楊紅軍，李 勇，袁 玲，時(shí)安東

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 北碚 400715)

鉀與信號(hào)抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸的調(diào)控作用

楊紅軍，李 勇，袁 玲*，時(shí)安東

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 北碚 400715)

外生菌根真菌是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要成分，參與樹(shù)木養(yǎng)分的吸收利用。試驗(yàn)液體培養(yǎng)外生菌根真菌，設(shè)置不同供鉀水平，添加鈣信號(hào)抑制劑，研究了它們的有機(jī)酸和氫離子分泌，以及乙酸分泌對(duì)供鉀和信號(hào)抑制劑的響應(yīng)。結(jié)果表明，供試菌株的生長(zhǎng)，氮、磷、鉀含量和吸收量因菌株不同而異，生物量變化于52.91—121.72 mg/瓶之間，相差1倍以上。外生菌根真菌吸收養(yǎng)分的差異可能與它們對(duì)土壤養(yǎng)分環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)、進(jìn)化、選擇有關(guān)。在外生菌根真菌的培養(yǎng)液中，分別檢測(cè)出草酸、乙酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸和丁二酸等，以及大量的氫離子，說(shuō)明菌根真菌能分解土壤含鉀礦物，釋放鉀離子，改善寄主植物的鉀營(yíng)養(yǎng)。其中，乙酸分泌量較大，具有普遍性，低鉀刺激分泌乙酸，高鉀時(shí)分泌減少，其分泌速率與供鉀濃度和菌絲吸鉀量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=- 0.734，r=- 0.617，n=60)。鉀對(duì)菌根真菌分泌乙酸的調(diào)控作用具有改善森林鉀素營(yíng)養(yǎng)，防止土壤養(yǎng)分淋失的生理和生態(tài)意義。此外，在低鉀條件下，陰離子通道和鈣信號(hào)抑制劑抑制外生菌根真菌分泌乙酸。說(shuō)明鈣信號(hào)和陰離子通道參與了乙酸分泌，缺鉀可能是刺激乙酸分泌的原初信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)促進(jìn)乙酸分泌。

外生菌根真菌；鉀；信號(hào)抑制劑；乙酸分泌；土壤生態(tài)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要成分，具有調(diào)節(jié)氣候，涵養(yǎng)水源、凈化空氣等多種多樣的生態(tài)功能。鉀是森林需要量最多的營(yíng)養(yǎng)元素之一，缺鉀抑制樹(shù)木生長(zhǎng)發(fā)育，造成森林退化和衰亡[1]。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，鉀是最豐富的礦質(zhì)元素之一，但絕大部分為礦物結(jié)構(gòu)鉀，難于被樹(shù)木吸收利用(土壤有效鉀僅為全鉀的1%—3%)，難于滿足樹(shù)木營(yíng)養(yǎng)需要[2]。因此，活化土壤無(wú)效鉀對(duì)于森林鉀素營(yíng)養(yǎng)十分重要。外生菌根真菌是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。優(yōu)良的外生菌根真菌與樹(shù)木根系形成菌根之后，能活化土壤養(yǎng)分，改善樹(shù)木營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，提高抗病耐旱能力[3- 7]。在歐洲的森林土壤中，存在大量的低分子有機(jī)酸，包括乙酸、草酸、甲酸、丁二酸和蘋(píng)果酸等，其濃度在外延菌絲尖端的土壤中高達(dá)1000g/kg，能溶解土壤巖石和礦物，釋放鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素[8- 10]。其中，乙酸的電離系數(shù)高達(dá)1.8×10-4，能電離大量的氫離子，產(chǎn)生較強(qiáng)的溶解作用。因此，盡管土壤嚴(yán)重石礫化，但由于外生菌根真菌的存在，森林仍能正常生長(zhǎng)而不發(fā)生退化和衰亡[11]。此外，外生菌根真菌感染花旗松之后，吸收鉀離子的數(shù)量增加，其原因是菌根與鉀離子的親和力(1/Km)和最大吸收速率(Imax)提高，使之能適應(yīng)鉀含量極低的土壤環(huán)境[12]。研究表明，鈣、鉀與Ca2+/K+-ATP酶和陰離子通道活性直接相關(guān)[13- 16]。因此，外生菌根真菌分泌乙酸可能同樣受外源鉀、鈣信號(hào)傳導(dǎo)和陰離子通道的影響，但目前未見(jiàn)有關(guān)報(bào)道。

