第十一章_微生物與植物之間相互關(guān)系

1、第十一章 微生物與植物之間的相互關(guān)系植物的地上部分和地下部分，盡管所處的環(huán)境差異較大，但無論莖、葉、花、果、種子以及根等器官上都存在著各種有機(jī)物，為微生物的生存、生長和繁殖提供營養(yǎng)，因此不同類群的微生物以各自的方式生活在植物體上，與植物發(fā)生互生、共生、寄生等關(guān)系，對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生多方面的影響。第一節(jié) 微生物與植物的互生關(guān)系一、 根際微生物11-1植物的根際1、滲出物 2、分泌物 3、植物黏液 4、黏質(zhì) 5、溶胞產(chǎn)物植物根 土壤 根際物質(zhì)的性質(zhì)xingzhi 性質(zhì)植物在其生長過程中，既從外界吸收養(yǎng)料和水分，也向外界環(huán)境中釋放各種無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)，根際中的有機(jī)物質(zhì)包括以下幾類：（1）滲出物，是指

2、根細(xì)胞向外釋放的小分子物質(zhì)，如有機(jī)酸、氨基酸等；（2）分泌物，指根細(xì)胞主動向外分泌的化合物，如維生素、核酸等；（3）植物黏液，包括植物和微生物分泌的多糖類產(chǎn)物；（4）黏質(zhì)，由植物和微生物細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物組成；（5）溶胞物質(zhì)，植物脫落的表皮細(xì)胞分解物。由于植物根周圍環(huán)境的特殊性（圖11-1），為微生物創(chuàng)造了一種特殊的生態(tài)環(huán)境根際。根際（rhizosphere）是指可被根釋放物質(zhì)所影響的根部土壤。1904年，德國微生物學(xué)家Hiltner就提出了根際的概念，根際的范圍很狹小，僅包括離根幾毫米的土壤區(qū)域。在根際內(nèi)，根分泌各種有機(jī)物，如氨基酸、維生素等，可作為微生物的生長因子；此外，脫落的根表皮和皮層細(xì)

3、胞內(nèi)容物也是微生物良好的營養(yǎng)源，因此根際是一個(gè)對微生物生長十分有利的特殊生態(tài)環(huán)境。在根際內(nèi)，根系對微生物群落的影響稱為根際效應(yīng)。根際中微生物群落的密度明顯比一般土壤中高，僅細(xì)菌就達(dá)每克109之多，根際土壤中微生物數(shù)量與非根際土壤的微生物數(shù)量的比值稱為根土比（R/S），是反映根際效應(yīng)的重要指標(biāo)。根土比一般在520之間，農(nóng)作作比樹木的根土比高，豆科植物比非豆科植物高。而且，根土比的數(shù)值隨土質(zhì)、植物種類及季節(jié)等因素的影響而發(fā)生變化。根際土壤中以細(xì)菌數(shù)量最多，但由于根際分泌物的選擇作用，細(xì)菌的種類較少，以低分子有機(jī)物為營養(yǎng)的革蘭氏陰性細(xì)菌占絕對優(yōu)勢，有假單胞菌（Pseudomonas）、黃桿菌（Fla

4、vobacterium）、土壤桿菌（Agrobacterium）等。隨植物的生長，革蘭氏陰性細(xì)菌會有所減少，在植物生長后期，根部脫落物增多，芽孢桿菌（Bacillus）和放線菌逐漸增加。根際中也有真菌分布，酸性土壤中常有鐮孢霉屬（Fusarium），中性土壤中柱孢屬（cylindrocarpon）較多，這兩種霉菌能侵入到根的內(nèi)皮層，甚至進(jìn)入中柱。青霉（Penicillium）、被孢霉（Mortierella）、黏帚霉（Glicocladium）分布在根面上，即使侵入根內(nèi)，也限于在外皮層中，植物生長前期，根際土壤中真菌較少，隨植物的成長，真菌數(shù)量逐漸增加，在植物營養(yǎng)生長高峰期，真菌活性最強(qiáng)，主導(dǎo)

5、著纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)的分解。根際土壤中也有食細(xì)菌的原生動物，如波多蟲、腎形蟲和小變形蟲等。根面和根際微生物的活動一般有利于植物的生長發(fā)育，如改善土壤礦質(zhì)營養(yǎng)狀況，提高土壤中磷、鐵、錳等化合物的有效性；根際固氮微生物可以豐富土壤中的氮素供給，為植物提供吲哚乙酸、赤霉素等生長激素和其它有機(jī)物；而且，根際微生物通過競爭或拮抗作用可以抑制殺死土壤中的植物病原菌。但是，根際微生物過度繁殖，會和植物爭奪礦質(zhì)養(yǎng)分造成植物的各種缺素癥，例如，果樹缺鋅產(chǎn)生小葉病，缺鐵則葉片黃化等。由于病原菌對植物宿主具有選擇性，棉花多年連作的根際土壤中輪枝霉（Verticillium）大量繁殖會引發(fā)黃萎病，鐮刀霉（Fu

6、sarium）會產(chǎn)生枯萎病。此外，有些根際微生物還會分泌毒素，如根際大量繁殖的假單胞菌會產(chǎn)生氰化物，而對馬鈴薯產(chǎn)生毒害作用。二、 附生微生物在植物地上部分各個(gè)器官表面生活的微生物稱附生微生物，植物的莖、葉、花、果實(shí)和種子表面都有少量的分泌物和水分，異養(yǎng)細(xì)菌、光合菌、真菌、藻類及地衣都可能在這里生存，但是植物表面裸露在空氣中，有些部位受陽光直射，干濕交替，溫差極大，因此附生微生物需具有一定的機(jī)制才能適應(yīng)這種環(huán)境。如光合菌具有色素能利用光能，有些微生物則通過增加細(xì)胞壁的厚度來保護(hù)自己；生長在樹木莖葉上的鞘氨醇細(xì)胞屬（Sphingomonas）的一些種，甚至能在高強(qiáng)度的紫外光照射下生存；這些微生物除

7、通過風(fēng)、降水或昆蟲進(jìn)行傳播外，有的還有特殊的傳播方法：如擲孢酵母（Sporobolomycetaceae），產(chǎn)生擲孢子向外傳播。葉面微生物是附生微生物的主要組成部分生活在葉面的細(xì)菌有假單胞菌屬、乳酸菌屬、黃單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬等；葉面真菌有各種酵母菌，子囊菌和擔(dān)子菌等。樹干上經(jīng)常分布地衣、多孔菌和層孔菌等?；ǖ拇菩廴锷嫌胸S富的蜜糖和其它有機(jī)物，酵母菌是這里的優(yōu)勢種。蘋果、葡萄、草莓等果實(shí)的表面酵母菌也占優(yōu)勢，但小麥等種子上卻是霉菌居多。上述互生關(guān)系使植物從微生物生命活動中獲得各種養(yǎng)料、生長因子，并受到某種程度的保護(hù)。如固氮的附生菌可以為植物提供氮素營養(yǎng)，酵母菌分泌的不飽和脂肪酸能抑制革蘭氏

