。因此，探究引進篩選后的AMF與土著AMF之間的關系及其競爭的基本機制具有重要的意義，而且也是構建穩定植物-目標AMF共生體系，防治植物缺鐵性黃化病的前提。