AMF对间套作体系中植物-土壤-微生物相互作用的影响及机制*

贾琴宇，刘 灵**，黄庶识

(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西桂林 541006；2.广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541006；3.广西科学院，广西海洋天然产物与组合生物合成化学重点实验室，广西南宁 530007)

0 引言

进入21世纪以来，随着社会的飞速发展，人口过度增长、农耕面积不断缩小、土地退化等问题已然不可忽视。间套作种植作为缓解农业发展压力的一条生态型复合种植方式，通过错行种植两种及两种以上的作物，充分利用农田不同空间和时间的养分、水热、光照等资源，增加土地的复种指数，提高作物经济产量[1-2]。据统计，20世纪90年代我国间套作种植面积达3 300万hm2，间套作种植几乎遍布我国每一个省份和地区[3]。有研究表明，枣树、棉花间作增加35%的土地利用率，与枣树、棉花单作相比，经济产量均提高30%以上[4]。作物、豆科间套作是广泛应用的种植模式，赵建华等[5]研究表明，蚕豆、大豆和豌豆分别与玉米间作的土地当量比均大于1，其中大豆、玉米间作时玉米平均生长速率(采样期)、穗粒数和产量最高，且玉米相对大豆的资源竞争力随间作时间增加而逐渐升高。刘培等[6]研究表明，甜玉米、大豆间作体系中持续4年减量施氮(300 kg·hm-2)不影响土壤有机质和全N、全P等养分含量，对甜玉米的产量稳定性没有显著影响。小麦、蚕豆(下文简称麦豆)间作体系中[7]，小麦感染全蚀病菌导致小麦地上部干重减少31%，但补偿性地增加蚕豆地上部干重(增加30.4%)，体系生物量保持稳定。间套作可以减少土壤病虫害的发生与传播，有研究发现,玉米根组织中的门布和苯并噻唑能显著降低间作大豆疫霉孢子的萌发率和游动，使大豆疫霉根腐病的发生显著降低[8]。可见间套作是提高产量、增加农民收入、降低化肥和农药使用量的重要措施。

丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)可与陆地上90%以上的开花植物建立共生关系，形成丛枝菌根[9]。AMF增强植物吸收土壤水分和N、P等养分的能力，且能提高植物的抗逆性及作物产量品质等[10-11]。在干旱条件下小麦接种根内根孢囊霉(Rhizophagusintraradices，R.i)，植株茎和籽粒的N、P含量显著增加，水分利用效率提高，小麦抗旱能力提高[12]。棉花和异形根孢囊霉(Rhizophagusirregularis)共生时，植物体内的磷酸盐转运蛋白家族基因的表达量和P含量显著提高，促进棉花生长并大幅提高其产量[13]。辣椒、菜豆间作并接种土著AMF，两种农作物的生物量和N吸收量显著提高，且N吸收量与AMF的侵染率呈极显著正相关水平[14]。AMF侵染不同的植物根系形成共生菌丝网络(Common Mycorrhizal Network，CMN)，可对养分等资源进行传递分配，调节植物间的竞争关系[15]。玉米、大豆(下简称玉豆)间作并接种AMF,一定程度上提高两种作物的N吸收量和含量，降低二者根际土壤的碱解N含量，其中对间作玉米N和P吸收能力的增强效应最大[16-17]。可见，AMF在农田生态系统(如间套作体系)中有很重要的作用。

1 AMF在间套作体系中的作用

1.1 AMF对植物根系特征的影响

根系是植物吸收水分和营养的重要器官，其形态特征影响植物地上部的生长发育。AMF与植物共生改变根系特征，扩展根系吸收水分和养分的范围；AMF菌丝比植物根系细长且菌丝内部无横隔，有助于植物摄取更多的水养分，促进植物生长发育[18]。接种AMF可使麦豆间作体系中的小麦比根长和根密度显著增加[19]，玉米、绿豆间作体系中玉米的根长、直径、体积及面积显著增加并达到最大[20]。玉豆间作系统中，大豆单接AMF处理的总根长、根表面积分别显著增加68%、77%，玉米根系也有相似的增加效应，两作物的根部N、P含量均显著增加[21]。干旱环境中接种AMF能显著增加香蕉幼苗的根数、根干重，同时增加三叶橙的主根和一级、二级、三级侧根的根毛密度、长度(除主根外)和直径，扩大水分吸收范围，提高植物耐旱能力[22-23]。可见，AMF通过改变宿主植物根系特征，影响着植物的生长发育。