8、陽性病菌的生長等。但是附生微生物對植物也存在著不利影響，如葉面上有些真菌就會引起病害，果實(shí)上一些附生菌，條件合適時(shí)會轉(zhuǎn)化為腐生，造成水果腐爛，谷物種子上的各種霉菌，在濕度增大，通風(fēng)不良時(shí)，往往導(dǎo)致糧食霉?fàn)€變質(zhì)。此外假單胞菌屬的某些野生附生菌株是冰晶形成菌，它產(chǎn)生一種能誘導(dǎo)冰晶形成的表面蛋白，在-24的環(huán)境中，促使植物表面結(jié)冰，造成凍害。目前，已培養(yǎng)出無冰晶形成的突變株，即使氣溫降至-9，也不會在植物表面形成冰晶，對農(nóng)作物防凍有極好的效應(yīng)。第二節(jié) 微生物和植物的共生關(guān)系 共生是微生物為適應(yīng)環(huán)境而產(chǎn)生的一種生存方式。細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌和真菌都能與植物建立共生關(guān)系。一、 細(xì)菌與植物的共生1886年

9、德國學(xué)者赫爾利格爾（Hermann Helliegel）首次指出根瘤菌與豆科植物之間存在著共生關(guān)系。根瘤菌在常溫、常壓的條件下，吸收氮?dú)獠⑵滢D(zhuǎn)化為氨，供給植物氮素營養(yǎng)，根瘤菌的分泌物還能提高鐵、磷、鉀等礦質(zhì)鹽的有效性。豆科植物為根瘤菌提供生活場所，并為其生長繁殖供給水分、碳源和能源。根瘤菌生活在豆科植物根部，它們相互作用形成根瘤共生體，在共生體內(nèi)的根瘤菌固氮效率遠(yuǎn)高于自生固氮菌。據(jù)估計(jì)結(jié)瘤豆科植物的生長每年可為每公頃土壤固定300kg氮素，因此在首次引種豆科植物的地區(qū)，應(yīng)施用根瘤菌劑，以增強(qiáng)其固氮作用。根瘤通常長在根部，但田菁等少數(shù)植物卻在莖上結(jié)瘤，又稱莖瘤。碗豆、大豆的根瘤在根表形成，極易

10、剝離；花生的根瘤因從中柱長出，附在根表，故十分牢固；苜蓿、花生的根瘤具有頂端分生組織，所以能夠伸長；大豆、豇豆根瘤因有周生分生組織，故呈圓形。不是所有根瘤菌的菌株都有固氮能力，只有那些“有效”菌株才能固氮；因此，根瘤也分為有效根瘤和無效根瘤，有效根瘤體積大而飽滿，內(nèi)部呈粉紅色。按照寄生的類型，根瘤菌可分為：大豆根瘤菌（Rhizobium japonicum）、菜豆根瘤菌（R. phaseoli）、豌豆根瘤菌（R. leguminosarum）、苜蓿根瘤菌（R. meliloti）和紫云英根瘤菌（R. astragali）等。根瘤菌與豆科植物的共生有明顯的專一性，某一特定的根瘤菌能感染一種或少數(shù)

11、幾種豆科植物，因此根瘤菌的學(xué)名并不代表宿主的專一性。如豌豆根瘤菌，不僅感染豌豆，也能感染蠶豆、鷹咀豆、兵豆等豆科植物。另外，1973年Trinick在巴布亞新幾內(nèi)亞發(fā)現(xiàn)榆科植物中的parasponia rogosa，也能與根瘤菌共生形成固氮根瘤。二、 放線菌與植物的共生放線菌中的弗蘭克氏菌（Frankia）能與非豆科植物共生，結(jié)瘤固氮。與放線菌共生的植物都是多年生的雙子葉木本植物，有灌木也有喬木。目前已知包括7個(gè)目，8個(gè)科和25個(gè)屬中的279個(gè)種都能與放線菌共生形成根瘤，這些植物統(tǒng)稱為放線菌結(jié)瘤植物。放線菌根瘤有兩種形式，珊瑚形和裂片形。放線菌根瘤的形成可分三個(gè)時(shí)期： 入侵期：放線菌經(jīng)根毛入侵

12、，在根皮層細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間生長形成網(wǎng)狀菌絲體； 泡囊期：菌絲末端膨大成棒狀或球狀的泡囊； 孢囊期：部分菌絲加粗，分隔形成孢子囊，囊內(nèi)有卵形厚壁孢子。大多數(shù)弗蘭克氏菌侵染宿主具有跨越科、屬、種的特點(diǎn)，該菌比根瘤細(xì)菌容易生長，固氮活性高，持續(xù)時(shí)間長，尤其是具有根瘤菌沒有的，防止固氮受氧損傷的獨(dú)特機(jī)制，因此對其在固氮作用的理論和實(shí)際應(yīng)用都值得做深入研究。放線菌結(jié)瘤植物遍及全球，其中有些植物對貧瘠、干旱環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此可以利用它們培肥土壤，綠化荒山，固定沙粒及防止水土流失。三、 藍(lán)細(xì)菌與植物的共生藍(lán)細(xì)菌能進(jìn)行光合作用，也能在低氧分壓或異形胞內(nèi)進(jìn)行固氮，只有魚腥藻屬（Anabaena）、念珠藻屬

13、（Nostoc）等少數(shù)藍(lán)細(xì)菌能與苔蘚、厥類、裸子植物和被子植物共生。1、 藍(lán)細(xì)菌和苔蘚的共生苔蘚植物中的角苔屬（Anthoceros）、壺苞苔屬（Blasia）等五個(gè)屬能和魚腥藻、念珠藻共生。念珠藻從苔蘚的腹腔孔侵入，并在其中繁殖，產(chǎn)生約2535%的固氮異形胞，發(fā)揮共生后的固氮作用。2、 藍(lán)細(xì)菌和厥類植物的共生11-2 紅萍葉內(nèi)的藍(lán)細(xì)菌我國南方水稻田或池塘中常見的紅萍，實(shí)際上是紅萍魚腥藻（Anabaena azollae）和水生厥類植物滿江紅屬（Azolla）一些種的共生體（圖11-2）。紅萍魚腥藻生活在滿江紅小葉鱗片腹面的小腔中，并在其中固氮，為宿主植物提供氮素。紅萍在熱帶和亞熱帶地區(qū)生長十

14、分迅速，其干物質(zhì)中含36%的氮，是一種很好的綠肥。3、 藍(lán)細(xì)菌和裸子植物的共生念珠藻和魚腥藻能與裸子植物蘇鐵共生。我國四川省發(fā)現(xiàn)攀枝花蘇鐵與藍(lán)細(xì)菌共生，在接近地面的土表形成粗棒狀瘤瓣組成的根瘤共生體，共生根呈綠色，其共生菌的純培養(yǎng)能固氮既能異養(yǎng)也能自養(yǎng)。4、 藍(lán)細(xì)菌和被子植物的共生被子植物中小二仙草科（Haloragaceae）根乃拉草屬（Gunnera）中的約50余個(gè)種能和念珠藻共生，與根乃拉草屬各個(gè)種共生的念珠藻無感染專一性。在宿主植物幼苗期念珠藻侵入葉片基部的腺體中，在葉柄著生的莖上形成密集的、三個(gè)一組的瘤體。生活在瘤體內(nèi)的念珠藻雖然含有葉綠素，卻無光合能力，靠宿主供給碳源和能源，但其固