試驗(yàn)設(shè)置不同供鉀條件，研究了外生菌根真菌的生長(zhǎng)和乙酸分泌，以及乙酸分泌對(duì)信號(hào)抑制劑的響應(yīng)。旨在探討鉀素營(yíng)養(yǎng)豐缺條件下，外生菌根真菌分泌乙酸的調(diào)控機(jī)理，為改善森林鉀素營(yíng)養(yǎng)，保持森林健康奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試菌種

在預(yù)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選用我國(guó)不同生態(tài)條件下，具有代表性的外生菌根真菌為供試菌株，包括彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius,Pt715)，從四川省涼山州干熱河谷的桉樹(shù)林土壤(pH值6.95)中分離獲得；松乳菇(Lactariusdeliciosus，Ld2)和雙色牛肝菌(Boletusbicolor，Bo15)，來(lái)源于北亞熱帶重慶市金佛山的馬尾松林土壤(pH值4.23)；土生空?qǐng)F(tuán)菌(Cenococcumgeophilum，Cg04)廣泛分布于寒溫帶的油松森林土壤中，采自于內(nèi)蒙古大青山(pH值6.47)[17]，由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)白淑蘭教授捐贈(zèng)。菌種保存于西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)前，將保存菌株接種于Pachlewski固體平板培養(yǎng)基上，(251)℃暗培養(yǎng)14—21 d備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用1.146 g/LNaH2PO4代替Pachlewski培養(yǎng)液中的KH2PO4，分別加入0.026、 0.130、0.650 g/L K2SO4形成低鉀、正常供鉀和高鉀培養(yǎng)液(分別用K1、K2和K3表示，下同)，各取20 mL 置于150 mL三角瓶中，蒸汽滅菌(121 ℃，30 min)、冷卻，接種一塊直徑為6 mm的圓形固體菌塊，(25±1) ℃暗培養(yǎng)14 d?？紤]到不同菌株的生物量差異較大，在進(jìn)一步試驗(yàn)前先將生物量較小的合并，盡量保持各培養(yǎng)瓶中的菌株生物量基本一致。然后，每瓶加入0.1 mol/L CaCl2溶液1 mL預(yù)處理24 h，再分別加入20 mL含有信號(hào)抑制劑的K1、K2和K3培養(yǎng)液。其中抑制劑的種類(lèi)和濃度如下：鈣調(diào)蛋白抑制劑三氟拉嗪(TFP)，150 μmol/L；內(nèi)膜鈣通道抑制劑釕紅(RR)，8 μmol/L；鈣離子通道抑制劑異搏定(VP)，150 μmol/L和陰離子通道抑制劑尼弗滅酸(NIF)，15 μmol/L，以不加抑制劑者為對(duì)照。在(25±1) ℃條件下，暗培養(yǎng)48 h。試驗(yàn)為4個(gè)菌株 × 3種供鉀水平 × 4種抑制劑的3因素試驗(yàn)，各處理重復(fù)5次。

圖1 不同外生菌根真菌的生物量Fig.1 Fungal biomass

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

過(guò)濾收集菌絲，去離子水洗凈，烘干測(cè)定生物量，用硫酸-過(guò)氧化氫消化，并依次用靛酚藍(lán)比色法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度法測(cè)定其氮、磷、鉀含量[18]。收集濾液，用PHS- 3C精密酸度計(jì)測(cè)定培養(yǎng)液氫離子濃度，再經(jīng)酸化后用高效液相色譜儀(日本HITACHI公司生產(chǎn))測(cè)定有機(jī)酸含量。其色譜條件為：Diode Array L- 7455紫外檢測(cè)器，檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm；Ion- 300有機(jī)酸分析專(zhuān)用柱(Phenomenex, Torrance, CA, USA)，柱溫35 ℃，壓力450 psi；2.5 mmol/L硫酸為流動(dòng)相，流速0.5 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。測(cè)定的有機(jī)酸包括草酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、丁二酸、乙酸等，其保留時(shí)間(min)依次是9.57、11.52、13.31、15.95、20.72。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel整理，SPSS(SPSS Statistics 17.0)進(jìn)行LSD法多重比較(P<0.05)和Pearson法相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外生菌根真菌的生長(zhǎng)

2.2 外生菌根真菌的養(yǎng)分含量與吸收量

圖2可見(jiàn)，供試菌株不同，含氮量及氮吸收量也不一樣。培養(yǎng)14 d之后，Bo15、Pt715和Cg04的菌絲氮含量無(wú)顯著差異，但顯著高于Ld2，相差1倍以上。Cg04的氮吸收量最高，達(dá)到2127.54g/瓶，Bo15、Pt715和Ld2間無(wú)顯著差異，變化于1108.43—1449.52g/瓶之間。

