丛枝菌根真菌对药用植物生产的影响研究

摘要 丛枝菌根真菌是一类在植物根系分布广泛的共生微生物，可以与80%以上的维管植物形成专性活体营养的互惠共生体。其菌丝能够与药用植物根系形成错综复杂的菌丝网络，在药用植物的养分吸收、生长发育、活性物质的合成与积累以及非生物胁迫的耐受性等方面都有积极的影响。综述丛枝菌根真菌在促进药用植物的生长发育、活性物质合成和积累以及提高药用植物的抗非生物胁迫能力和病虫害的抗性等方面研究，以期为丛枝菌根真菌在药用植物生产中的应用提供一定的理论支撑。

关键词 丛枝菌根真菌；药用植物；生长和发育；生物合成；非生物胁迫

中图分类号 S567  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）21-0013-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.21.004

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on Effection of Arbuscular Mycorrhizal Fungi in the Production of Medicinal Plants

PENG Xue， GUO Er-dan， QIU Ying-ying et al

（College of Biological Science and Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong， Shaanxi 723000）

Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi is a kind of symbiotic microorganisms widely distributed in plant roots， which can form obligate living nutrient mutualistic symbiosis with more than 80% of vascular plants.Its hyphae can form an intricate hyphae network with the roots of medicinal plants， which has a positive impact on the nutrient absorption， growth and development， synthesis and accumulation of active substances， and tolerance to abiotic stresses of medicinal plants.This article reviews the role of arbuscular mycorrhizal fungi in promoting the growth and development of medicinal plants， the synthesis and accumulation of active substances， and improving the resistance of medicinal plants to abiotic stress and pests and diseases;in order to provide theoretical support for the application of arbuscular mycorrhizal fungi in the production of medicinal plants

Key words Arbuscular mycorrhizal fungi;Medicinal plants;Growth and development;Biosynthesis;Abiotic stress

药用植物在我国分布较为广泛，对其的认识、利用和培育具有几千年的历史，主要用于中医治疗过程，在保健品和食品等方面也广泛应用。除了关注药用植物的产量外，还要关注其品质，由于人们的过度采挖，野生药用植物资源逐年减少，而人工栽培的药用植物存在药效下降、产量不高、病虫害、过量施用化肥、农药残留超标、安全堪忧等问题［1］。因此，药用植物的提质增效迫在眉睫，种植栽培技术提升是重中之重。2019年，《中共中央 国务院关于促进中医药传承创新发展的意见》明确要求“推行中药材生态种植”，菌根栽培技术就是贯彻中药材种植的绿色发展理念应运而生的。它既是一种绿色生态菌剂，也是一种应用前景很好的微生物肥料。菌根栽培技术中使用最为广泛的真菌是丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）。

丛枝菌根真菌是一种植物根系微生物，广泛存在于自然界中，可以与80%以上的维管植物形成共生结构［2］，作用方式即菌丝侵入植物根部后，形成丛枝结构，从而与宿主交换营养物质［3］。宿主植物为丛枝菌根真菌提供碳源多数以脂肪酸的形式，而丛枝菌根真菌则可以通过相通的根外和根内菌丝形成菌丝网来扩大植物根系与土壤的接触面积，进而提高植物对水分及必要营养成分的吸收，形成一种互利互助、互通有无的共生结构［4-6］。AMF显著作用于药用植物，能增加对营养元素的吸收效率，增强光合作用，利于药用植物的生长，提高产量［7］；能改善营养元素配比，调控次级产物代谢过程，促进药用植物活性物质的合成、转运与积累，使药用植物品质提升［8］；能提高抗氧化酶活性，稀释高盐浓度，络合重金属，调控相关抗性基因表达，提高药用植物在不良环境中的耐受性［9］。因此，AMF在药用植物生产中有着良好的应用前景，但在药用植物中的作用机制尚不明确，有待进一步阐述。

该研究归纳和分析了丛枝菌根真菌对药用植物生长、有效成分的合成与积累以及在提高药用植物抗非生物胁迫的能力和对病虫害的抗性等方面的作用和机制，为丛枝菌根真菌在药用植物生产上广泛应用提供理论依据。