15、氮能力要比自生狀態(tài)下強(qiáng)，其固氮酶活性在光照下比黑暗中高10余倍。四、 真菌和高等植物共生真菌感染植物根系后形成的共生體稱菌根，早在19世紀(jì)80年代就被發(fā)現(xiàn)，自然界中已發(fā)現(xiàn)有菌根的植物有兩千多種，其中木本植物最多。在真菌和植物共生關(guān)系中，植物的根系為真菌提供生存場所，供給碳水化合物，菌根中的真菌幫助根系擴(kuò)大吸收面積，并使土壤中磷、鐵等礦質(zhì)有效化，真菌合成某些維生素，促進(jìn)植物生長發(fā)育，還能抑制土壤中病原菌的繁殖，從而提高植物的抗病性等。根據(jù)菌根的形態(tài)特征，可將其劃分為外生菌根、內(nèi)生菌根和內(nèi)外生菌根；按宿主植物的類型又可以分蘭科菌根，杜鵑花菌根，漿果莓類菌根等。菌根真菌有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益，牛

16、肝菌、松茸、松茹是珍貴的食用菌，用形成外生菌根的真菌純培養(yǎng)物接種，可以增強(qiáng)苗木的抗逆性、抗病性，提高成活率，促進(jìn)樹苗生長，對苗木培育，荒山綠化，植樹造林有極大貢獻(xiàn)。第三節(jié) 固氮根瘤一、 根瘤菌根瘤菌（Rhizobia）是一類存在于土壤中的革蘭氏陰性細(xì)菌，它能夠侵染豆科植物的根部或莖部形成共生體根瘤（或莖瘤），并在其中將空氣中游離態(tài)的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成植物可以利用的化合態(tài)氮，為宿主植物的生長提供必需的氮素營養(yǎng)。根瘤菌與豆科植物形成的固氮體系具有高效、不消耗礦物質(zhì)能源和不污染環(huán)境的特點(diǎn)，研究和開發(fā)利用這一固氮體系具有巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值。（一）根瘤菌的形態(tài)特征根瘤菌為桿狀，大小0.50.9 

17、5;1.23.0m，能運(yùn)動，不形成芽孢，有鞭毛，鞭毛為一根端生或側(cè)生，或26根周生。細(xì)胞內(nèi)常有類脂顆粒，細(xì)胞外多形成莢膜和粘液物質(zhì)。常用的根瘤菌培養(yǎng)基為酵母汁甘露醇營養(yǎng)瓊脂，在此培養(yǎng)基上，根瘤菌菌落為圓形，直徑0.51.5cm，邊緣整齊，無色、白色或乳脂色，有光澤；個(gè)別種類具有其它顏色，如從百脈根上分離的根瘤菌形成紅色菌落。（二）根瘤菌的生理生化特性根瘤菌是化能異養(yǎng)型微生物，快生型能夠利用糖、多元醇和有機(jī)酸為碳源，最合適的碳源是葡萄糖、蔗糖、甘油、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、果糖和甘露醇等；慢生型根瘤菌碳源利用范圍較窄，容易利用五碳糖。根瘤菌分解碳水化合物時(shí)不產(chǎn)氣，有些種類產(chǎn)生微量的酸。根瘤菌雖然

18、可以利用銨鹽和硝酸鹽為唯一無機(jī)氮源生長，但在培養(yǎng)基中加入酵母汁、豆芽汁等生長因子類物質(zhì)時(shí)，根瘤菌生長更好；除共生固氮的條件以外，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，部分根瘤菌也可以利用分子態(tài)氮。根瘤菌的生長需要各種無機(jī)鹽，例如磷酸鹽、Ca2+和Mg2+。一些微量元素也是根瘤菌生長必需的，鐵是合成血紅蛋白所必需的元素，鉬是固氮酶的成分，鈷是合成維生素B12所必需的。根瘤菌是好氣性微生物，進(jìn)行液體深層培養(yǎng)時(shí)需要通氣供氧，但根瘤菌對氧氣的要求不是很高，可以控制氧化還原電位在150450mV之間。根瘤菌的培養(yǎng)溫度范圍為2530，適合在中性或偏堿性的條件下生長，適宜的pH范圍在6.57.5之間。不同根瘤菌菌株的耐酸能力

19、是不同的，如苜蓿根瘤菌耐酸性較差，豇豆根瘤菌則較耐酸。（三）根瘤菌的結(jié)瘤性、專一性和固氮性結(jié)瘤性是根瘤菌最為突出特點(diǎn)，該菌能夠進(jìn)入某些植物的根內(nèi)，在其中繁殖并形成根瘤。根瘤菌侵染宿主時(shí)具有一定的專一性，不同菌株的感染宿主范圍不同，有的菌株只能感染固定的一種豆科植物，有的菌株則能感染多種豆科植物，根據(jù)每種根瘤菌只能在特定的一種或若干種豆科植物上結(jié)瘤的現(xiàn)象，人們把根瘤菌及其豆科宿主分成不同的族，這些族也叫做互接種族。一種豆科植物的根瘤菌只能使同一個(gè)互接種族內(nèi)的其他豆科植物結(jié)瘤。常見的互接種族及所含的豆科植物有：苜蓿族，包括苜蓿屬和草木犀屬植物；三葉草族，只有三葉草屬一個(gè)屬；豌豆族，包括豌豆屬、蠶豆

20、屬、山黧豆屬、兵豆屬和鷹嘴豆屬植物；四季豆族，包括四季豆屬中四季豆等植物；大豆族，只有大豆屬一個(gè)屬；豇豆族，包括豇豆、花生、綠豆、赤豆等植物；紫云英族，只有黃芪屬一個(gè)屬（包括紫云英、沙打旺等）。形成互接種族現(xiàn)象的主要原因?yàn)樗拗髦参锱c根瘤菌的信號識別，豆科植物的根毛能夠分泌一類特殊的蛋白質(zhì)，根瘤菌細(xì)胞的表面則存在著多糖類物質(zhì)，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白質(zhì)與同族根瘤菌細(xì)胞表面的多糖物質(zhì)才能產(chǎn)生特異性結(jié)合，進(jìn)而侵入并共生結(jié)瘤。固氮活性是根瘤菌的另一重要特性，能在根瘤中進(jìn)行固氮即根瘤菌的有效性。但不是能夠形成根瘤的根瘤菌都能固氮，有些菌株是無效的，形成根瘤但并不固氮。根瘤菌的某些菌株對一種豆科植物

21、的某些品種是有效的，而對另一些品種可能無效。根瘤菌的結(jié)瘤性、專一性和固氮性都是相對的，是特定菌株與特定宿主植物信號交流和相互作用的結(jié)果。（四）根瘤菌的分類根據(jù)伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊第二版，根瘤菌科（Rhizobiaceae）上升為目，根瘤菌目（Rhizobiales）下設(shè)5個(gè)科，即根瘤菌科（Rhizobiaceae）、布魯氏菌科（Brucellaceae）、葉瘤菌科（Phyllobacteriaceae）、絲微菌科（Hyphomicrobiaceae）和慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）。與豆科植物結(jié)瘤固氮的細(xì)菌已達(dá)11個(gè)屬中，共有56個(gè)種。其中，另類根瘤菌屬（Allorhizo

22、bium）內(nèi)1個(gè)種，固氮根瘤菌屬（Azorhizobium）內(nèi)2個(gè)種，慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）內(nèi)6個(gè)種，根瘤菌屬（Rhizobium）內(nèi)17個(gè)種，中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium）內(nèi)12個(gè)種，中華根瘤菌屬（Sinorhizobium）內(nèi)11個(gè)種。此外，還有一些先前被分類于非共生細(xì)菌屬中的共生固氮細(xì)菌，包括蒼白桿菌屬內(nèi)的2 個(gè)種Ochrobactrum lupine、O. cytisi、結(jié)瘤甲基桿菌（Methylobacterium nodulans）、假含羞草戴維斯菌（Devosi neptuniae）、結(jié)瘤伯克氏菌（Burkholderiatubrum tube