1.2 AMF对植物根际微生物的影响

土壤微生物是土壤养分活化、传输、循环等的重要参与者，微生物数量、活性及群落结构的变化引起土壤肥力改变。AMF侵染植物对其根际微生物群落结构及功能等产生影响：AMF的菌丝及分泌物促进或抑制一些微生物生长，AMF也能通过分泌球囊霉素、影响植物根系生长及形态等改变土壤微环境，间接影响植物根际微生物群落[24-25]。同时，土壤微生物也影响AMF的繁殖，二者的相互作用影响植物的生长发育。

1.2.1 AMF与土壤细菌

AMF能与一些微生物如根际促生细菌(Plant Grow Promoting Rhizobacteria，PGPR)等相互促进，改变土壤环境，有利于宿主生长发育。其中能够与AMF产生协同增效作用的PGPR多为假单胞菌属和芽孢杆菌属[26-27]。在模拟干旱条件下，双接种AMF和荧光假单胞菌并通过菌丝网络向小米(间作豌豆)传输水分，增加其茎和根的N、P含量，提高小米抗旱能力[28]。根瘤菌(Rhizobium)是一类在土壤中常见的革兰氏阴性菌，能够与豆科植物和极少数非豆科植物共生。麦豆间作双接种AMF和根瘤菌处理的根瘤数明显大于单接根瘤菌或不接种处理，植物P吸收量显著提高[29]。玉米、紫花苜蓿间作系统中，AMF、根瘤菌双接种处理的紫花苜蓿结瘤数和玉米根系AMF的侵染率最高，玉米生物量和P含量相比玉米单作均显著增加30%以上[30]。玉豆间作体系中,双接种处理的大豆的AMF的侵染率和根瘤数均达到最大，大豆固N效率提高，且向玉米的N转移量增加，最终表现出间作的产量优势[31]。蚕豆双接种根瘤菌和AMF处理，与不接种处理对比，其叶面积比、豆荚和籽粒的重量等生产力参数显著提高[32]。可见双接种AMF和根瘤菌能够协同促进作物生长，提高间作体系的产量。

AMF的接种影响植物根际细菌数量和群落结构，提高土壤质量，促进作物生长。川梨三叶草间作体系中，川梨接种AMF后其根际土壤细菌和固氮菌数量增加，土壤有机质、全K和碱解N含量显著提高，且这3种养分含量与细菌、固氮菌数量呈显著或极显著相关[33]。金橘、大豆(下简称金豆)间作并接种AMF处理中，金橘根际土壤的细菌群落物种数大幅提高，土壤有机C含量和植株鲜重显著增加[34]。Cd污染土壤中萝卜套种黑麦草并外施纳米氢氧化镁条件下，黑麦草接种摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae，F.m)处理的土壤细菌数量显著增加，土壤Cd含量下降，土壤环境得以改善[35]。研究发现AMF孢子周围能富集一些特定的微生物群落(称孢子相关细菌)，如放线菌属、芽孢杆菌属和根瘤菌属等。这些微生物可提高植物对土壤N、P养分利用率，并通过产生抗生素、铁载体等提高植物抗病性，与AMF共同促进植物生长[36]。

