禾草-内生真菌共生对土壤理化性质及其微生物影响的研究进展

金媛媛，SAMAN Bowatte，田 沛，彭泽晨，侯扶江，李春杰

（草地农业生态系统国家重点实验室 / 农业部草牧业创新重点实验室 / 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

禾草内生真菌是指其部分或全部生命周期完成于禾草体内，而宿主植物外部却不显现任何病害症状的一大类真菌[1]。一百多年前，Vogl从黑麦草属毒麦(Lolium temulentum)种子中成功分离出第1株内生真菌[2]。目前，人类共发现大约有30%的早熟禾亚科、10%的温带禾草中带有内生真菌[3-4]。全世界80余属300多种的禾草含有内生真菌[5-8]，已分离鉴定出45种Epichloë属菌株[9-12]，这显现了禾草内生真菌丰富的资源和物种多样性。研究表明，内生真菌和禾草之间形成互利共生的关系：一方面内生真菌可从宿主禾草中获得自身生长所需的营养物质(糖类、氨基酸)和传播介质(种子)，另一方面内生真菌通过改变宿主形态、生理和生化等来增强禾草对生物[13-16]和非生物胁迫[17-19]的抵抗能力，从而促进宿主禾草的生长增强对环境适应能力。另外禾草与内生真菌共生产生的次生代谢产物(生物碱等)可引起家畜中毒，降低家畜生产性能，给草地畜牧业生产和发展造成不容忽视的经济损失[20-22]。由于禾草-内生真菌共生体独特的两面性使其成为目前国内外学者研究的热点。

土壤在生态系统中起到了营养库、生物支撑、雨水涵养、养分转化和循环、稳定和缓冲环境变化及保持生物活性及多样性等功能[23]。内生真菌主要存在于宿主禾草的种子、叶鞘、茎秆等[24]，但其对地下部分的影响不容忽视[25]。研究禾草内生真菌共生体对土壤理化性质和生物多样性的影响，对理解禾草-内生真菌-土壤之间的互作机制具有重要意义。

禾草内生真菌共生体具有专一性和多样性[26]。目前禾草内生真菌共生体对土壤理化性质的影响主要集中在土壤团聚体[27-28]和土壤碳[29-30]、氮[31-32]等方面，对土壤生物特性影响的研究主要集中在土壤微生物群落和数量[33-35]。为此，本文讨论了国内外禾草-Epichloë内生真菌共生体对土壤养分和土壤微生物的影响，以期为更加广泛的利用禾草内生真菌改善土壤环境提供参考。

1 禾草与内生真菌共生对土壤物理性质的影响

土壤物理性质(持水能力、孔隙度和结构[36]等)影响着土壤的化学和生物学特性[37]。禾草内生真菌共生体对土壤物理性质的影响集中在土壤团聚体的稳定性[27-28, 38]。E. coenophiala内生真菌侵染高羊茅(Festuca arundinacea)可增加土壤团聚体的稳定性[27]，可能是禾草内生真菌的存在增加了凋落物的生物量，其进入土壤后使土壤有机质等物质含量增加，进而使土壤的稳定性团聚体数量增多[39-40]；也可能是内生真菌的存在改变了土壤的微生物群落结构[41]，使微生物通过分泌有机物吸附土壤颗粒，使土壤团聚体结构稳定[42]。土壤中适度的亲水性会增加土壤团聚体稳定性，内生真菌侵染禾草使得宿主植株根际的亲水性显著高于未被侵染植株[43]，从而增加了团聚体的稳定性[44]。而Foster和Lemus[38]研究发现，禾草内生真菌菌株E584 侵染高羊茅并使土壤团聚体稳定性显著减少，可能是禾草内生真菌的侵染使土壤微生物数量和种类增加，使土壤微生物分解土壤有机质的速度加快，从而破坏了土壤团聚体的结构[45]。禾草内生真菌共生体对土壤团聚体稳定性的影响因内生真菌菌株不同结果也不尽相同，高羊茅分别与Epichloë属的天然型内生真菌菌株和新型内生真菌菌株(E502、E514、E542和E584)共生，均会改变土壤的微观团聚体 (125～250 μm)，其影响程度依次为 E584 ＞E502 ＞ E + ＞ E514 ＞ E - ＞ E542，同时稳定的微团聚体减少，而对于土壤大团聚体 (＞ 250 μm)5种菌株均无显著影响[38]。同时内生真菌对土壤空隙度、土壤气体排放(二氧化碳、氧气、甲烷等)、土壤机械物理性质(土壤结持度、土壤强度)等的研究匮乏，需要进一步加强研究。

