重磅综述 中国农大（IF：18.313）：冯固教授课题组阐述丛枝菌根真菌调控菌丝际微生物的研究进展（国人佳作）
菌丝分泌物不仅含有富碳的化合物，而且还能促进细菌的生长活性并影响微生物群落结构。
超过三分之二的陆生植物通过与丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）真菌形成共生而获得营养。AM真菌菌丝将不同的微生物募集到它们的菌丝际中，菌丝际是受菌丝分泌物影响的狭窄土壤区域，形成了AM真菌的第二基因组，对养分的活化和周转有重要的作用。菌丝分泌物不仅含有富碳的化合物，而且还能促进细菌的生长活性并影响微生物群落结构。这些影响导致微生物功能发生明显的变化并引起有机养分循环的变化，使菌丝际成为ECO中独特而重要的功能区。本文从AM真菌菌丝体中微生物的相互作用展开，从AM真菌菌丝际微生物组特征、AM真菌的菌丝分泌物特征以及菌丝际微生物对菌根途径氮磷吸收的影响三个方面，系统地介绍了目前菌丝际微生物组的结构与功能、菌丝分泌物的类型、作用以及AM真菌活化有机氮和有机磷的机理等研究进展，并为进一步研究AM真菌菌丝际微生物组的关键领域提出见解。
大多数陆生植物从土壤中获取矿物质养分主要有两种途径：通过根表皮细胞和根毛的根途径，以及通过丛枝菌根（AM）真菌菌丝的菌根途径。在这两种途径中，土壤微生物在养分循环中发挥着重要的作用。迄今为止，大多数研究都集中在微生物与植物根系的相互作用上，但AM真菌与相关微生物的相互作用及其如何通过菌根途径影响植物养分吸收效率的研究还很少。
丛枝菌根（AM）真菌与超过三分之二的陆生植物共生。在共生过程中，菌根真菌为植物提供矿质养分，特别是磷和氮，来换取植物的碳资源。这种交换是通过根皮层细胞内新形成的宿主-微生物界面（称为丛枝）上的特定膜转运体发生的。在共生关系中，AM真菌能够得到植物光合固定碳总量的4-20%。碳以己糖和脂肪酸的形式运输，为真菌的代谢活动提供能量，形成庞大的根外菌丝网络。菌丝际是指菌丝周围受菌丝分泌物影响，其物理、化学和生物学性质与土体土壤显著不同的微小区域。与植物根系相似，AM真菌菌丝也会在菌丝际招募微生物，因他们之间密切的生态互作关系，菌丝际微生物被称为AM真菌的第二基因组。尽管植物与AM真菌之间的相互作用已经有4.5亿年的历史，但AM真菌与菌丝际微生物组的互作及效应才刚刚引起重视。
近年来，对几种AM真菌菌株进行的全基因组测序的研究，这有助于探索AM真菌的潜在功能。与腐生真菌或外生菌根真菌的基因组相比，AM真菌编码碳水化合物降解酶（CAZys）的基因较少，尤其是缺乏糖苷水解酶（GHs），如GH6、GH7。此外，AM真菌缺乏编码植酸酶的基因，该酶能水解土壤中有机磷的主要形式—植酸酶。这表明，与其他真菌相比，AM真菌对土壤有机养分的直接活化能力相对较弱。然而，定殖在AM真菌菌丝际的土壤微生物可能极大地促进了土壤有机养分的周转，弥补了AM真菌缺失的功能。本文中，我们综述了AM真菌招募菌丝际微生物组以提高养分吸收效率的能力（图1）。
