研究菌根的农学论文

2020年5月18日，英国利兹大学 Katie J.Field 团队在 Current Biology 上正式发表了题为 Aphid herbivory drives asymmetry in carbon for nutrient exchange between plants and an arbuscular mycorrhizal fungus 的研究性论文，探究蚜虫取食植物和CO2浓度对小麦菌根功能的影响，结果表明共生体之间物质交换受到生物和非生物因素相互作用的影响。1.  前言 植物与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）建立共生关系的特征是两者存在双向的物质交换，即AMF为植物传递土壤养分，同时植物提供碳水化合物和脂类作为回报，该过程可能存在着对称性。非生物因素，包括大气二氧化碳（CO2）浓度，会影响共生体之间的物质交换，从而影响共生功能。昆虫取食植物等生物因素是否影响菌根的功能尚未得到研究。有证据表明，植物转移到AMF的碳含量可能受到AMF提供的营养物质和植物同化物的严格调控。更多试验显示，植物可以区分互利共生的菌根真菌伙伴，优先将碳分配给更“合作”的AMF。反过来，菌根也会受到植物碳的刺激而产生更紧密的联系。 通过使用33P标记AMF（ Rhizophagus irregularis ）和14CO2标记小麦（ Triticum aestivum ），检验增加碳库强度（即蚜虫取食植物）和增加碳源强度（即提高CO2浓度）对植物-AMF共生体之间物质交换的影响。结果表明，在禾谷缢管蚜（ Rhopalosiphum padi ）啃食植物叶片后，植物分配给AMF的碳数量显著减少，而提高CO2浓度并不能缓解该结果。然而，无论蚜虫取食或CO2浓度升高，植物对菌根途径的33P保持不变，这意味着昆虫取食导致了共生体之间的碳磷交换的不对称性。结论认为，碳库强增加（蚜虫取食植物）能限制植物对AMF的碳分配，而不妨碍获得菌根提供的养分。该研究结果强调了植物与AMF之间资源交换的环境依赖性，并揭示了独立的生物因素或生物-非生物因素是共生体功能的有效调节因子。2.  材料和方法 2.1.  试验装置 小麦（ Triticum aestivum ）种植时，把一套PVC管插入花盆中（图1A和图2A）。中间填充基质，作为AMF孢子诱捕培养。植物生长8周后，将有无蚜虫（+/-）的蚜虫笼夹在植物第三片叶子上。 注：A. 每个花盆插入该管道。管道由三个圆筒组成，外层两个紧密接触的管道（1号和2号管）含有15 mm × 40 mm的空管壁，并在最外层（1号管）装有35 μm的尼龙网（仅允许菌丝通过）。1号管和2号管可旋转错位。正中央为硅质毛细管（3号管），用于添加33P水溶液（图2A）。B. 蚜虫笼。Upholstery foam：软垫泡沫（避免叶片受损）。   2.2. 33P同位素示踪 在蚜虫笼夹住植物24小时后，加入100 mL 1 MBq 33P-正磷酸盐溶液（图2A）。添加33P的花盆（ n  = 6，“旋转”处理）可旋转，破坏植物与管内菌丝的连通性。在添加33P之前进行管壁旋转，之后每48小时进行一次。剩下33P的花盆（ n  = 6，“静态”处理）不旋转，因此植物保持菌丝与内管的连接。使用“静态”处理和“旋转”处理的差值，计算菌根获得的33P（AM-33P）。 注：A. 将33P标记的正磷酸盐加入仅AMF菌丝可达到的管中。B. 装置处于密闭的空间中，14CO2由14C标记的碳酸氢钠释放。14CO2由植物固定，再分配到AMF的根外菌丝中，或被蚜虫笼内的蚜虫取食同化。2.3. 14C标记 用33P标记12天后，密封两个管道的顶部，并将装置置于密闭的空间中（图2B）。在16小时的光周期开始时，将14CO2释放到植物顶空。