2 禾草-内生真菌共生体对土壤化学性质的影响

2.1 土壤 pH

土壤pH影响植物对土壤养分的吸收[46]，影响土壤微生物的数量[47]和多样性[48]。内生真菌侵染高羊茅使其根际土壤pH显著下降，从而提高了土壤云母矿物的转化速率[49]。然而，宿主羽茅(Achnatherum sibiricum)被内生真菌感染，其根际土壤的pH增高[50]。土壤pH的改变可能是由于内生真菌侵染使得共生体根系分泌了一些化学物质[51]，不同的禾草-内生真菌共生体分泌的化学物质不同[52]产生的差异也不尽相同；也可能是内生真菌侵染禾草形成的凋落物中含有内生真菌菌丝等含氮物质[53]，外源氮的输入可降低土壤的pH[54]。

2.2 土壤碳、氮

土壤碳是土壤重要的组成部分，反映了土壤肥力[55]。草地土壤有机碳含量的多少与草地土壤生产力的大小和健康状况密切相关[56]。内生真菌侵染禾草可以使宿主植物根际土壤有机碳含量[57]、碳矿化速率[30]以及微生物生物量碳含量发生改变[58](表1)。

Franzluebbers等[61]长达15年的研究发现，内生真菌侵染的高羊茅样地土壤中有机碳含量高于未被内生真菌侵染的样地，与不带内生真菌禾草相比，被内生真菌侵染的高羊茅其生境土壤微生物生物量碳增加了17%。禾草的根系分泌物和凋落物是土壤有机碳的主要来源，内生真菌的侵染会增加禾草的生物量，从而使进入土壤的凋落物增加，导致土壤有机碳等物质也会相应增多[59, 62]。周勇等[29]在长时间处理并伴随枯落物分解的羊草(Leymus chinensis)样地中发现，内生真菌侵染增加了土壤初始碳矿化速率和前3 d土壤矿化量和土壤矿化总量；在短时间处理周期且没有枯落物分解的盆栽试验中，内生真菌侵染羊草并未造成土壤碳的含量以及矿化量的改变[29, 62]。内生真菌对土壤化学性质的影响与试验处理时间的长短密切相关，短时间内，共生体根系分泌物的累积量和凋落物的分解量不足以引起土壤碳含量发生显著变化[63]。内生真菌侵染禾草的凋落物分解速率比未被内生真菌侵染的慢，这就造成了有机碳含量的降低[64]，同时禾草-内生真菌共生体也有可能促进禾草根系分泌一些酚类化合物[65]，直接影响土壤碳的含量。

表1 禾草-内生真菌共生对土壤碳、氮的影响Table 1 Effects of grass-endophyte fungi symbiosis on soil carbon and nitrogen

土壤氮素主要提供植物生长所需要的养分[66]。共生体对土壤氮的影响最主要集中在土壤全氮含量，因宿主种类、禾草内生真菌基因、土壤类型及试验处理周期的不同使结果不同(表1)。禾草内生真菌侵染促进了羊草样地中土壤氮的积累，在处理时间较短且没有地上枯落物分解的盆栽羊草中，全氮含量并未有显著差异[29]。禾草内生真菌侵染未造成土壤全氮在0-10 cm的土层中出现差异，在8周时粘壤土中内生真菌侵染的禾草土壤全氮含量较高[31]。这可能是禾草根系分泌的化学物质以及植物残体本身增加了土壤中氮的含量[67]。Bowatte等[68]通过测定土壤中的硝态氮评估土壤的硝化潜力，发现内生真菌存在可以增加土壤的硝化作用。禾草内生真菌侵染能够降低根际中的生物硝化抑制物的活性[69]，影响土壤的硝化作用，进而影响土壤的氮素循环。可以看出，内生真菌对其影响的研究主要集中在土壤中的大量元素C、N；但对如有机污染物含量(农药、三氯乙醛、多环芳烃、多氯联苯、石油)、土壤酶(亚硝酸还原酶、脲酶、色氨酸脱羧酶)及微量元素(铜、锰、锌)等其他土壤化学性质的研究非常有限，需加大此方面的研究。