培養(yǎng)14 d之后，Bo15的菌絲磷含量最高，達(dá)到13.38 mg/g-1干重，顯著高于Pt715、Cg04和Ld2，相差1.74—2.21倍。Bo15的磷吸收量最高，達(dá)到760.72g/瓶，Cg04最低，僅400.31g/瓶，Pt715 和Ld2居于Bo15和Cg04之間(圖2)。

圖2EF是供試菌株的含鉀量及鉀吸收量。培養(yǎng)14 d之后，Bo15和Cg04的菌絲鉀含量相似，但顯著高于Ld2和Pt715。鉀吸收量Cg04最高，達(dá)到419.71g/瓶，Pt715最低，僅185.09g/瓶，高低之間相差2.27倍，Ld2和Bo15介于二者之間。

2.3 外生菌根真菌的有機(jī)酸分泌

在外生菌根真菌的培養(yǎng)液中，有機(jī)酸的種類(lèi)和濃度因菌株不同而異(表1)。在各菌株的培養(yǎng)液中均檢測(cè)出草酸和乙酸；Ld2的培養(yǎng)液中檢測(cè)到蘋(píng)果酸；Pt715和Ld2的培養(yǎng)液中存在檸檬酸；Ld2和Bo15的培養(yǎng)液中有丁二酸。從有機(jī)酸的總濃度看，Pt715最高，Cg04最低，相差近3倍。需要指出的是，盡管供試菌株不同，但菌絲培養(yǎng)液中的乙酸濃度相似，變化于32.04—36.06 mg/L之間。相對(duì)于其他有機(jī)酸，乙酸的濃度值最高，占有機(jī)酸總濃度的26.66%—76.39%，說(shuō)明乙酸是外生菌根真菌分泌的主要有機(jī)酸之一。

2.4 外生菌根真菌的氫離子分泌

培養(yǎng)液中的氫離子濃度變化于0.04—0.53 mg/L之間。其中，Pt715最高，Ld2和Bo15次之，Cg04最低，高低相差9.17倍(表2)。計(jì)算表明，培養(yǎng)液中的有機(jī)酸電離產(chǎn)生氫離子濃度為1.20×10-3—4.56×10-2mg/L，僅占總氫離子濃度1.37%—8.59%，故外生菌根真菌能直接分泌大量的氫離子。

圖2 外生菌根真菌的養(yǎng)分含量與吸收量Fig.2 Fungal nutrient concentration and absorption

菌株Strain草酸/(mg/L)Oxalate蘋(píng)果酸/(mg/L)Malate檸檬酸/(mg/L)Citricate丁二酸/(mg/L)Succinate乙酸/(mg/L)Acetate5種有機(jī)酸濃度∑XBo1523．78abNDND30．11a32．04a85．93bLd216．41bc24．16a21．17b20．41b36．06a118．21abPt71530．77aND58．64aND32．50a121．91aCg0411．13cNDNDND36．01a47．14c

ND表示未檢出

2.5 鉀和鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸的影響

表3可見(jiàn)，4株外生菌根真菌中，Bo15和Ld2分泌乙酸的平均速率最高，變化于0.90 mg g-1干重 d-1—1.05 mg g-1干重 d-1之間，Pt715次之，為0.75 mg g-1干重 d-1，Cg04最低，僅0.54 mg g-1干重 d-1。

供鉀水平顯著影響外生菌根真菌分泌乙酸。外生菌根真菌分泌乙酸的速率低鉀時(shí)最高，正常供鉀次之，高鉀最低，平均值分別為1.31 mg g-1干重 d-1(低鉀)、0.74 mg g-1干重 d-1(正常供鉀)和0.37 mg g-1干重 d-1(高鉀)。

表2 培養(yǎng)液氫離子濃度

在同一行中，有不同字母的數(shù)據(jù)表示差異顯著(p=0.05)

表3 鉀和信號(hào)抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸速率的影響

表中同列不同字母代表差異顯著(P≤0.05); *表示0.01水平差異顯著，NS表示差異不著性

鈣信號(hào)抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸速率的影響因菌株和供鉀條件不同而異。在低鉀條件下，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑不同程度地抑制菌根真菌分泌乙酸(僅RR對(duì)Pt715和VP對(duì)Cg04例外)。在正常供鉀條件下，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑不同程度地抑制Bo15、Ld2和Pt715分泌乙酸，但對(duì)Cg04分泌乙酸無(wú)顯著影響。在高鉀條件下，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑對(duì)Bo15分泌乙酸表現(xiàn)出抑制作用，但對(duì)Ld2、Pt715和Cg04分泌乙酸無(wú)顯著影響(僅RR對(duì)Cg04例外)。