23、rum）、植物伯克氏菌（Burkholderiatubrum phymatum）以及臺灣羅爾斯通氏菌（Ralstonia taiwanensis）。另外，從豆科植物的根瘤內(nèi)共分離得到葉瘤桿菌屬（Phyllobacterium）內(nèi)的7個(gè)種，分別是Phfllobacterium myrsinacearum（紫金牛葉瘤桿菌）、Phfllobacterium trifolii（三葉草葉瘤桿菌）、P. catacumbae、P. leguminum、P. ifriqiyense、P. brassicacearum和P. bourgognense。二、 根瘤的結(jié)構(gòu)（一）根瘤的外形根瘤菌主要與宿主植物的根形

24、成共生體系，根瘤的外形不同，有球形、棗狀等；它們在根系上的分布也不一樣，有的集中在根莖部位，有的則較分散。根瘤的形狀和分布的差異（圖11-3），主要是由植物決定的，有少數(shù)豆科和非豆科植物除形成根瘤外，也在地上部分形成莖瘤，如具喙田菁。圖11-3 根瘤的形態(tài)（二）豆科植物根瘤的結(jié)構(gòu)按照根瘤內(nèi)是否有分生組織存在，可以將其劃分為無限生長型和有限生長型（圖11-4）。豌豆、苜蓿等植物的根瘤，由于具有分生組織，是無限生長型根瘤，成熟后呈棗狀、園柱型或雞冠狀，基本結(jié)構(gòu)分為：根瘤表皮；根瘤皮層；頂端分生組織；含菌組織，是起固氮作用的功能區(qū)，包括侵染區(qū)、早期生長區(qū)、后期生長區(qū)及衰敗區(qū)；維管束系統(tǒng)：它與根中柱的

25、輸導(dǎo)組織相聯(lián)系，承擔(dān)水分和養(yǎng)料的運(yùn)輸。大豆等植物的根瘤一般呈球形，由于無分生組織，發(fā)育成熟后不再增大，屬有限生長型根瘤。圖11-4根瘤結(jié)構(gòu)示意圖A.有限型根瘤 B.無限型根瘤含菌組織中的根瘤菌在形態(tài)和功能上與培養(yǎng)基上生長的根瘤菌差別很大，稱為類菌體（bacteroids）。類菌體的形狀受宿主細(xì)胞的制約，在蠶豆根瘤中類菌體為梨形或膨大桿狀；在花生根瘤中呈大圓球形；在大豆根瘤中呈桿狀。在根瘤中，根瘤菌被一層植物產(chǎn)生的膜所包裹，該膜稱為類菌體周膜（peribacteroid membrane）。在類菌體周膜內(nèi)外存在豆血紅蛋白（leghaemoglobin，Lb），它是一種紅色的含鐵蛋白，由蛋白質(zhì)和血

26、紅素兩部分構(gòu)成，前者由宿主植物細(xì)胞合成，后者由類菌體合成，對根瘤中氧氣的調(diào)節(jié)起著重要作用。豆血紅蛋白與氧的結(jié)合能力極強(qiáng)，可以調(diào)節(jié)根瘤中膜內(nèi)氧濃度，氧濃度高時(shí)與氧結(jié)合，氧濃度低時(shí)又可釋放出氧，從而保證了類菌體生長所需的氧，又不致對其固氮酶產(chǎn)生氧傷害。圖11-5 放線菌根瘤結(jié)構(gòu)示意圖（三）放線菌根瘤的結(jié)構(gòu)放線菌根瘤有頂端分生組織，根瘤菌生存在外皮層和內(nèi)皮層之間的細(xì)胞內(nèi)。（圖11-5），放線菌以營養(yǎng)菌絲在宿主細(xì)胞內(nèi)分裂繁殖，其菌絲穿過細(xì)胞壁感染相鄰的宿主細(xì)胞，有的營養(yǎng)菌絲生長時(shí)在頂端形成泡囊。有的放線菌還在衰老含菌組織區(qū)產(chǎn)生孢子囊，囊內(nèi)有數(shù)量不等的多角形顆粒體，顆粒體出現(xiàn)后菌絲體和泡囊開始解體。三、

27、 豆科植物根瘤的形成（一）根瘤形成的過程根瘤形成包括以下步驟：豆科植物釋放的信號物質(zhì)被根瘤菌識別；根瘤菌發(fā)出相應(yīng)的信號，根毛發(fā)生變形，根瘤菌進(jìn)入根毛細(xì)胞并形成侵染線（infection thread）；侵染線增長并伸入根的皮層；與此同時(shí)皮層細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，產(chǎn)生根瘤原基；侵染線繼續(xù)增長和分枝，伸入各原基細(xì)胞，根瘤菌從侵染線中釋放出來；根瘤原基發(fā)育為根瘤，其中根瘤菌分化為類菌體；由植物形成的周膜將類菌體包裹成為共生體，類菌體將分子態(tài)氮還原為氨態(tài)氮，轉(zhuǎn)送到植物其它部分進(jìn)行同化（圖11-6）。 A B C DA.根瘤菌開始進(jìn)入根毛細(xì)胞 B.電鏡下觀察到的分枝狀侵染線C. 根瘤菌穿過侵染線在宿主細(xì)胞間

28、擴(kuò)散 D.類菌體形成，并分化成固氮共生體圖11-6 根瘤菌導(dǎo)致的根瘤形成根瘤的形成是根瘤菌與宿主植物之間相互作用的結(jié)果，這個(gè)過程涉及到兩者間的信號識別、基因表達(dá)調(diào)控和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，具體過程如下。首先，根瘤菌緊密的黏附于宿主根毛上，這一過程可分為兩個(gè)步驟。根瘤菌通過根鈣黏附蛋白（rhicadhesin）的介導(dǎo)黏附在宿主植物的根毛上；之后是由根瘤菌合成纖維素所介導(dǎo)的一個(gè)更緊密的結(jié)合過程，宿主植物的凝集素也參與進(jìn)來，這些凝集素通常位于根毛頂端，此時(shí)它們被運(yùn)送到植物細(xì)胞壁和根瘤菌的接觸面。根瘤菌與宿主植物之間的第一步分子識別是在低氮或缺氮的環(huán)境下，根瘤菌接觸到宿主植物分泌的類黃酮類化合物和相關(guān)分子物

29、質(zhì)。由植物根分泌的類黃酮信號被根瘤菌的NodD蛋白識別，NodD是一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子能夠直接與信號分子結(jié)合，NodD多聚體能結(jié)合到nodABC基因的啟動子，并藉此來調(diào)控它們的表達(dá)，合成結(jié)瘤因子（nod factors，NFs）。在根瘤菌NFs作用下，宿主植物根毛內(nèi)部肌動蛋白骨架發(fā)生改變，導(dǎo)致根頂端生長方向發(fā)生改變，根毛產(chǎn)生變形；對結(jié)瘤因子敏感區(qū)域的根毛生長停滯，并發(fā)生卷曲，而其它不敏感區(qū)域的根毛則不受影響。與此同時(shí)，根瘤菌被包裹到卷曲的根毛部位，伴隨根毛形態(tài)的變化，在根毛卷曲部位植物細(xì)胞壁局部水解，細(xì)胞質(zhì)膜向內(nèi)生長，新的細(xì)胞壁物質(zhì)沉積在內(nèi)陷的質(zhì)膜處，形成這樣一種管狀結(jié)構(gòu)，即侵染線；根瘤菌就是通過