3 禾草-内生真菌共生体对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤生态系统中最活跃的组分[70]，土壤微生物种类繁多，主要包括真菌、细菌和放线菌等[71]，对土壤生态系统中的物质循环和能量的流动具有至关重要的作用，参与了有机物质的分解，腐殖质的形成，以及养分转化等过程，是衡量土壤肥力水平以及土壤养分资源生物有效性的重要指标[72]。

3.1 土壤真菌

3.1.1 菌根真菌

禾草-内生真菌共生对土壤真菌影响的研究主要集中在菌根真菌，禾草内生真菌的菌丝密度与菌根定殖水平受禾草内生真菌共生体基因型的影响，这种影响因土壤肥力的不同而发生变化[73-74]。内生真菌可能促进菌根真菌的生长，如内生真菌(E.elymi)可以促进摩西球囊霉(Glomeromycota mosseae)侵染[75]，并且内生真菌浸提液也会促进菌根真菌菌丝生长[76]。但是，更多研究表明内生真菌抑制菌根真菌的定殖[41, 77-82]，E. coenophiala侵染高羊茅降低了G. mosseae的定殖[82]。此外，也有研究表明，内生真菌对菌根真菌没有影响，如研究发现内生真菌侵染野大麦(Hordeum brevisubulatum)，对土壤中的摩西球囊霉和幼套球囊霉(G. etunicatum)均无显著影响[83]，说明菌根真菌种类不同，内生真菌对其产生的影响也不尽相同(表2)[33, 88]。内生真菌对菌根真菌影响的机理尚不清楚，有可能禾草内生真菌和AM真菌存在相互竞争的关系，两者都需要从宿主植物中获取营养。研究发现，施肥增加内生真菌菌丝密度但对菌根真菌没有显著影响，这说明在营养竞争上，内生真菌具有更大的优势，使菌根真菌的营养供给减少从而使其定殖受到影响[77]；同时Epichloë属内生真菌可能会产生一些真菌抑制剂，抑制了AM真菌的侵染[89]。禾草内生真菌共生体对土壤真菌的影响因宿主禾草种类以及内生真菌基因型的不同而有所差异。新型内生真菌共生体不含生物碱等有毒物质[90]，同时也可以促进植物根系生物量[91]，进而增加菌根定殖水平。

3.1.2 其他真菌

土壤真菌通过菌丝与土壤颗粒紧密相接[92]，禾草与内生真菌共生主要影响着真菌的群落组成(表2)。Casas等[93]发现内生真菌E. occultans侵染一年生黑麦草(Lolium multiflorum)能够增加土壤真菌活性，但不能改变土壤真菌群落结构。内生真菌E. coenophiala的存在增加了球囊菌门(G.phylum)真菌多样性的相对丰度，降低了子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度，主要包括青霉菌属(Lecanicillium)、周刺座霉属(Volutella)和丝核菌属(Rhizoctonia)[82]等根际真菌的群落组成，但并未改变真菌的总生物量。Epichloë侵染多花黑麦草可以抑制土壤中的禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)和立枯丝核菌(Rhsoctonia solani)的生长[94]。在根系真菌群落上，高羊茅内生真菌E. occultans共生体以及新型高羊茅内生真菌AR542和AR584共生体与无内生真菌的高羊茅之间存在显著差异[32]。以上结果间接表明，内生真菌可以延伸到地下根际，从而刺激土壤微生物群落的活动。在土壤营养物质缺乏的草原系统中，内生菌可能会对土壤微生物生物量产生启动效应，从而间接增加营养供给[95]。

表2 禾草-内生真菌共生对土壤真菌的影响Table 2 Effects of grass-endophyte fungi symbiosis on soil fungi

