铝调控外生菌根真菌分泌有机酸的机理研究

酸性森林土壤广泛分布于热带和亚热带，活性铝含量较高，危害树木生长。乙酸、乙醛酸和草酸是外生菌根真菌分泌的主要有机酸，它们之间互相转化。铝胁迫显著改变它们分泌上述三种有机酸的速率，草酸分泌量成倍增加，有益于减轻和消除铝毒。选择抗铝型和铝敏感型外生菌根真菌，在不同浓度的铝胁迫下，研究铝在菌丝液泡、细胞质和细胞间隙的含量分布，以及与三种有机酸分泌的关系；利用三氟拉嗪、异搏定、辽红和钙离子螯合剂等细胞钙信号抑制剂，以及尼氟灭酸和苯甲酰甲醛阴离子通道抑制剂研究胞质钙信号转导、阴离子通道活性、膜电位变化与乙酸、乙醛酸和草酸分泌的关系；三种有机酸代谢的关键酶- - -草酸脱羧酶、乙醛酸脱氢酶和草酰乙酸水解酶的含量、活性、动力学特征、基因克隆与表达等，可揭示铝调控外生菌根真菌分泌有机酸的机理，为筛选抗铝能力较强的优良菌株，生产菌根化林木种苗提供科学依据，也有益于我国南方酸性土壤的植树造林和天然林保护。

酸性森林土壤占我国南方森林面积的90%以上，在酸性土壤中，活性铝含量较高，是造成森林衰亡的主要因素。外生菌根真菌（ECMF）与木本植物形成菌根，是森林生态系统中的重要成分。ECMF通过物理阻隔、化学络/螯合与沉淀、胞内区域分隔、基因表达等多种途径减少重金属吸收，降低生物活性，提高寄主抗/耐重金属的能力。但ECMF抗/耐铝的机理尚需深入研究。本项研究选择抗铝型和铝敏感型ECMF，在铝胁迫下，研究它们抗铝和调控有机酸分泌的机理，主要结果如下：1.抗铝性较强的菌株对铝的阻截具有不同途径。在铝胁迫下，Pt 715细胞壁吸附的铝降低，液泡具有明显的分隔作用；而Sl 08细胞壁吸附的铝增加，细胞质铝减少。2. ECMF能分泌草酸、乙酸、苹果酸和柠檬酸等多种有机酸，不同菌株分泌有机酸的种类和数量各异。在铝胁迫下，分泌量增加最多的是草酸，有益于抵御铝毒。但草酸分泌不是抗铝的唯一机制，其分泌量也非抗铝性强弱的唯一指标。3.在铝胁迫下，钙信号介导ECMF分泌草酸, 胞外Al3+是原初信号，作用于第二信使--Ca2+与钙调蛋白，通过激活与抑制细胞膜上的阴离子通道活性而调控草酸分泌。4.在酸性土壤中，Al3+和Mn2+并存。在其共同胁迫下，抗性强的菌株对氮磷钾养分的吸收量显著高于抗性差的菌株；供试菌株均能利用土壤矿物结构钾。故在铝和锰共存的酸性土壤中，ECMF能改善树木营养。5.在酸性土壤中，铝毒与缺钾并存。ECMF能分泌多种有机酸，有益于分解含钾矿物，改善树木的钾素营养。钙信号和阴离子通道调控外ECMF分泌乙酸，缺钾可能是刺激乙酸分泌的原初信号，通过信号转导和一系列级联反应影响乙酸分泌。6.在植物体内，苹果酸脱氢酶（MDH）、草酰乙酸裂解酶是草酸合成与分解的关键酶。但在ECMF体内，MDH活性显著高于草酰乙酸脱羧酶、乙醛酸脱氢酶和草酰乙酸裂解酶，故MDH是调控ECMF草酸代谢的关键。7. ECMF合成草酸的关键酶--MDH基因的核苷酸序列与植物DMH基因的同源性高达95%。在抗铝性较强的菌株体内，Al3+胁迫使MDH基因表达水平上调，同时也使分泌草酸速率提高；而在抗性较差的菌株体内，两者无明显变化。由此揭示了Al3+调控ECMF分泌草酸的分子机理。上述结果对筛选抗铝较强的优良菌株，生产菌根化林木种苗提供了科学依据，有益于我国酸性土壤的植树造林和天然林保护。