图1. 微生物组参与根系途径和菌根途径的示意图。在复杂的现实世界环境中，超过三分之二的植物与丛枝菌根（AM）真菌形成共生关系，并使用两种途径从土壤中获取养分，即通过根表皮细胞和根毛的根途径，以及通过根外菌丝的菌根途径。这两种途径都将微生物招募到根际和菌丝际，这会显著影响植物的养分吸收效率。菌丝际微生物组的组成与土壤和根际微生物组显著不同（Zhou等人，未发表）。AM真菌菌丝利用植物固定的碳产生特定的分泌物来招募菌丝际微生物组。这种菌际微生物组能够最终靠产生酶和刺激有机营养形式的矿化来弥补真菌无法利用有机营养的问题。共生功能体的这种功能极大地增加了相互作用的生物体（包括植物、AM和菌圈细菌）对氮和磷的可用性，并有助于支持整个生态系统。缩写：C，碳；N，氮；NT氮转运体；P，磷；PT，磷转运体。
在自然和农田生态系统中，已经发现多种细菌附着在AM真菌的菌丝和孢子表面。随着高通量测序的发展，菌丝际中的这些细菌逐步得到鉴定，迄今为止已经发表了14篇与菌丝际细菌多样性鉴定有关的研究（表1和在线种AM线种混合的AM真菌群落。菌丝际微生物组中的细菌涵盖了26个门（表1）。
这是在不同AM真菌的菌丝层中检测到的细菌的总结。有关完整详情信息，请参阅在线。
与其他微生物群落相比，菌丝际拥有独特的微生物组。与土体土壤相比，菌丝际细菌种类丰度较低，可培养的细菌种类却很多。菌丝际微生物的组成也受土壤成分、背景微生物组以及试验方法的影响，比如菌丝际的样品的采集方法、真菌的种类或植物的种类。例如，Nuccio等人研究显示，厚壁菌门下类群对AM真菌Glomus hoi有正响应，而放线菌门和丛毛单胞菌科下类群对相同的真菌物种则有负响应。Emmett等人研究之后发现Rhizophagus irregularis和 Glomus versiforme菌丝际微生物组以变形菌门为主，放线菌门、绿弯菌门、纤维杆菌门、酸杆菌门和拟杆菌门较少。更有趣的是，Andrade等人发现，根际细菌的数量要明显高于3种不同AM真菌菌丝际的细菌数量，同时研究还发现根际土壤中的细菌以假单胞菌为主，而菌丝际土壤中以芽孢杆菌和节杆菌为主，这在某种程度上预示着，AM真菌菌丝际土壤微生物组的结构和生物多样性明显区分于根际和土体土壤。此外，这些研究表明，不同的AM真菌招募不同的微生物组。 菌丝际微生物组具有多种功能。据报道，菌丝际中的一些微生物属如假单胞菌和芽孢杆菌具有动员土壤P的能力。此外，据报道，菌丝际微生物组在促进AM真菌的菌丝生长中起及其重要的作用。这些微生物被称为菌根辅助细菌（MHB），包括假单胞菌属，芽孢杆菌属，类芽孢杆菌属，红球菌属，链霉菌属等。单个细菌对AM真菌菌丝的作用似乎具有高度的物种特异性，它们能刺激某些AM真菌的根外菌丝的生长，但却抑制其他真菌的菌丝生长。除了协同互作外，还发现菌丝相关微生物抑制AM真菌的P吸收活性。更重要的是，在单一根系上定殖的不同AM真菌招募了不同的微生物组，这可能对AM真菌具有不一样的功能。这在某种程度上预示着AM真菌的这种生态功能高度依赖于特定的菌丝际微生物群中的特定的微生物群。除了真菌基因型的影响外，基因与环境的相互作用也发挥着作用，土壤性质如pH、营养水平、营养形态及其空间异质性均影响着AM真菌周围的细菌群落。在自然和农田系统中，不一样的种类的AM真菌共存能发挥不同的ECO功能。这些AM真菌具有不一样的形态、生理和遗传特征，导致产生不同的菌丝分泌物，这是驱动菌丝际微生物组招募的重要的因素。菌丝际微生物组也能够影响根际微生物组。先前的研究表明，当AM真菌在根部定殖时，根际微生物群落发生了显著变化。之前的研究发现，根系代谢过程受到AM真菌定殖的影响，引起根系分泌物成分的变化，招募了不同的根际微生物。然而，AM真菌的根外菌丝也能够将细菌从根际外的区域运输至根系表面。细菌能沿着真菌的菌丝迁移很长的距离，但这只是最近才在AM真菌中得到了确实。同样，最近的一项研究之后发现，与豆科植物相关的丝状真菌的菌丝网络可当作载体，使根瘤菌和豆科植物接触，并影响随后的结瘤。因此，AM真菌的根外菌丝可当作快速通道帮助土壤细菌快速移动到根系表面，这期间如何相互作用仍需进一步研究。