30、侵染線進(jìn)入到根內(nèi)皮層的植物細(xì)胞中去的。隨著侵染線向根毛基部延伸，在被侵染部位高度液泡化的根皮層細(xì)胞被激活，這些活化的細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)重排，形成橫跨中央大液泡的輻射狀胞質(zhì)橋，這種胞質(zhì)橋被稱為前侵染線。同時(shí)引起發(fā)生根毛細(xì)胞堿性化，質(zhì)膜去極化，鈣離子濃度、質(zhì)子濃度均發(fā)生變化，根瘤菌侵入植物根毛形成侵染線。圖11-7 根瘤菌誘導(dǎo)豆科植物形成根瘤的早期結(jié)構(gòu)示意圖A：根瘤原基的形成 B：根瘤的分化在根瘤菌侵染根毛細(xì)胞的同時(shí)，宿主植物的根皮層細(xì)胞也被激活并開始細(xì)胞分裂（圖11-7）。根外皮層細(xì)胞被激活形成前侵染線結(jié)構(gòu)，根內(nèi)皮層細(xì)胞分裂構(gòu)成根瘤原基（nodule primoridum）。侵染線通過前侵染線向根瘤

31、原基生長、分叉，并在根瘤原基細(xì)胞中釋放出根瘤菌。侵染線所釋放根瘤菌被根瘤原基細(xì)胞形成的膜套所包裹，成為可以固氮的類菌體，從而形成宿主植物與根瘤菌的共生體。而在根瘤原基頂端的細(xì)胞則很小，富含細(xì)胞質(zhì)，構(gòu)成頂端分生組織。分生組織基部分化形成中央組織和外周組織。中央組織是被根瘤菌侵染的組織，而外周組織不是，它包括根瘤皮層、內(nèi)皮層和根瘤薄壁組織，后者是根瘤維管束存在的地方。分生組織不斷地分化形成根瘤組織，根瘤原基則發(fā)育為根瘤。（二）參與根瘤形成的基因1、結(jié)瘤基因根瘤菌侵染宿主植物及形成根瘤所必需的基因可以分為兩類，一類是決定結(jié)瘤作用的基因，包括nod、nol和noe基因，這些基因的失活將導(dǎo)致不結(jié)瘤、結(jié)瘤

32、過程推遲或宿主范圍改變等。某些結(jié)瘤基因在不同品種或亞種間可以相互交換而不改變結(jié)瘤功能，被稱為共同結(jié)瘤基因。而另一些結(jié)瘤基因?yàn)樘囟ㄋ拗鹘Y(jié)瘤所必須，稱為宿主專一性結(jié)瘤基因。在大多數(shù)快生型根瘤菌中，nod基因和固氮基因（nif / fix）位于同一個(gè)質(zhì)粒上；在大豆慢生根瘤菌和莖瘤固氮根瘤菌中，與共生有關(guān)的基因則定位于染色體上。第二類是決定細(xì)胞表面組分的基因，包括合成胞外多糖的exo基因、脂多糖的lPs基因及合成莢膜多糖、K抗原和b-1,2-葡聚糖的ndv基因等。上述基因的突變將不同程度擾亂根瘤菌的侵染過程，如不能形成侵入線或形成不能固氮的空瘤。2、共同結(jié)瘤基因共同結(jié)瘤基因nodABC是最早被鑒定的結(jié)

33、瘤基因，其基因結(jié)構(gòu)十分保守，在不同根瘤菌中功能上可以互補(bǔ)。在大多數(shù)根瘤菌中，nodABC構(gòu)成單一轉(zhuǎn)錄單位。nodABC失活將不能引起宿主的根毛卷曲、侵染線的形成、皮層細(xì)胞的分裂和根瘤的形成等，而與宿主類型、侵染方式、根瘤發(fā)育類型和根瘤的位置無關(guān)。nodA和nodB的產(chǎn)物定位在細(xì)胞質(zhì)中，nodC是一種膜蛋白，在接種物中加入抗NodC專一性抗體會降低結(jié)瘤效率。NodIJ存在于豌豆根瘤菌、三葉草根瘤菌、大豆慢生根瘤菌和莖瘤固氮根瘤菌中，也具有相當(dāng)高的保守性。它們位于nodC下游,屬于nodABC操縱子的一部分。（三）結(jié)瘤因子根瘤菌產(chǎn)生的結(jié)瘤因子是根瘤形成的信號物質(zhì)，它的化學(xué)名稱是脂幾丁寡聚糖（lip

34、ochitooligosaccharides，LCDs）。不同根瘤菌的結(jié)瘤因子都具有相似的骨架結(jié)構(gòu)：由35個(gè)b-1,4-N-乙酞-D-葡萄糖胺組成的糖骨架，非還原糖末端的C2通過N-乙酞基團(tuán)連接一條脂肪酸鏈，還原末端被不同程度修飾（圖11-8）。不同根瘤菌來源的結(jié)瘤因子在還原端和非還原端側(cè)鏈取代基團(tuán)、脂肪酸鏈的長度和不飽和度方面表現(xiàn)出較大的差異，而這些結(jié)構(gòu)的差異是與根瘤菌的宿主范圍、有效侵染等緊密相關(guān)的。如在首蓓中華根瘤菌的結(jié)瘤因子中，4個(gè)b-1,4-氨基葡萄糖單位構(gòu)成糖骨架，非還原端上有不飽和脂肪酸鏈（C16:2），由酰胺鍵連接，還原端連有一個(gè)磺酸基。一般非還原糖末端形成N-甲基化、O-乙酞

35、化，而還原糖末端則形成巖藻糖基化、乙酞化和磺基化；脂肪酸鏈長度及不飽和度也有不同，有C 18:0、C20:l等。不同根瘤菌的結(jié)瘤因子具有不同的取代基，這是由宿主專性基因決定的，決定了結(jié)瘤作用的特異性。圖11-8 結(jié)瘤因子的結(jié)構(gòu)四、 根瘤的固氮功能同微生物的自生固氮相似，根瘤菌進(jìn)行共生固氮也是在固氮酶的催化下進(jìn)行的。結(jié)瘤固氮需要大量的碳源和能源，宿主植物生長良好，有效葉面積大，光合效率高，不斷地向根部輸送足夠的碳水化合物，則根瘤菌生長良好、固氮能力強(qiáng)；如果植物生長不良，根瘤菌和宿主之間甚至?xí)l(fā)碳源競爭，使兩者的共生關(guān)系受到損傷。根瘤固氮所需能量是由碳源氧化磷酸化提供的，氧氣的供應(yīng)是必需的，但類

36、菌體內(nèi)的固氮酶對氧很敏感，接觸分子氧后，即不可逆地失活，因此固氮需要一個(gè)相對無氧的條件。根瘤調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)的方法有木栓層擴(kuò)散障礙和豆血紅蛋白。在根瘤的外皮層上包裹著緊密排列的木栓層，能有效控制氧氣的進(jìn)入；由于細(xì)胞空隙減小，還能阻礙氣體的擴(kuò)散。豆血紅蛋白是解決根瘤固氮作用中氧氣矛盾的主要機(jī)制，它如同人體血液中的血紅蛋白，可以運(yùn)載氧氣。豆血紅蛋白分布類菌體的周圍，有截留和釋放氧分子的功能，既為類菌體的呼吸作用提供分子氧，又保護(hù)了類菌體內(nèi)固氮酶免與氧直接接觸而受破壞。根瘤中豆血紅蛋白的含量高，標(biāo)志著根瘤的固氮效率高，缺少豆血紅蛋白的根瘤是無效根瘤。固氮過程中生成的氨，如果沒有被同化合成有機(jī)氮化物，或沒

