丛枝菌根真菌和根瘤菌与植物共生研究进展

doi:10.11686/cyxb2023225

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (5): 166-182.DOI: 10.11686/cyxb2023225

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丛枝菌根真菌和根瘤菌与植物共生研究进展

段海霞¹(), 师茜¹, 康生萍¹, 苟海青¹, 罗崇亮²(), 熊友才³

^1.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海西宁 810016
^2.中国科学院西北高原生物研究所，中国科学院高原生物适应与进化重点实验室，青海西宁 810008
^3.兰州大学生态学院，草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室，甘肃兰州 730000

收稿日期:2023-07-03 修回日期:2023-08-28 出版日期:2024-05-20 发布日期:2024-02-03
通讯作者: 罗崇亮
作者简介:E-mail： luochl@nwipb.cas.cn
段海霞（1989-），女，山西榆社人，助理研究员，博士。E-mail： duanhx14@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(32360328);青海省自然科学基金青年项目(2022-ZJ-970Q);青海省帅才科学家负责制项目(2024-SF-102);青海大学省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室自主研究项目(2022-ZZ-01);青海省科技特派员专项(2023-NK-P62)

Advances in research on the interactions among arbuscular mycorrhizal fungi， rhizobia， and plants

Hai-xia DUAN¹(), Qian SHI¹, Sheng-ping KANG¹, Hai-qing GOU¹, Chong-liang LUO²(), You-cai XIONG³

^1.State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture，Qinghai University，Xining 810016，China
^2.Key Laboratory of Adaptation and Evolution of Plateau Biota，Northwest Institute of Plateau Biology，Chinese Academy of Sciences，Xining 810008，China
^3.State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems，College of Ecology，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

Received:2023-07-03 Revised:2023-08-28 Online:2024-05-20 Published:2024-02-03
Contact: Chong-liang LUO

摘要/Abstract

摘要：

丛枝菌根真菌（AMF）和根瘤菌可以影响植物生产力、微生物群落结构和土壤质量，是生态系统可持续发展的重要驱动因子。在长期的进化过程中，AMF和根瘤菌逐步形成了互惠互利共生关系，充分发挥AMF-根瘤菌-植物共生体的生物固氮和养分吸收等作用，对于减少化学肥料的投入，保障农业可持续发展具有重要意义。但也有研究表明AMF和根瘤菌之间存在相互制约的作用，这可能与环境因素密切相关。因此，需要系统总结AMF-根瘤菌与植物共生相互作用的机理及其影响因素。本研究通过文献梳理以及定性比较分析，阐明了植物根系通过根系分泌物刺激根瘤菌和AMF形成结瘤因子和菌根因子，激活后续信号通路，从而使根瘤菌和AMF与植物建立共生关系的过程和机制；概述了AMF-根瘤菌与植物共生的协同增效和拮抗作用；总结了影响AMF和根瘤菌与植物共生及其相互作用的生物和非生物因素。最后，本研究提出AMF-根瘤菌与植物建立共生关系的作用机理目前还不完全明确，微生物菌肥研发缓慢等问题，并从理论、技术和应用等层面对未来研究的重点方向进行了展望，以期为利用AMF和根瘤菌促进农业可持续发展提供新思路和新方法。

关键词: 丛枝菌根真菌, 根瘤菌, 相互作用, 共生, 固氮, 农业可持续发展

Abstract:

Arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） and rhizobia play crucial roles in plant productivity， microbial community structure， and soil quality. As such， they are key organisms for achieving sustainable ecosystem development. Over time， a mutually beneficial symbiotic relationship develops between AMF and rhizobia， and this relationship is essential for effective biological nitrogen fixation and nutrient absorption. Such effective symbioses reduce reliance on chemical fertilizers， thereby facilitating sustainable agricultural practices. However， studies have shown that various environmental factors can hinder the formation of symbiotic relationships between AMF and rhizobia. Therefore， it is necessary to systematically explore the mechanism of the AMF-rhizobia interaction and the factors that affect it. On the basis of a literature review and qualitative comparative analysis， we described the process and mechanism by which plant roots released exudates to stimulate rhizobia and AMF to produce nodulation factors and mycorrhizal factors， thereby activating signaling pathways involved in the establishment of symbiotic relationships between rhizobia-AMF and plants. This review summarized the results of research on the synergism and interaction between AMF-rhizobia and plants， and the biological and abiotic factors affecting the AMF-rhizobia symbiosis and interactions. We highlighted the current gaps in knowledge related to the mechanisms of the symbiotic relationships among AMF， rhizobia， and plants， and discussed the reasons for the slow development of microbial fertilizers. Finally， we discussed future research directions at the theoretical， technical， and application levels. Further research will provide novel ideas and methods for using AMF and rhizobia to promote sustainable agricultural development.