用注射器抽取植物顶空气体1ml，1.5和4.5小时后采集，记录植物对14CO2的吸收。2.4. 植物收获和样品准备 取下蚜虫笼和蚜虫，储存在-20℃中。对植物和土壤进行取样，分为地上部分、根系、非管内土、管内土（动态处理基质和静态处理基质）。将根系用自来水清洗，部分根系储存于5℃中用于测量根系AMF侵染率，部分管内土储存于5℃中用于测量AM菌丝，其余储存在-20℃中。3.  结果 3.1. CO2 浓度和蚜 虫取食改变宿主植物碳的有效性 使用不同CO2浓度（aCO2：440 ppm和eCO2：800 ppm）和蚜虫取食（+/-）来控制小麦的碳源和库强度。eCO2的小麦植株地上部分生物量显著大于aCO2（图3A；p < 0.001），蚜虫处理在aCO2和eCO2条件下的地上部生物量分别减少了14%和11%（图3A；p < 0.001）。 CO2浓度对小麦地下生物量没有影响（图3B），蚜虫处理显著降低了根系生物量（p < 0.001）。CO2处理与蚜虫处理对地上部和地下部生物量无显著互作（p =0.885，p = 0.636）。3.2. AMF对CO2 浓度和蚜 虫的响应 无论有无蚜虫处理，AMF侵染率比aCO2更低（图4A，p < 0.001）。虽然蚜虫取食导致植株根系显著减小，但能显著提高根系菌根侵染率（aCO2: + 41%；eCO2: + 79%；p < 0.001）。CO2浓度与蚜虫对AM侵染率无显著互作（p = 0.823）。高CO2浓度和蚜虫取食后，AMF侵染率的变化可能表明植物向AMF的碳分配发生了改变。另外，小麦根内丛枝和囊泡数量的变化趋势一致。CO2处理（p = 0.810）和蚜虫处理（p =0.565）对小麦根外生AM菌丝长度无显著影响（图4B）。3.3. 蚜虫取食减少了植物分配给AMF的碳 为了直接测试不同强度植物碳库-源的碳动态分配对AMF的影响，在密闭的空间里进行14C标记，并对近期固定并分配给共生菌根的植物碳进行了量化（图2B）。与未接触蚜虫的植株相比，接触蚜虫的植株向AMF转移植物碳含量显著降低（图5A），在aCO2和eCO2上分别减少了97%和73%。当用植物固定碳的百分比表示时，蚜虫取食同样降低了植物对AMF的碳分配（图5B，p < 0.001），但CO2浓度对此无影响（p = 0.092）。   注：A. 固定并分配到AMF网络中的14C；B. 植物固定的14C用于分配到静态根系土的比率。3.4. 植物吸收的AM-33P与植物碳分配无关 最后评估了碳库源强度动态对植物吸收AM-33P的影响。与aCO2相比，eCO2的小麦植株和菌根途径的地上部总磷浓度降低（图6A，p < 0.001），蚜虫处理也显著降低了磷浓度（p < 0.001），CO2处理与蚜虫处理无显著互作（p = 0.094）。 为了量化植物碳供应如何通过AMF单独影响植物的磷同化，研究者将33P标记的正磷酸盐添加到只有AMF菌丝可到达的基质中（图1A和图2A），并通过液体闪烁测量法定量其植物的同化。经eCO2处理时，蚜虫处理的AMF来源的地上部33P浓度更高（图6B）。总磷和33P含量显示出类似的结果（图6C和6D）。然而无论是AMF侵染率和AMF介导的33P吸收，亦或是植物分配给AMF的碳含量和AMF介导的33P吸收之间都没有相关性。这表明AMF的功能和丰度与近期固定的植物碳分配无关。注：A. 地上部P浓度；B. 经AMF传递的地上部33P浓度；C. 地上部P含量；D. 经AMF传递的地上部33P含量。 4.  结论 植物外部碳库强增加（蚜虫啃食叶片）会减少植物向AMF分配植物碳，而植物碳源强度增加并不一定会导致分配给AMF的碳增加。AMF向植物传递磷与植物碳分配无关，两者之间养分交换的碳存在不对称性。 编辑∣冯曾威 审核∣姚青 广东省科学院微生物研究所菌种组-华南农业大学园艺学院土壤微生物组联合团队