37、有分泌到類菌體細(xì)胞外，就會造成過度積累，而產(chǎn)生對生物固氮的氨抑制現(xiàn)象。自生固氮菌在固氮作用中合成的氨作為自身的氮素營養(yǎng)，合成細(xì)胞物質(zhì)，繼續(xù)生長繁殖，沒有必要向胞外分泌氨，當(dāng)能源缺乏或受其他環(huán)境因素的影響細(xì)胞停止生長時(shí)，固氮作用也停止。在根瘤菌與豆科植物的共生固氮體系中，由于發(fā)育的類菌體已不再繁殖，固氮作用中生成的氨很少被自身利用，大部分會分泌出去，供作植物的氮素營養(yǎng)。類菌體作為固氮的場所，在整個(gè)生存周期中可以連續(xù)進(jìn)行固氮作用，但如果氨從根瘤向外分泌的途徑受阻，或土壤中因施用氮肥，植物根能由土壤中吸收的氨態(tài)氮過多時(shí)，就會造成氨抑制根瘤的固氮作用，這是影響共生固氮的一個(gè)重要的生態(tài)因素，因此對豆科植

38、物的氮肥施用要掌握好時(shí)機(jī)和數(shù)量。第四節(jié) 菌根自然界中普遍存在著植物與真菌的共生現(xiàn)象，即真菌菌絲的一端著生在植物根系內(nèi)部，另一端延伸到土壤中。真菌從植物根部獲得生長所需的碳水化合物和其它生長物質(zhì)，而真菌從土壤中吸收礦物質(zhì)供給植物生長，這種真菌與植物根系形成的共生體已經(jīng)不再是單純意義的“根系”，故稱為菌根（Mycorrhizas）。能夠形成菌根的真菌叫菌根真菌，形成菌根的植物被稱為菌根植物。早在1885年，德國植物學(xué)家Albert Bernard Frank就發(fā)現(xiàn)高等植物與真菌共生形成菌根。目前學(xué)者認(rèn)為95%的維管植物都有菌根存在，按菌根的形態(tài)和特點(diǎn)，可將其分為外生菌根、內(nèi)生菌根及內(nèi)外生菌根。根據(jù)

39、參與共生的真菌、植物種類及它們形成共生體系的特點(diǎn)，可以將菌根分為7種類型（表11-1），即叢枝菌根（arbuscular mycorrhizas, AM）、外生菌根（ectomycorrhizas）、內(nèi)外生菌根（ectendomycorrhizas）、漿果鵑類菌根（arbutoid mycorrhizas）、水晶蘭類菌根（monotropoid mycorrhizas）、歐石南類菌根（ericoid mycorrhizas）和蘭科菌根（orchid mycorrhizas）。一、 外生菌根外生菌根多形成于喬木和灌木等木本植物的根部，松科植物可以看作是專性外生菌根植物，如果不形成菌根，它們的生長

40、就會受到影響。形成外生菌根的真菌主要是擔(dān)子菌、子囊菌、接合菌和半知菌。大多數(shù)外生菌根真菌的宿主范圍廣泛，能與多種植物形成外生菌根，少數(shù)為專性宿主真菌，只能同固定的幾種植物形成菌根。例如，小牛肝菌（Boletinus cavipes）只同落葉松屬樹種形成菌根，毒鵝膏菌（Amanita phalloides）只在麻櫟上形成菌根。表11-1 菌根的類型（Harley，1989）特點(diǎn)叢枝菌根外生菌根內(nèi)外菌根漿果鵑類菌根水晶蘭類菌根歐石南類菌根蘭科菌根菌絲隔膜(+)+菌絲進(jìn)入細(xì)胞+菌鞘+()+哈氏網(wǎng)+胞內(nèi)菌絲網(wǎng)+菌絲二叉分枝+泡囊+菌根真菌球囊霉門擔(dān)子菌綱子囊菌綱半知菌綱接合菌綱擔(dān)子菌綱子囊菌綱擔(dān)子菌綱

41、擔(dān)子菌綱子囊菌綱半知菌綱擔(dān)子菌綱擔(dān)子菌綱半知菌綱宿主植物苔蘚植物蕨類植物裸子植物被子植物裸子植物被子植物蕨類植物裸子植物被子植物歐石南類水晶蘭類歐石南類蘭科植物“+”存在；“”不存在；“(+)”有時(shí)存在；“()”有時(shí)不存在（一）外生菌根的形態(tài)外生菌根的形態(tài)待征主要受宿主植物、真菌類型及環(huán)境條件影響。外生菌根的主體為植物的營養(yǎng)根，菌根菌的菌絲體包圍營養(yǎng)根，并形成菌絲套，營養(yǎng)根系的生長受限制，變粗而不再伸長，形成分枝或不分枝的特殊形狀。外生菌根的顏色主要取決于菌根菌的類型。常見的外生菌根形狀有：單軸狀、二叉分枝狀、羽狀、珊瑚狀、塔狀、塊狀、疣狀或不規(guī)則狀等（圖11-9）。由于形成外生菌根的樹種及菌

42、種的不同，外生菌根的形狀也差異很大。單軸狀菌根往往不分枝，形成一個(gè)短棒狀，如楊屬（Populus）和桉屬（Eucalyptus）的某些樹種。二叉狀分枝是外生菌根前端再分出兩個(gè)同等或近似的分叉，其菌套基部聯(lián)成一體，松樹及樺樹的菌根多數(shù)屬于二叉分枝。珊瑚狀外生菌根是在二叉分枝的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行二叉分枝從而形成的。羽狀分枝型外生菌根一般有一主軸，在主軸兩側(cè)近乎平行地排列著短的菌根，越靠近端部越短，形狀似羽毛，如桉樹與Hebeloma屬形成的外生菌根就常呈羽狀。塔狀外生菌根主軸明顯，在主軸四周長出多排近乎平行的小菌根，愈靠端部其小菌根愈短，形成寶塔狀，常見于殼斗科植物的菌根。疣狀菌根主軸極短，在這個(gè)短軸

43、上密集著生許多短而小的二叉狀分枝的小菌根，如紅松（Pinus koraiensis）菌根就常呈疣狀或根瘤狀。塊狀菌根或稱球形菌根是由許多細(xì)小菌根簇?fù)韰采桑渫庥幸粚用芗木z體包圍，狀似馬鈴薯塊莖，有時(shí)若干個(gè)菌根聚集成一團(tuán)，成小絨球狀，如乳牛肝屬（Suillus）真菌在松樹上就可形成這種菌根。此外，不規(guī)則形狀的菌根一般是在二叉分枝或羽狀分枝的基礎(chǔ)上，由于某些菌根的不均勻生長而形成的。對于樹木而言，同屬樹種之間，其外生菌根的形態(tài)及分枝情況沒有顯著差異。圖11-9 外生菌根的形態(tài)1. 單軸狀2. 羽狀3. 二叉分枝狀4. 塔狀5. 不規(guī)則狀6. 塊狀7.疣狀除了樹種因素影響外生菌根形態(tài)差異之外