与根系分泌物类似，菌丝分泌物对招募菌丝际微生物发挥着及其重要的作用。随着分析技术的发展，菌丝分泌物的组成已逐渐被了解（表2）。由于AM真菌菌丝的直径极小（通常为2-20 μm），因此常用的菌丝分泌物收集方法是在用Ri T-DNA质粒转化的毛根上体外培养AM真菌，使接种的根可以无土生长，菌丝将分泌物释放到液体培养基中并从中确定其组成。Toljander等人以白三叶草（Trifolium repensL.）毛根作为宿主，收集了Glomus sp.MUCL 43205的菌丝分泌物，并通过核磁共振测量测定发现甲酸、乙酸、葡萄糖和淀粉类似物是其主要的菌丝分泌物。Bharadwaj等使用胡萝卜（Daucus carotaL.）作为宿主，收集了R. irregularisBlaszk Wubert, Renker和Busco（i.e.,R. irregularisMUCL 41833）的菌丝分泌物，对此采用高压气相色谱-质谱法鉴定，发现糖类（果糖、葡萄糖、海藻糖等）、羧酸盐（柠檬酸、琥珀酸）和氨基酸（天冬氨酸、谷氨酸、亮氨酸等）是菌丝分泌物的主要成分。在最近的一项研究中，使用亚麻（Linum usitatissimumL.）毛根作为宿主，Luthfiana等人通过毛细管电泳/飞行时间质谱法比较了两种磷水平（3 µmol PL-1和30 µmol PL-1）条件下Rhizophagus clarusCK001和R.irregularisDAOM197198菌丝分泌物中显著变化的代谢物含量。在菌丝分泌物中也检测到其他有机物，例如核酸（脱氧腺苷、脱氧胞苷和脱氧鸟苷）和磷酸酯【脱氧胞苷一磷酸（dCMP）和脱氧胸苷二磷酸（dTDP）】。此外，培养基中的磷水平影响菌丝分泌物的含量，如在R. clarus的菌丝分泌物中，包括糖、氨基酸和羧酸盐在内的18种代谢物的浓度在低P条件下显著增加。
AM真菌也可能分泌蛋白质/肽到土壤中。全基因组测序发现AM真菌中存在大量假定的可分泌的效应蛋白。最近对与植物共生的真菌不同阶段的转录组做多元化的分析，发现了许多假定的可分泌的效应子，这些效应子在根外菌丝中特异性表达，而在根内菌丝中不表达（或几乎不表达）。Zeng等人的研究进一步表明，AM真菌可根据不同植物宿主及不同发育阶段调整其分泌组。第一个在R.irregularis中鉴定出的在根外菌丝中特异性表达的AM效应蛋白称为SP7。据报道，SP7能够定位至宿主细胞表皮，进而定位到细胞核影响基因表达。除了对植物的影响外，真菌效应蛋白还可以操纵其他微生物。最近的一项研究表明，土生植物病原菌也可通过效应蛋白来调节土壤环境中的微生物组成。这项工作提出真菌效应蛋白可当作一种未开发的新型抗生素资源。因此，研究真菌分泌组在根外菌丝的不一样的部位有多大差异，真菌分泌组对不同微生物或养分源的响应，以及AM真菌能否通过效应蛋白来塑造菌丝际微生物组是很有趣的。
