植物生理研究技术--兰科植物菌根及其共生真菌的初步研究-wk

兰科植物菌根及其共生真菌的研究概况

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2011

兰科(Orchidaceae)植物种类繁多，分布广泛，是被子植物中的大科之一，是除菊科植物外的、最兴盛复杂的一类植物，全世界约有6个亚科725属近25000—30000个原生种和大量的变种、品种，广泛分布于除两极和极端干旱沙漠地区以外的各种陆地生态系统中。包括了许多的著名药用植物和珍贵花卉，因而长期以来受到人们的普遍关注，科学家、园艺工作者也从各个角度对兰科植物进行了大量的研究。

兰科植物的生活习性分为地生、附生和腐生。地生兰和附生兰为绿叶兰，腐生兰是非绿叶兰且在其生活史中仅开花期为地上生的，有些产于澳大利亚干旱地区的腐生兰花甚至在地下完成其整个生活周期。兰科植物具有三大特点：第一、其花形状奇特，色彩艳丽，芳香宜人，授粉机制独特而复杂；第二、种子细小，仅具未分化的原胚；第三、在其生活史中，与真菌共生形成菌根。

有关兰科菌根的研究，尤其是对植物种子萌发、早期生长及真菌在这一过程中的作用的广泛研究，使种子在人工控制条件下的共生与非共生萌发成为可能，为自种子培育兰科植物新品种提供了手段和依据，为研究兰科植物和真菌间的相互作用机制提供了较为理想的材料和方法。但是，对兰科植物菌根真菌的种类及成年兰根中植物与真菌的关系研究相对较少，本世纪80年代后对兰科菌根真菌的分类研究有了一些较为出色的工作。

本世纪初，法国的Bernard和Burgeff真正揭开了兰科菌根之谜，认识到许多兰科植物没有菌根就不能正常的生长发育，甚至许多兰花的种子没有菌根真菌的感染就不能发芽。随后，国外开展了许多有关兰科菌根真菌在种子萌发方面的研究，主要集中在真能否促进种子萌发方面。七十至九十年代，对某些兰花的种子与菌根真菌共生萌发形成原球茎过程中的相互作用机制从结构方面作了较详细的论述，为自种子培育兰科植物新品种提供了手段和大量依据，但在菌根真菌的应用上，则以我国在天麻生产上的应用最为成功。另外，兰科植物菌根真菌的分类研究长期以来一直是一个令人困扰的问题，一方面，兰科菌根真菌除少数能形成产孢结构或有性子实体外，多数处于不育的菌丝阶段，缺乏稳定的形态学和培养特征，另一方面，有关兰科菌根真菌分类的资料也较少。对菌根真菌种类的了解、种的确定是研究兰科植物菌根的一个基本环节。80年代后，国外在这方面有了一些较为出色的工作，但在我国，仅自天麻、细叶石斛和见血清中分离到几种菌根真菌。在兰花生活史中，成年兰是它们的主要生活阶段，也是兰科植物入药或作为观赏兰花的主要器官。因此，揭示成年兰根与菌根真菌之间的内在关

系将为自然条件下兰科植物的栽培提供重要的理论依据，也是真正保护野生兰花资源的关键所在。目前仅有少量有关成年兰菌根显微结构的报道，缺乏更深入的研究。

1兰科植物菌根的特点

兰科植物，无论绿叶兰还是非绿叶兰，在其生活史中必须部分或完全依靠菌根真菌为其提供营养才能生存。兰科植物种子细小，其原胚不具备能使种子发芽并发育形成原球茎和幼苗所需的养分，因此，萌芽的种子必须从它处获得营养，特别是碳水化合物，才能生长发育。腐生兰没有叶绿素，是异养植物，完全依赖真菌为其提供养分完成其生活史。所以兰科植物在种子萌发阶段或在不能进行光合作用自养的时期，必须与菌根真菌共生，获得碳水化合物和其它营养物质。

一系列有关兰科植物菌根的研究表明，兰科植物自其共生真菌获得营养，而真菌作为异养性微生物，其碳源取自其它活的有机体或死的残留有机物上，而非其“寄主”兰科植物。所以兰科植物的菌根真菌往往又与附近的其它树木、树桩或土壤内的残留有机物相连。目前已经发现有的真菌在与兰科植物形成内生菌根的同时，与其它植物形成外生菌根，三者间似乎存在某种三重共生平衡关系。

尽管在自然界几乎所有的兰科植物都有菌根，但菌根只形成在兰科植物的营养根上（当年形成的新根），而在贮藏根（根茎）上却没有菌根真菌侵染，气生根上也很少有菌根真菌存在。Gaumann(1956—1961)，Burges(1939)Nuesch(1963)和Arditti(1975)等的一系列研究证明兰科植物活的贮藏根可产生一种杀真菌物质—兰酚(orchinol)(Harley & Smith1983)，从而抵抗真菌对它们的侵染。

兰科植物菌根常呈污白色、浅黄色或浅黄褐色，表面有松散的外生菌丝与其它树木或残余有机物相连。菌丝具隔膜，在营养根或原球茎的皮层组织细胞内形成结状或螺旋状的菌丝圈—菌丝结(Peloton)。不形成菌套和哈蒂氏网，是一种内生菌根。