1.2.2 AMF与土壤真菌

AMF侵染植物根系，能与一些有益真菌相互促进或抑制某些病原真菌的生长[37]。如麦豆间作和水稻、西瓜间作体系中，接种AMF显著降低蚕豆和西瓜根际土壤的尖孢镰刀菌数量和真菌数量，使植物枯萎病的发病率减少[38-39]。在番茄、黄瓜间作体系中，双接种AMF和尖孢镰刀菌处理降低尖孢镰刀菌的孢子发芽率，这可能由于双接种增加番茄根系分泌物中的柠檬酸和绿原酸含量所导致[40]。在番茄分别与韭菜、罗勒间作体系中也发现，接种AMF抑制番茄根际的尖孢镰刀菌生长，使番茄枯萎病的病情严重程度分别下降70%和63%[41]。接种AMF能通过改变土壤真菌数量来影响土壤环境，如在干旱条件下的金豆间作体系[42]和西瓜连作土壤中间作胡椒的处理[43]中，接种AMF使土壤真菌的数量减少，细菌和放线菌数量增加，土壤质量得以改善，促进植物生长。

1.2.3 AMF与土壤放线菌

AMF与土壤放线菌互作的研究相对较少。接种AMF能够通过改变土壤放线菌等微生物组成来改善土壤环境。如采煤沉陷区中间作种植向日葵和蚕豆，接种AMF处理增加0-20 cm土层的放线菌和真菌数量，其中对放线菌数量的增加效应最大，比不接种处理增加826%[44]。马铃薯连作土壤中间作蚕豆或玉米，接种AMF处理均使马铃薯根际土壤放线菌比例上升[45]。此外，接种AMF可与辣椒和茄子根际的共生放线菌(浑圆链霉菌、珊瑚链霉菌等)相互促进侵染，提高植物根系活力、光合性能，降低植株灰霉病的病情指数[46]。

1.3 AMF对土壤结构和肥力的影响

AMF菌丝分泌的球囊霉素相关土壤蛋白(Glomalin-Related Soil Protein，GRSP)具有“超级胶水”功效，能增加土壤团聚体的数量并提高其结构稳定性，使土壤保持良好的通气性和保水能力[47]。玉米与蚕豆、鹰嘴豆、大豆或油菜间作，通过增加AMF生物量间接促进土壤团聚体(>2 mm)形成[48]。玉豆间作接种AMF增加作物根系土壤的菌丝密度和GRSP含量，有利于土壤水稳性团聚体形成，显著降低土壤渗漏、地表径流水中各形态N浓度，提高土壤保肥能力[49]。GRSP是土壤C固定及循环的重要参与者，土壤总C、N含量的4%到5%由GRSP的C、N含量贡献；GRSP有利于土壤结构稳定，可减少土壤CO2排放和C损失[50]。在农田、半干旱生态系统或采煤沉陷区退化生态系统中，植物和AMF共生均可显著提高土壤有机C含量，促进土壤C固定[51-52]。有研究表明，AMF在低P和中性pH土壤中对土壤酶活性的增加效应最强，能间接提高土壤养分的可利用性[53]。在玉米-番薯间作体系中接种AMF处理，能显著增加土壤蛋白酶、脲酶、纤维二糖水解酶等活性，显著降低土壤铵态N含量[54]。

1.4 AMF对植物养分吸收的影响

AMF通过改变根系特征、土壤养分及土壤微环境等影响植物养分吸收及生长发育。玉豆间作-施无机氮-接种AMF处理，大豆地上部及根部N吸收量均显著提高54%以上[55]。玉米与大麦或箭筈豌豆间作体系中，特定的AMF分类群能提高玉米地上部Mn、Fe和Zn浓度，起主要作用的是虚拟种(Virtual taxa，VT)VTX00113，VT与具许多编码转运蛋白基因的AMF(R.irregularis/intraradices)类群相关[56]。莳萝、菜豆间作接种F.m处理，莳萝的P、K、Fe和Zn浓度分别提高40，524，57和1.0 μg·kg-1DW[57]。