植物在根部分泌的次生代谢物也可能被AM真菌运输。Duhamel等人发现当G. intraradices的菌丝被以真菌为食的动物捕食时，在菌丝内检测到的梓醇（catalpol）可保护菌丝免受进一步的捕食。进一步的研究表明，梓醇不是由AM真菌合成的，而是来自寄主植物车前草。到目前为止，梓醇从植物传递到AM真菌菌丝的过程仍不清楚。其他研究发现，当植物被昆虫吃掉时，受损植物将合成拮抗昆虫的物质-水杨酸甲酯，并通过共同的菌根网络传递给邻近的植物，使其提前产生抗性。但由于上述物质的浓度通常很小，植物产生的次生代谢物是不是能够通过AM真菌菌丝分泌到土壤中尚未见报道。
有证据表明，菌丝分泌物被菌丝际细菌迅速利用并影响其生长。使用体外培养系统收集菌丝分泌物，发现其可能对特定细菌产生刺激。使用13CO2标记从植物向菌丝际传递的碳流，在细菌中发现了标记的13C。菌丝分泌物为土壤细菌提供了容易利用的碳底物，菌丝际细菌的相对数量比土体土中大得多，这表明菌丝分泌物能够在一定程度上促进微生物的生长和活动。菌丝际细菌很可能是被AM真菌的分泌物所吸引的，而已经有研究表明海藻糖和果糖等碳水化合物也参与了这种吸引过程。
20世纪60年代，Went和Stark发现AM真菌可以在亚马逊森林的凋落物中生长，并推测该真菌从凋落物中获取氮并将其转移到宿主植物。Hodge等使用双标记（15N/13C）多年生黑麦草（Lolium perenne）叶，发现AM真菌既能促进土壤中复杂有机物的分解，又能增加对土壤中氮的获取。研究之后发现，有机物的存在促进了AM真菌菌丝的生长。然而，AM真菌可以真接分解有机质这一观点并未得到最新的研究证实：在无菌条件下，AM真菌定殖不能提高根系在复杂有机物中的氮吸收。此外，与其他（外生菌、石蜡菌和兰花）菌根真菌和腐生真菌相比，AM真菌具有特别少的外酶谱（exo-enzymatic repertoire）。这些研究表明，AM真菌必须依赖其他腐生微生物来矿化这些土壤有机氮资源。大量研究表明，AM真菌影响腐生微生物群落的组成，这些微生物参与了土壤有机质的分解。结合扫描电子显微镜和同位素标记有机物的纳米级二次离子质谱图像表明，AM真菌和土壤微生物群落之间的协同作用对植物氮素获取具有非加性效应，突出了三者互作的重要性。Bukovská等人通过直接15N标记，测定了从真菌几丁质和三叶草通过AM真菌菌丝传递给植物（Andropogon gerardii）的氮流。虽然补充有机氮源的不同土壤斑块中微生物（细菌、真菌或原生生物）的丰度主要由斑块质量决定，但他们进一步发现，AM真菌菌丝的存在对某些微生物丰度（如氨氧化细菌）表现出持续的抑制作用。这表明AM真菌也与其他微生物竞争氮源，并提出了微生物捕食者（原生生物和/或线虫）在AM真菌菌丝利用有机氮方面的有着很重要的作用。AM真菌和微生物之间对氮的竞争得到了田间试验证据的支持。
除从土壤有机质中获取氮外，AM真菌还可以从真菌菌丝内的固氮细菌或与根外菌丝相关的固氮细菌中获取氮。Geosiphon pyriformis是AM真菌中极少数可培养的成员之一，能够与固氮蓝藻（念珠藻）产生内共生关系，表明AM真菌可通过生物固氮获得氮。Shi等人从玉米田采集的AM真菌菌丝表面分离出一组含有nifH基因的细菌，这些细菌能够在无氮培养基中存活。这些菌丝际含nifH基因的细菌是否对AM真菌的氮营养有实质性贡献尚不清楚。