3.2 土壤细菌

土壤细菌在土壤微生物中数量最多、分布最广[96]。由于禾草种类[73-86]、内生真菌基因型[29]以及土壤类型[82]的不同，禾草-内生真菌共生对土壤细菌的影响有所差异(表3)。研究发现，内生真菌可以显著增加盆栽条件下羊草草地土壤中革兰氏阴性细菌(Gram-negative bacterium)的多样性，但在大田条件下带菌羊草样地土壤中革兰氏阳性细菌的多样性较高[29]。Jenkins等[97]研究发现，内生真菌侵染高羊茅后大量抑制了粘壤土中的古细菌和革兰氏阳性细菌，主要是根际粘壤土中的δ-蛋白细菌群落和根际沙壤土的浮霉菌门(Planctomycetes)群落。黄玺等[85]研究表明，内生真菌侵染醉马草(Achnatherum inebrians)降低了土壤中革兰氏阳性细菌(Grampositive bacterium)浓度，Jenkins等[97]研究也发现，内生真菌侵染高羊茅降低了古细菌的群落多样性，抑制了粘壤土中革兰氏阳性菌的生长。常规Epichloë内生真菌-禾草共生体和新型内生真菌共生体(AR542)在细菌和古细菌群落上存在显著差异，但被Epichloë内生真菌侵染与未被侵染的羊草在细菌和古细菌群落之间却无显著差异[32]。Rojas等[82]研究也得出，内生真菌和野大麦共生对原核生物群落无显著影响。随着时间的推移和土壤类型的改变，内生真菌侵染禾草会对土壤微生物群落结构和功能会产生不利影响，降低植物体内有机质和羧酸等化合物的利用率[41]。由于不同土壤微生物的最适生长环境和所需营养物质有所差异，以及内生真菌菌株类型和寄主类型的不同，使植物根系生物量和根系分泌物产生差异，从而影响宿主土壤微环境的食物链和营养循环[98]。不同禾草与定殖不同基因型的内生真菌共生，其产生凋落物的质量和数量都会发生改变[99]，这影响了土壤理化性质，进而影响微生物的生境。研究发现，土壤细菌和真菌数量和功能都会受到土壤酸碱性的影响[50]，关于内生真菌对于土壤酸碱性和土壤微生物之间的相关性研究未见报道。另外，禾草与内生真菌共生对土壤中其他微生物(放线菌，原生动物等)研究相对较少，需要增加对于土壤放线菌以及一些功能菌的研究，如硝化细菌，氨氧化古菌等，了解对其的影响，进而了解对于土壤养分的转化。

4 禾草-内生真菌共生体对土壤动物的影响

4.1 土壤线虫

土壤线虫分布广泛，是植物根际土壤中非常活跃的一类土壤动物，在土壤生态系统中扮演着重要的角色[100-102]，其对环境的变化反应敏感，常被作为土壤干扰程度的指示生物[103]。目前关于内生真菌对线虫影响的报道较多(表4)，但研究结果却不尽相同。Cook等[107]研究表明，内生真菌侵染增加了植物寄生线虫的数量；郭长辉等[104]在对醉马草内生真菌共生体对根际土壤线虫的研究中发现，内生真菌的侵染提高了醉马草根际土壤中食细菌类线虫(Bacterivores)、食真菌类线虫(Fungivores)和捕食类/杂食类线虫(Predators/Omnivores)的个体密度；然而内生真菌侵染使高羊茅根际土壤中的螺旋线虫(Helicotylenchus dihystera)、根结线虫(Meloidogyne marglandi)、斯克里布纳短体线虫(Pratylenchus scribneri)和矮化线虫(Tylenchorhynchus acutus)等群体数量显著降低[105-106]，内生真菌侵染多年生黑麦草(Lolium perenne)后会产生麦角酸[107-108]，其可使线虫斯克里布纳短体线虫(P. scribneri)的数量下降，并且线虫的降低率与禾草感染率有关[109]；这可能是由于内生真菌与禾草互作更好的促进了植物的生长，使线虫生存空间和所需营养物质得到了提高，从而更加有利于线虫的生长和繁殖[110-111]。而内生真菌侵染降低植物寄生线虫数量的原因可能是宿主根系代谢产物(生物碱)的存在抑制了某些线虫的活性和降低其数量，或是植物根系分泌的多酚类物质抑制了线虫繁殖和卵孵化，使线虫对潜在寄主植物的识别受阻以及对易感植物产生排斥[112]。