2形成兰科植物菌根的真菌

早在1840年，Link首先证实在兰科植物根内具有内生真菌。1846年，Reissek 指出在雀巢兰Neottia nidus—avis Rich等四种兰花的根中发现分布有真菌(Arditti，1967)，并被随之而来的大量工作证实，其中以Wahrlich(1886)的工作最为突出，他对来自世界各地的500种兰花的根进行了研究。法国的Noel Bernard(1899)在林中发现了大量Neottia L.的幼苗，并注意到它们均被真菌侵染，从而推断真菌的侵染是种子萌发所必须的，并建立了种子与真菌的共生萌发实验证实了这一假设。至此，真正揭开了兰科菌根之谜，有关菌根真菌的种类和真菌对种子、幼苗和成熟植物作用的研究得到广泛开展(Burgeff，1932，1959；Downie，1940，1943a，b，1959a，b；Curtis，1936，1939，1943；Knudson，1922；Arditti，1967)，发现大量的兰根分离物均隶属于半知菌形式属丝核菌属(Rhiozoctonia)(Burgeff，1936)，包括R.repens，R.goodyerae-repentis和

R.solani(Arditti，1967)。Catoni(1929)从Cypripedium sp.分离到的一个丝核菌菌株产生了有性世代，被鉴定为Corticium catonii.另外还发现Xerotus javanicus可与

Gastrodia spp。形成菌根，Marasmius coniatus与Didmoplexis、Armillaria mellea 与Galeola septentrionalis及Gastrodia elata也可形成菌根(Harley，1959)。Warcup 和Talbot(Warcup&Talbot，1962一1980；Warcup，1982，1985，1988，1991)从澳大利亚兰根中分离到大量属于丝核菌属的菌株，经培养形成了有性世代，鉴定后发现分别属于Thanatephorus (Corticium)，Ceratobasidium，Ypsilonidium，Sebacina和Tulasnella。Warcup(1975)和Jonsson & Nvlund(1979)发现有些绿叶兰的种子可与Oliveonia pauxilla和Favolaschia dybowskyana共生而萌发，而这两种菌都没有丝核菌阶段。大量具锁状连合的担子菌也自非绿叶兰中获得，因而一度认为兰根中的内生真菌可能都是担子菌，现已证实并非如此。在这些分离物中有些形成了子实体，分别为Mara smius coniatus，Xerotus javanicus，Hymenochate sp. Armillaria mellea和Fomes sp.(Kusano,1911；Burgeff,1932,1936；Hamada,1940；Hamada& Nakamura,1963)。Warcup(1981)用65种木材腐朽真菌对一种无叶绿素的蔓生兰科植物Galeola foliata的种进行接种试验，结果有7种白腐菌(如：彩绒革盖菌Coriolus versicolor)和2种层孔菌(Fomes sp.)能同种子共生，促进种子发芽(Harley & Smith,1983)，至此，有关兰科内生真菌的分离和分类的研究除少数无丝核菌阶段的担子菌外，多数都是有关丝核菌菌株或至少部分特征是属于丝核菌的菌株在不同兰花或同种兰花根中的再次发现(Alexander &

Hadley,1983;Harvais,1973;Harvais & Hadley,1967;Hadley &

Williamson,1972;Nishikawa & Ui,1976)。对常规分离兰科内生真菌时所获得的隶属于丝抱纲(Hyphomycetes)的不育菌丝群(Mycelium radicis

atrovirens(MRA))(Melin，1922)的多种真菌未给予注意。1985年后，加拿大学者R.S.Currah及其研究小组对北温带的陆生兰花的内生真菌作了一系列的研究，发表了15个种，其中5个新种，l个新组合，分别隶属于Rhizoctonia，Phialocephala，Leptodontidium，Trichocladium，Trichosporiella，Epulorhiza，Ceratorhiza，Sebacina，Sistotrema，Moniliopsis，Thanatephorus和Ceratobasidium(Currah et al,1987a，b，1988，1990)，首次对生于兰根中的MRA类真菌作T研究(如Phialocephala，Leptodontidium等)，并对每个种的培养和形态特征作了详细描述，为今后的研究工作提供了较准确而详实的资料。Moore(1987)将菌丝隔膜的特征与真菌分类相联系，根据隔膜的形态结构和菌丝细胞内细胞核的数目，对原包括在丝核菌属中的那些形态学上明显有区别的真菌进行研究并建立了3个新属：Ceratorhiza，Epulorhiza和Moniliopsis，各新属相应的有性世代分别为Ceratobasidium；Tulasnella和Sebacina；Thanatephorus。而丝核菌属则保留下来用来包括该属的模式种R.crocorum(Pers.)DC:Fr。这一分类体系使我们对丝核菌类真菌的认识更全面，进行分类鉴定时更准确、方便。Currah et al(1992a，b)也研究了菌丝隔膜与兰科内生真菌分类的关系，证实以菌丝隔膜结构与细胞内核的数目为分类特征划分的类群与利用培养特征和菌丝显微结构为分类依据划分的类群是一致的，承认了Moore(1987)的3个新属，列出了兰科菌根内生真菌的最基本的检索表，记载了迄今已发现的兰科内生真菌15个属，29种和2个腐生类群，并附有主要的