44、，菌根真菌的種類也很重要。土生空團(tuán)菌（Cenococcum geophilum）、粘云杉根菌（Piceirhiza gelatinosa）形成的菌根常呈二叉狀、珊瑚狀或疣狀；瀝青色乳菇（Lactarius picinum）常形成塔形；而西澳粘滑菇（Hebeloma westraliens）、黃口蘑（Tricholoma vaccinum）常常形成羽狀。新鮮的菌根顏色各異，是外生菌根重要的特征性標(biāo)志和分類依據(jù)。外生菌根的顏色變化主要取決于菌絲體的顏色、菌套的厚薄程度以及樹木根部皮層顏色。如土生空團(tuán)菌形成的菌根始終是黑色；而Lactarius deterrimus的菌根從幼嫩到老熟，顏色由黃綠色逐

45、漸變?yōu)樯罹G色；彩色豆馬勃（Pisolithus tinctorius）形成的外生菌根是黃褐色；波狀臥孔菌（Poria terrestris）形成的菌根有藍(lán)色、橘黃色或玫瑰色；而毒紅菇（Russula emetica）形成的菌根則是粉紅色。幼嫩外生菌根顏色與老熟后的顏色，以及新鮮時(shí)的顏色與采集后的顏色有一定的差異。因此，以形態(tài)或顏色作為外生菌根鑒定特征而進(jìn)行描述時(shí)，應(yīng)注意其變化，形狀及顏色容易受環(huán)境變化而變化，僅能作為鑒定的參考。（二）外生菌根的結(jié)構(gòu)外生菌根由菌套、哈蒂氏網(wǎng)、外延菌絲、菌索以及菌核等幾部分組成。1、菌套（mantle） 1 2 3 4 5 6 7 8圖11-10 外生菌根菌套表面

46、特征1.光滑菌套 2.網(wǎng)狀菌套 3.顆粒狀菌套 4.絨毛狀菌套 5.棉絮狀菌套 6.纖毛狀菌套 7.短刺狀菌套 8.長刺狀菌套菌根真菌的菌絲在植物營養(yǎng)根的表面生長繁殖，并交織成套狀結(jié)構(gòu)包在根外，稱為菌套，這是外生菌根的主要特征之一。菌套的形成使?fàn)I養(yǎng)根變得短而粗，替代了根毛的地位和作用。由于真菌和宿主種類的不同，以及不同環(huán)境條件產(chǎn)生影響的差異，菌套厚度差別很大，一般為3040m，約占根干重的2540%。菌套在菌根組織中不僅是吸收器官，而且是貯藏養(yǎng)分的器官。菌套表面通常還形成形態(tài)各異的外延菌絲，使菌套表現(xiàn)出不同的類型，如光滑菌套，網(wǎng)狀菌套、顆粒狀菌套、絨毛狀菌套、棉絮狀菌套、纖毛狀菌套、短刺狀和長

47、刺狀菌套等（圖11-10）。2、哈蒂氏網(wǎng)（hartig net）形成哈蒂氏網(wǎng)是外生菌根的另一重要結(jié)構(gòu)特征。在菌套內(nèi)層有許多菌絲透過根的表皮，在外皮層細(xì)胞間蔓延，并將細(xì)胞逐個(gè)包圍起來，形成一種特殊結(jié)構(gòu)，稱為哈蒂氏網(wǎng)。哈蒂氏網(wǎng)內(nèi)的細(xì)胞仍有活性，含有線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)體，但細(xì)胞核不擴(kuò)大。哈蒂氏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)使真菌和宿主植物具有巨大的接觸面，有利于雙方進(jìn)行物質(zhì)交換。3、外延菌絲（extraradical hyphae）菌套表面的菌絲外延而形成的菌絲稱為外延菌絲，它也是外生菌根的一個(gè)重要特征，不同的菌根，其外延菌絲的形狀特征也各不相同，有毛狀、絮狀、蛛網(wǎng)狀、短刺狀、長刺狀或顆粒狀等。外延菌絲在土壤中

48、的不斷延伸，擴(kuò)大了植物的吸收面。在自然條件下，這些真菌菌絲體在土壤中相互融合，聯(lián)成一體，在根際之間形成一個(gè)龐大的菌絲網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)各種營養(yǎng)物質(zhì)的交換和重新分配。4、菌索（rhizomorphae）擔(dān)子菌綱一些真菌的菌絲體相互交織，纏繞在一起而呈繩索狀，稱為菌索。菌索一般與菌套顏色相同，大多是菌套表面菌絲體延伸而成，不同種類的菌根其菌索的大小、長短、粗細(xì)、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、色澤各不相同。菌索表面往往有一些外延菌絲，它們在菌索表面的著生方式也各不相同。有的菌索表面光滑，外延菌絲很少；有的外延菌絲呈纖毛狀著生在菌索周圍；有的外延菌絲又同附近菌索的外延菌絲相互聯(lián)合，形成菌索之間的聯(lián)結(jié)網(wǎng)。菌索與菌套聯(lián)結(jié)部位也不

49、同，有的菌索末端散開，形成松散的菌絲并與菌套呈一定夾角相連；有的菌索末端成扇形散開與菌套相連；有的菌索末端不散開，成束地與菌套多點(diǎn)相連。菌索對于外生菌根具有重要的生理學(xué)意義，尤其對那些外延菌絲較少的菌根，菌索可在土壤中延伸很遠(yuǎn)的距離，對水分及營養(yǎng)物質(zhì)吸收和運(yùn)輸起著重要作用。另外，菌索也是外生菌根分類的重要依據(jù)。5、菌核（sclerotium）個(gè)別外生菌根真菌還可以產(chǎn)生菌核，如土生空團(tuán)菌在菌根之間，或菌根周圍的土壤中產(chǎn)生菌核。菌核大小、色澤、形狀以及表層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等隨不同菌種而不同。一般有外皮層、內(nèi)皮層和中間的髓部組成。菌核可以在土壤中存活很長的時(shí)間，有的在土壤中埋16周后，仍具侵染力。因此，菌核

50、是一種抵御不良環(huán)境，維持菌種生命的結(jié)構(gòu)形式。（三）外生菌根的形成過程在自然條件下，植物外生菌根的形成是從幼苗階段開始的。植物生長時(shí)幼苗根部不斷延伸，當(dāng)菌絲附著在營養(yǎng)根表面時(shí)，菌絲在根表面蔓延的速度比營養(yǎng)根的速度快，所以營養(yǎng)根的前端很快被菌絲包裹，在根表面形成菌套；而菌套后部沒有被菌絲包圍的地方又長出新的幼嫩營養(yǎng)根，這些根不久又被菌絲包圍，逐漸形成各種形態(tài)的外生菌根。菌套內(nèi)層的菌絲穿過營養(yǎng)根表皮進(jìn)入皮層，在外皮層組織的細(xì)胞間隙迅速蔓延形成哈蒂氏網(wǎng)，這樣就形成了完整的外生菌根。對樹木幼苗進(jìn)行人工接種的試驗(yàn)表明，一般接種2周后就可形成菌根。在已形成菌根的母根上，新發(fā)生的營養(yǎng)根并不一定需要再受土壤中菌