菌根植物间形成的共生菌丝网络(CMN)，影响植物生长发育和植物种内、种间关系。玉豆间作体系中，玉米相对大豆具有竞争优势，接种幼套近明球囊霉(Claroideoglomusetunicatum，C.e)后,玉米相对大豆的种间竞争和N素营养竞争能力达到最大[58]。骏枣、小麦间作体系中，CMN能明显提高小麦P含量和吸收P素能力[59]。有学者采用量子点追踪技术研究证明，AMF可增加胡萝卜根系中P的分配量，降低自身贮藏的分配量，并通过CMN将P从丰富区转移到匮乏区[60]。在玉米、狗尾草间作体系中接种AMF显著增强玉米生长和养分摄取能力，表明AMF可能抑制狗尾草(杂草)生长，对间作系统杂草控制具有生态意义[61]。有研究表明，间作体系中AMF也能通过降低优势植物的竞争力，调节种间关系，维持植物群落的相对平衡[62]。

1.5 AMF对植物抗逆性的影响

与AMF共生增加植物对土壤水分、养分等的利用率，改善土壤环境，提高植物对逆境的抵抗能力。在干旱条件下，木豆通过液压方式将底层水提升至干燥的表土，表层的小米通过CMN利用液压水，存活率提高[63]。重金属污染环境中，向日葵、香葱间作并接种AMF处理，可显著增强向日葵吸收重金属(Cu、Pb和Ni等)能力，改善土壤环境，明显提高香葱的吸P水平和平均产量[64]。有研究表明，在盐胁迫条件下，接种AMF可以促进宿主植物对N、P、Zn等矿质养分的吸收，减少植物体内Na+和Cl-的积累，阻止了由于盐离子含量过高而影响植物生长的代谢途径[65-66]。在Cd污染土壤中间作番茄和黑麦草[67]，混合接种AMF(F.m、C.e、R.i)处理，可降低番茄根、茎、叶和果实中的Cd浓度，通过透射电镜观察到其根尖细胞及液泡均较为完好，能观察到细胞核，且无任何杂质，说明该处理减轻重金属对番茄根尖细胞的伤害。

2 展望

AMF能够与大多数植物建立共生关系。本文阐述AMF对间套作体系中植物-土壤-微生物相互作用的影响及其机制，即AMF能够通过改变宿主植物根系特征(扩大根系吸收水、养分范围等)，影响宿主根际微生物组成及群落结构(如抑制一些植物病原菌的生长，或与一些根际有益微生物协同促进植物生长等)；也能通过分泌球囊霉素、影响根际土壤酶活性等改善土壤结构，提高土壤肥力，最终增强植物养分吸收、生长发育及抗逆性。此外，菌根植物间通过共生菌丝网络传递分配养分等资源，调节了植物种间关系。不过，AMF影响农作物生长的机制还需进一步探索和完善，合理利用AMF将对作物的生长和产量产生重大影响。

目前关于AMF对间套作体系作物生长的研究以室内(如盆栽)试验居多，而田间试验相比室内研究其环境因素更加复杂，研究成果也更具实际意义和应用价值。考虑到AMF对植物生长的作用受到诸多环境因素影响，应结合室内试验的成果，大力开展AMF对间套作农田生态系统的研究，开发优良AMF种质资源，量化和深入研究AMF对作物种间关系的调控，筛选出高效高产的AMF-间套作体系。此外，应继续研究探索AMF的纯培养技术，早日实现AMF在农业中的大范围应用。

农田生态系统中养分的流动和循环对作物的生长和产量具有重要意义，而土壤微生物是土壤养分转化、传输过程中的重要一环。今后应将传统生物学手段和现代分子技术相结合，更深入地探究AMF对农田土壤中微生物群落结构的影响及其机制，全面掌握植物-土壤-微生物间养分的动态平衡等互作机理。此外，自然环境中AMF与多种土壤微生物共存并协同作用，故应开展AMF与有益微生物如根瘤菌、解磷真菌、土著AMF或多种AMF混合接种等更加综合全面的农田间套作试验研究，以期为进一步发挥AMF对农田生态系统的生态效应提供依据。