AM真菌菌丝生长到含有有机磷的土壤中可以从中吸收磷，改善植物的磷营养水平。组织化学染色研究之后发现，菌丝表面检测到磷酸酶活性并且与有机磷的减少有关。但上述研究并不是在无菌条件下进行的，不能排除菌丝表面细菌分泌的磷酸酶的干扰。近年来，随着分子和生物信息学技术在菌根研究中的应用，大量研究表明AM真菌对有机磷的矿化能力会比较低。例如，已测序的模式菌株R. irregularisDAOM 197198缺乏编码植酸酶的基因。这有力地表明，真菌利用植酸酶的能力是由于其菌丝际微生物的功能。为了验证这一假设，在无菌土壤或仅存在菌丝生长的培养基中，研究了解磷菌对土壤磷酸酶活性和有机磷含量的影响。根据结果得出，在有机磷的活化中起关键作用的是解磷细菌，而不是AM真菌。进一步的研究表明，双重接种处理中的磷酸酶活性明显高于单次接种AM真菌或解磷细菌。这些结果共同表明，AM真菌能加强解磷菌分泌磷酸酶的能力。后来的研究发现菌丝分泌物确实可提升细菌分泌的磷酸酶活性。一方面，菌丝分泌物中的富碳化合物可为细菌生长提供能量。另一方面，菌丝分泌物中的果糖可作为诱导磷酸酶基因在细菌细胞中表达的信号。此外，在细菌群落水平上，发现AM真菌改变了土著细菌群落并增加了含有编码磷酸酶基因的细菌的相对丰度。最近的研究进一步表明，AM真菌菌丝可当作细菌移动到有机磷斑块的“高速通道”，来提升对各种有机磷源的利用效率。
磷形态影响参与土壤有机磷周转的菌圈细菌群落。在属水平上，菌丝际含碱性磷酸酶基因和β-螺旋植酸酶基因的细菌群落存在非常明显差异。此外，定殖于同一根系的不同AM真菌，招募着彼此不同且具有不一样功能的微生物组。
总之，AM真菌通过联合根外菌丝和菌丝际微生物群来开发土壤中的有机养分（如氮和磷）资源，通过菌根途径提高养分吸收效率，具备极其重大的生态和农学意义。
AM真菌菌丝际微生物组是影响菌根途径养分吸收效率的重要的条件，然而在这种高度复杂的地下互作中，许多问题仍不清楚。对此我们提出了几个要进一步研究的关键领域。第一，菌丝分泌物的鉴定和潜在功能有待进一步研究，最重要的包含：AM真菌在菌丝际原位释放的碳通量有多少？菌丝分泌物中是不是真的存在信号或趋化性分子，及其来源是什么？根外菌丝分泌的AM效应蛋白是否会影响菌丝际微生物群？第二，菌丝际微生物组的功能和AM真菌在其功能的发挥中起着什么样的作用？宏基因组学、宏转录组学和代谢组学技术的应用，对揭示菌丝际微生物组的潜在功能至关重要。了解AM真菌与细菌在分子水平上的相互作用，对揭示AM真菌-细菌互作以及怎么样影响植物营养和性能至关重要。鉴于土壤环境中互作的复杂性，一定要考虑群落水平的贡献，首先要构建与测试合成微生物群落。第三，要关注全球环境变化对菌丝际相互作用的影响。大气中CO2浓度的增加是世界上最为紧迫的环境问题之一，并且对生态系统的多样性和功能都有重要影响。大气CO2浓度升高的一个显著影响是植物的碳同化速率变得更高，这可能会影响AM真菌对碳的吸收量及其向土壤的转运量。这一过程将对菌丝际微生物组的功能和AM真菌-细菌互作产生什么影响？可以推测，碳投入的增加有几率会使更多的菌丝分泌物释放到土壤中，在短期内刺激微生物活性，进而影响温室气体的排放，也可能通过可用性较低的几丁质形式来刺激碳储量。了解AM真菌和菌丝际细菌之间的密切相互作用是未来的一个重要研究目标，将使我们也可以更好地模拟和管理我们的农业系统，使其更具可持续性，并在未来几十年应对和适应气候平均状态随时间的变化。