表3 禾草-内生真菌共生对土壤细菌的影响Table 3 Effects of grass-endophyte fungi symbiosis on soil bacteria

表4 禾草-内生真菌共生对土壤线虫的影响Table 4 Effects of grass- endophyte fungi symbiosis on soil nematodes

4.2 其他土壤动物

禾草内生真菌除了对线虫有显著影响外，还会对土壤中其他动物产生一定的影响[113-114]。内生真菌侵染高羊茅可以降低日本甲虫(Popillia japonica)幼虫在地下的存活率[115]。Schmidt等[116]研究也发现E. uncinata侵染草地羊茅也造成了根蚜(Aploneura lentisci)数量的减少，这可能是由于内生真菌的存在产生了生物碱等有毒物质，但是无毒菌株AR501侵染高羊茅也减少了根蚜虫的数量[117]，这可能是根系分泌的多酚类物质抑制了线虫繁殖、卵孵化，使线虫对潜在寄主植物的识别受阻以及对易感植物产生排斥[105]。相反的，Humphries等[118]以高羊茅叶片组织喂养蚯蚓(Lumbricidae)的试验研究发现，喂养内生真菌侵染的高羊茅叶片蚯蚓生长增加了3.6倍，也有研究发现E. festucaevar.lolii侵染黑麦草并没有影响土壤中蚯蚓的数量，这可能是试验周期短造成[119]。因此，需要加强这方面的研究以及进行长期试验，了解内生真菌对于土壤动物的影响机制。

5 展望

内生真菌侵染植株对宿主自身产生的影响有很多报道，但是对宿主所在生境的影响研究才刚刚起步。目前对内生真菌共生体与土壤相互作用的研究多集中在高羊茅和多年生黑麦草上[120-123]，对于其他禾草内生真菌共生体与土壤关系的研究较少。禾草-内生真菌-土壤三者的关系比较复杂，与土壤的理化性质、内生真菌菌株类型以及寄主禾草的种类都有关系，都影响着土壤的功能。禾草内生真菌对土壤特性的影响存在3种可能的机制[26, 44, 124-125](图1)：1)禾草内生真菌可直接影响宿主根部生物量、根形态和根系分泌物从而影响根部对营养的吸收，改变土壤的化学性质，增加土壤动物的取食；2)共生体产生生物碱可以对土壤生物产生毒害作用；3)禾草与内生真菌共生，改变凋落物的质量和数量，从而改变土壤化学组分和土壤微生物的生境。禾草与内生真菌共生对于土壤物理、化学、生物以及生物化学等方面都有影响，但是这些影响中的一个改变都会相应的引起其他的特性发生改变，究竟是哪个是最主要的最直接的改变，还需要不断研究。

图1 禾草与内生真菌共生对于土壤的影响Figure 1 Effect of symbiosis between grass and endophytic fungi on soil

目前，对上述3种机理的研究相对缺乏，3种机制中哪个因子对土壤功能起主导作用尚不明确，共生体通过改变了土壤特性，可能提高了寄主禾草对生物和非生物胁迫的抵抗能力，也可能是因为共生体先改变了禾草自身的营养形态，进而影响土壤特性。同时关于禾草内生真菌对土壤物理性质的影响和土壤中除线虫和蚯蚓以外的土壤动物的研究较少，因此，加强有关内生真菌对土壤密度、结构等物理性质的研究，明确其机制势在必行。同时需加强禾草内生真菌对土壤中其他脊椎和无脊椎动物的深入研究，进而了解和明确禾草内生真菌对整个土壤生态系统的作用机理。

禾草与内生真菌共生体已被应用在修复石油污染、降低矿的污染物和减少污染地的有毒物质[125-127]等方面，因此，在将来的研究中需要进一步了解内生真菌-宿主-土壤之间的互作机理，借助分子生物学技术来明确内生真菌发挥作用的内在机制，期待将内生真菌合理准确的应用在土壤改良和病虫害防治等方面。