Key words: arbuscular mycorrhizal fungi, rhizobia, interactions, symbiosis, nitrogen fixation, sustainable development of agriculture

段海霞, 师茜, 康生萍, 苟海青, 罗崇亮, 熊友才. 丛枝菌根真菌和根瘤菌与植物共生研究进展[J]. 草业学报, 2024, 33(5): 166-182.

Hai-xia DUAN, Qian SHI, Sheng-ping KANG, Hai-qing GOU, Chong-liang LUO, You-cai XIONG. Advances in research on the interactions among arbuscular mycorrhizal fungi， rhizobia， and plants[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(5): 166-182.

图/表 3

图1 丛枝菌根真菌（AMF）和根瘤菌与豆科和非豆科植物的共生机制在豆-禾间作系统中，这两种植物的根系分泌物（独角金内酯和黄酮类化合物）可以分别刺激AMF的Myc因子和根瘤菌的Nod因子，激活钙离子（Ca2+）依赖性信号级联，进而激活信号通路诱导AMF和根瘤菌与植物根系共生。在间作系统中非豆科植物根系分泌物（如黄酮类化合物）也可以刺激豆科植物根瘤菌的Nod因子和生物固氮，从而提高氮营养、生物量和产量。作为交换，豆科植物通过根瘤菌固定的氮等分泌物可以转移到非豆科植物，从而提高其氮营养、生长和产量。In the soybean-grass intercropping system， the root exudates of these two plants （unicorn lactone and flavonoid） can stimulate the Myc factor of AMF and the Nod factor of rhizobia respectively， activate the calcium ion （Ca2+） dependent signal cascade， and then activate the signal pathway to induce AMF and rhizobia to coexist with plant roots. In the intercropping system， the root exudates of non-leguminous plants （such as flavonoid） can also stimulate the Nod factor and biological nitrogen fixation of rhizobia， thus improving nitrogen nutrition， biomass and yield. In exchange， nitrogen fixed by leguminous plants can be transferred to non-leguminous plants， so as to improve their nitrogen nutrition， growth and yield.

Fig.1 Symbiosis mechanism of arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） and rhizobia with leguminous and non-leguminous plants

图2 丛枝菌根真菌（AMF）和根瘤菌对宿主植物共生的效应AMF和根瘤菌可以通过共生为宿主植物提供益处。这些益处包括促进生长（蓝色），抵抗胁迫（绿色）以及防御病原体和害虫（红色）。微生物组介导的益处主要在地下部分引发，并可以通过植物介导的运输或信号传递到其他部分（显示为蓝色、绿色和红色虚线箭头，分别代表有助于植物生长的机制，缓解胁迫和防御力）。根瘤菌可以固定大气中的氮（N2），AMF和根瘤菌增强植物吸收土壤养分［例如磷酸盐（Pi）和铵根（NH4+）］的能力，并将NH4+和硝酸根（NO3-）主动转运到宿主，也通过调节渗透保护剂和提高抗氧化能力来减轻胁迫。总体而言，AMF和根瘤菌相互作用改善了植物的生长性能和/或健康。AMF and rhizobia can provide benefits for host plants through symbiosis. These benefits include promoting growth （blue）， resisting stress （green）， and defending against pathogens and pests （red）. The benefits mediated by microbiota are mainly triggered in the underground part and can be transmitted to other parts through plant-mediated transportation or signaling （blue， green， and red dashed arrow representing mechanisms that help plant growth， alleviate stress， and defense， respectively）. Rhizobia can fix nitrogen （N2） in the atmosphere. AMF and rhizobia enhance the ability of plants to absorb soil nutrients ［such as phosphate （Pi） and ammonium （NH4+）］， and actively transport NH4+ and nitrate （NO3-） to the host. They also reduce stress by adjusting osmotic protectants and improving the antioxidant capacity of plants. In general， the interaction of AMF and rhizobia improves the growth performance and/or health of plants.

Fig.2 The symbiotic effect of arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） and rhizobia on host plants

图3 生物和非生物因素影响丛枝菌根真菌（AMF）和根瘤菌的共生及其相互作用AMF提供植物根瘤固氮作用所需的P素，提高植株的固氮能力，同时植株根瘤菌共生固氮为AMF提供N素，二者产生协同增效作用。但有时候受到生物或非生物因素的影响，AMF与根瘤菌之间无协同增效作用甚至有时会相互制约。AMF provides the P required for nitrogen fixation of plant nodules， improving the nitrogen fixation capacity of plants. At the same time， plant rhizobia symbiotic nitrogen fixation provides N for AMF， AMF and rhizobia have synergistic effects. However， sometimes under the influence of biological or abiotic factors， there is no synergy between AMF and rhizobia or even mutual restriction.

Fig.3 Biological and abiotic factors affect the interaction between arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） and rhizobia

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丛枝菌根真菌和根瘤菌与植物共生研究进展

Advances in research on the interactions among arbuscular mycorrhizal fungi， rhizobia， and plants

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