1 AMF对药用植物养分吸收和生长的影响

植物从土壤中获取养分的途径有2种，第一种是由根毛直接吸收的根系途径，另一种是菌丝发挥根毛作用吸收土壤营养的菌根途径，这2个途径既相互独立又相互作用，共同从土壤中吸收植物所需的营养物质［10］。丛枝菌根真菌可以促进P、N、S、Zn、Cu、Ca等矿质元素的吸收［11］。磷在植物生长发育中具有重要作用，土壤中缺磷会限制植物生长，有关统计表明，中国约50%的农田土质中都缺少磷元素，而AMF在促进植物磷元素吸收方面具有一定的作用。首先，AMF对磷的吸收效率相对于植物根系更高，原因在于AMF菌丝体中没有隔膜的阻挡，磷在真菌菌丝中的流动速度更快，且菌根菌丝对磷有一种较大的储存量，也利于将磷持续提供给植物［12］；其次，AMF可以通过与解磷细菌合作，实现对有机磷的活化利用。研究发现，AMF菌丝分泌物可诱导解磷细菌向菌丝移动并定殖，解磷细菌分泌磷酸酶，活化土壤中的有机磷［13-14］；AMF除通过根外菌丝直接摄取土壤有效磷外，还通过调控宿主体内一些关键的功能基因如磷转运蛋白基因的表达，从而有效地改善植物的缺磷状态［15］。徐丽娇等［16］以玉米接种AMF，结果显示低磷胁迫下，AMF显著上调了玉米碳磷代谢相关基因的表达来响应低磷胁迫，推测碳磷代谢相关基因的表达可能是由AMF的分泌物来调控的。由此可见，菌根植株可以获得土壤中有效磷浓度低到非菌根植株所不能吸收到的磷，保证植株正常生长。刘春艳等［17-18］通过盆栽试验对枳进行AMF接种，结果表明，AMF的接种显著提高了有效磷的含量，又对菌根和非菌根的根系分泌物进行收集和分析发现，菌根分泌H+和有机酸促进了难溶磷酸盐的降解，增加了土壤的可用含磷量；齐俊香等［19］研究表明，丹参植株接种双网无梗囊霉可以促进丹参对磷元素的吸收。植物在生长发育中对氮素的需求量很大，因此氮素也成了植物生长的限制因子，接种AMF可加强对氮素的吸收和传递。首先AMF 根外菌丝通过在土壤中蔓延交错，形成错综复杂的菌丝网络，菌丝网随着植物的生长不断向外延伸，使得植物能更加深入土壤吸收氮素营养；其次，AMF的孢子中存在内生固氮菌，在孢子萌发时可以迁移到菌丝表面，成为菌丝际固氮菌来提高植物的固氮能力［20］；此外，土壤中的大部分氮源是以有机氮形式存在的，植物难以将其直接利用，众多研究表明，AMF根外菌丝可以吸收土壤中的有机氮，并通过谷氨酰胺途径同化土壤中的有机氮将其转变为富氮的精氨酸［21］，并在菌丝中通过氨基酸的方式运输，到达植物根表面后，根内菌丝会再通过无机氮的方式运输到植物体内参与氮素循环。Leigh等［22］利用15N标记的氮培养植物，发现植物体内20%的氮是通过根外菌丝吸收的15N，证明了根外菌丝对氮的吸收是丛枝菌根真菌提高植物对氮素利用率的一个重要方式。硫可以降低土壤的pH、调节植物的代谢活动，在碱性农业土壤中广泛运用，对提高作物的产量和品质都有一定的作用。AMF可帮助植物吸收更多的土壤硫素，Gray等［23］的开创性研究表明，硫和有机含硫化合物都可以通过菌根途径运输至植物体。Giovannetti等［24］研究表明，接种AMF提高了百脉根根系和地上部分的硫酸盐浓度，显著改善了植物的硫营养状况。其机制为百脉根共生过程中由硫饥饿和菌根形成诱导了硫转运蛋白基因LjSultr1；2，且该转运体在含丛枝细胞中特异表达。

综上所述，AMF通过促进药用植物对营养元素的吸收来促进药用植物的生长，此外，AMF也可显著提高水分利用效率、叶片中叶绿素的含量、光合效率，酶活性等来促进药用植物的生长。李文彬等［25］研究表明，接种摩西斗管囊霉和幼套近明球囊霉叶绿素含量提高，增强了郁金香对光能的利用效率，从而促进了郁金香的生长，增加了郁金香植株的生物量。

2 AMF对药用植物次生代谢产物的积累影响

植物次生代谢产物主要包括萜类化合物（单萜、倍半萜、双萜等）、酚类物质（黄酮类、简单酚类、醌类等）和含氮化合物（生物碱、胺类、非蛋白氨基酸等）。许多药用植物活性成分如萜类、黄酮类、生物碱等都属于次生代谢产物，药用植物活性成分的含量多少是衡量药用植物品质的一个标准。大量研究表明，接种AMF能够改变植物次生代谢产物的含量，同时，接种AMF对药用植物产品质量也有积极的影响。

2.1 AMF对药用植物萜类物质代谢的影响

萜类化合物是中草药中的一类比较重要的化合物，许多化合物是中草药中的有效成分。阳文武等［26］研究表明，接种27种AMF，其中大部分都提高了云木香根中的木香烃内酯、去氢木香内酯及总内酯含量。韩冰洋等［27］也发现，接种AMF可以提高腺花香茶的萜类成分含量。Mandal等［28］发现，AMF接种通过上调黄花蒿叶片中 DXS 和 DXR基因表达和提高黄花蒿叶片腺毛密度，改变腺毛结构，增加腺毛“库”容量来促进青蒿素（倍半萜）的积累。以往的研究表明，AMF通过营养机制和非营养机制2个方面来促进药用植物萜类化合物的合成。首先，萜类化合物合成途径中，磷元素是其初始底物，也是MEP途径和MVA途径中共同底物IPP/DMAPP的重要构成元素，接种AMF通过提高磷元素来间接促进药用植物萜类化合物的合成［29-30］；其次，植物根系被AMF侵染后，其合成途径的关键酶活性和基因表达水平发生了改变，这也对萜类化合物的合成有影响；最后，AMF通过调节转运蛋白活性进而影响萜类化合物的转运，并且改变萜类化合物的积累部位——“库”的容量和活力影响萜类化合物的运输模式和含量积累。

2.2 AMF对药用植物黄酮类物质代谢的影响

黄酮类化合物广泛存在于自然界的植物中，属植物次生代谢产物，其中有很多是具有药用价值的化合物。贺学礼等［31］研究表明，在同一施氮水平下，接种AMF可显著提高黄芪植株黄酮含量。De Assis等［32］通过盆栽试验发现，AMF促进了香蜂草的生长和柠檬醛、总酚和黄酮类化合物的积累。Selvaraj［33］报道了AMF对广藿香属植物化学成分的影响，观察到接种过的植物比对照组的总酚和类黄酮含量更高。以往的研究发现，AMF通过上调植物体内的3种信号分子H2O2、NO及水杨酸，从而调控植物体内与合成黄酮类物质有关的苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4羟化酶（C4H）、4-香豆酸CoA的连接酶（4-CL）、查尔酮异构化酶（CHI）、查尔酮合成酶（CHS）等限速酶以及抑制咖啡酸的形成，从而促进酮类物质合成［34］。