51、絲的感染才能形成菌套，母根上原有菌套的菌絲可繼續(xù)感染新長出的營養(yǎng)根，形成新菌套。（四）影響外生菌根形成的因素1、有效的宿主植物在自然界中，無論廣譜型真菌還是專性共生真菌，都必須以某個(gè)樹種為對象，沒有適合的樹種植物也就無從談及菌根。如彩色豆馬勃是一個(gè)分布廣泛，宿主范圍廣泛的樹種，但是它依然要有宿主植物的存在，否則無法形成外生菌根。2、有效的菌根菌繁殖體外生菌根真菌主要依靠孢子及菌絲體進(jìn)行繁殖，也靠菌絲體進(jìn)行侵染，其傳播主要靠自然界的風(fēng)和雨水。因此，菌根真菌繁殖體的有無或多少，就成為菌根能否形成的一個(gè)重要因素。在森林和舊苗圃地的土壤中，外生菌根留存的種類及數(shù)量均較多，容易形成菌根；而在生荒地或消毒

52、土壤中，由于菌根菌的缺乏，形成外生菌根的可能性就小。3、適合的環(huán)境條件土壤溫度直接影響菌根真菌的生長，一般菌根菌在2028的中溫條件下生長；偏酸性的條件適合于大多數(shù)外生菌根真菌，一般最適pH為46，牛肝菌的最適pH為5，松茸的最適pH為4.55.5，也有一些菌種的pH適應(yīng)范圍較寬，如卷邊樁菇（Paxillus involutus）的最適pH為5.89.4。土壤水分及基質(zhì)是重要的環(huán)境因素，一般認(rèn)為，土壤含水量應(yīng)保持在3060%，用蛭石、泥炭、河沙按1：1：2的體積比配合作基質(zhì)培育幼苗，對菌根形成十分有利；在光照充足的情況下，宿主植物形成好，根部形成菌根也多；反之，光照較差的條件下，植物生長不良，

53、菌根形成也會受到抑制。4、其它因素土壤中的土著微生物也能影響菌根的形成，一種新的真菌被接種到植物上并移入土壤后，如果能在與土著微生物的競爭中占上風(fēng)，則菌根能夠形成，否則即使初期形成菌根，也難以維持。人類的經(jīng)營管理活動對菌根的形成影響巨大，過量施用肥料特別是磷肥，會抑制菌根菌的生長以及菌根的形成；農(nóng)藥特別是殺菌劑，不僅可以殺死病原菌，對菌根菌也會造成傷害。（五）外生菌根的作用圖11-11 叢枝菌根的泡囊和叢枝結(jié)構(gòu)式意圖1.泡囊 2.叢枝 3.胞間連絲 4.宿主細(xì)胞 5.胞內(nèi)菌絲 6.侵入點(diǎn) 7.宿主表皮細(xì)胞 8.宿主根毛外生菌根可以促進(jìn)宿主植物的生長和對營養(yǎng)的吸收。外生菌根形成菌套后，其直徑增加

54、，加上菌套上一些外延菌絲的作用，使菌根同土壤的接觸面增加，擴(kuò)大了根系的吸收面，能吸收更多的水分和養(yǎng)分供宿主植物利用。另外，菌根真菌還能產(chǎn)生生長刺激素，例如松樹、云杉、山毛櫸等樹種的菌根菌能產(chǎn)生吲哚類化合物，這些物質(zhì)能促進(jìn)植物生長。外生菌根周圍，菌根真菌占有生長優(yōu)勢，可以抑制土壤中腐霉和鐮孢菌等根腐病菌的繁殖；而菌套和哈蒂氏網(wǎng)的機(jī)械屏障作用，也可以對病原菌的入侵起到阻擋作用；另外，菌根真菌能夠分泌酚類化合物、醌類化合物和抗生素，具有顯著的抑菌活性。以上因素使外生菌根具有減輕植物根部病害的顯著效果。外生菌根對植物也有負(fù)面影響，有些菌根菌使土壤透水性降低，可能會造成植物幼苗枯死；在潮濕條件下形成菌根

55、的菌絲層，會抑制其他具有分解作用的微生物的繁殖，使本來可以順利進(jìn)行的有機(jī)物分解過程受阻。二、 叢枝菌根叢枝菌根是內(nèi)生菌根中最普遍和最重要的類型，也稱泡囊-叢枝菌根（VA菌根），但并非所有的叢枝菌根都形成泡囊。叢枝菌根資源豐富，從地球的北極到南極到處都有分布，它除了大量存在于農(nóng)業(yè)和森林土壤中外，還可發(fā)生在各種生態(tài)環(huán)境，如沙漠、珊瑚礁、重金屬污染土壤中。叢枝菌根的宿主范圍也十分廣泛，除少量植物如莎草科、莧科、燈心草科、藜科、石竹科等20余種植物不能或不易形成叢枝菌根外，大多數(shù)植物包括苔蘚、蕨類、裸子植物、被子植物都有叢枝菌根。（一）叢枝菌根的結(jié)構(gòu)叢枝菌根由叢枝、泡囊、根外菌絲、根內(nèi)菌絲、孢子、孢子

56、果和土生輔助細(xì)胞組成（圖11-11）。1、叢枝（arbuscular）叢枝形成于皮層細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的菌絲經(jīng)過連續(xù)的二叉分枝成為樹枝狀或花椰樹狀結(jié)構(gòu)，即為叢枝。叢枝是叢枝菌根最重要的結(jié)構(gòu)，是真菌和植物之間進(jìn)行物質(zhì)交換的場所，與提高植物抗病性也有一定的關(guān)系。2、泡囊（vesicles）真菌侵入宿主植物細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間，菌絲末端膨大而成球形、橢圓形結(jié)構(gòu)，即泡囊。并非所有的叢枝菌根都能產(chǎn)生泡囊。泡囊通常形成泡囊壁而與菌絲隔開，有時(shí)也與菌絲相通。泡囊外表光滑，內(nèi)有很多油狀內(nèi)含物。泡囊的形成晚于叢枝結(jié)構(gòu)，但它存在時(shí)間比叢枝長，具有繁殖和貯存養(yǎng)分的功能。當(dāng)失去菌根結(jié)構(gòu)后，泡囊可從根組織中釋放出來，在土壤中

57、它們可以萌發(fā)并感染植物。3、根內(nèi)菌絲（internal hyphae）根外菌絲穿透根的表皮進(jìn)入皮層細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)即成根內(nèi)菌絲。根內(nèi)菌絲可分為兩種類型：（1）胞內(nèi)菌絲：根系外皮層細(xì)胞內(nèi)常有直線狀單條或數(shù)條排在一起的菌絲定殖，這些菌絲無隔，也看不到分叉。在其最初侵入的細(xì)胞內(nèi)及周圍幾個(gè)細(xì)胞內(nèi)形成圈狀菌絲；（2）胞間菌絲：在皮層薄壁管胞中間層可看到由圈狀菌絲或由侵入菌絲分叉直接形成的胞間菌絲，其直徑為26m，當(dāng)胞間菌絲衰老呈空腔時(shí)形成橫隔，但在活躍菌絲中很少有橫隔。4、根外菌絲（external hyphae）根外菌絲是分布于土壤中的菌絲體，通常呈網(wǎng)狀，它們常常在根上和根內(nèi)菌絲相聯(lián)結(jié)。根外菌絲從形態(tài)上可分為兩種類型，一種是粗糙、壁厚、細(xì)胞質(zhì)稠密的厚壁菌絲；另一種是較細(xì)的薄壁菌絲，多從厚壁菌絲上長出，穿透力強(qiáng)，能吸收營養(yǎng)，當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)耗盡后，菌絲中的細(xì)胞質(zhì)