2.6 外生菌根真菌乙酸和氫離子分泌速率與鉀的相關(guān)性

表4可見(jiàn)，外生菌根真菌的乙酸分泌速率與培養(yǎng)液中鉀濃度和外生菌根真菌的鉀吸收量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與氫離子分泌速率極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.734*、r=-0.617*、r=0.404*(n=60)。氫離子分泌速率與培養(yǎng)液中鉀濃度以及鉀吸收量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.453*、r=- 0.643*(n=60)。供鉀濃度與外生菌根真菌鉀的吸收量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為r=0.471*(n=60)。

表4 外生菌根真菌乙酸和氫離子分泌速率與鉀的相關(guān)性

*表示極顯著(P≤0.01)

3 討論

3.1 外生菌根真菌的養(yǎng)分含量與吸收量

外生菌根是外生菌根真菌與樹(shù)木根系形成的共生體。從結(jié)構(gòu)上看，外生菌根的菌套包蔽根系，外延菌絲廣泛分布于土壤，是菌根吸收養(yǎng)分的重要器官，菌絲吸收的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到樹(shù)木根系內(nèi)部，再運(yùn)輸至地上部營(yíng)養(yǎng)植物，發(fā)揮它們的生理功能。因此，菌絲養(yǎng)分含量的高低以及外生菌根真菌吸收養(yǎng)分的能力與寄主植物的營(yíng)養(yǎng)吸收密切相關(guān)[19]。供試菌絲氮、磷、鉀含量因菌種(株)不同而異。在南方菌株中，Bo15的養(yǎng)分含量顯著高于Ld2，其中鉀含量前者是后者的3倍以上，這表明Bo15吸收養(yǎng)分的能力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于Ld2。相對(duì)于南方菌株，北方菌株Cg04的氮、鉀含量和吸收量相對(duì)較高，磷含量和吸收量相對(duì)較低，這可能與其長(zhǎng)期所處的土壤環(huán)境有關(guān)。在內(nèi)蒙大青山森林土壤中，氮、鉀元素的含量顯著高于南方菌株所在的土壤環(huán)境。說(shuō)明外生菌根真菌吸收養(yǎng)分的能力可能與它們對(duì)土壤養(yǎng)分環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)、進(jìn)化、選擇有關(guān)，這與袁玲等研究結(jié)果一致[20]。

3.2 外生菌根真菌的有機(jī)酸分泌

從供試外生菌根真菌的培養(yǎng)液中，分別檢測(cè)到草酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、丁二酸和乙酸等有機(jī)酸，類(lèi)似現(xiàn)象也發(fā)生在歐洲高度酸化和礫石化的森林中[21]。這些有機(jī)酸均與鈣、鎂、鐵、鋁有較強(qiáng)的絡(luò)合能力[22- 23]。因此，它們能不同程度地絡(luò)合巖石和土壤礦物晶格中的這些金屬離子，使之風(fēng)化分解，釋放鉀離子[24]。但是，外生菌根真菌分泌有機(jī)酸的能力因菌株不同而異。供試菌株Cg04來(lái)自于我國(guó)北方大青山，土壤含鉀豐富，有機(jī)酸分泌總量最低；其余3株Bo15、Pt715和Ld2均來(lái)自我國(guó)南方的酸性或強(qiáng)酸性缺鉀土壤，有機(jī)酸分泌總量是前者的2倍以上。從生物進(jìn)化與環(huán)境相適宜的角度看，在長(zhǎng)期缺鉀的土壤環(huán)境中，外生菌根真菌為了獲得鉀營(yíng)養(yǎng)，自然選擇或進(jìn)化出了較強(qiáng)的有機(jī)酸分泌能力。值得注意的是，在供試菌株的培養(yǎng)液中均檢測(cè)到較高濃度的乙酸。眾所周知，乙酸的分子量小，電離系數(shù)大，酸性強(qiáng)，故溶解土壤礦物質(zhì)和巖石的作用強(qiáng)[25]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤含鉀礦物的分解風(fēng)化是樹(shù)木鉀素營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。外生菌根真菌均能分泌乙酸的現(xiàn)象表明，樹(shù)木鉀營(yíng)養(yǎng)對(duì)菌根真菌具有普遍的依賴性。此外，外生菌根真菌還能直接分泌大量的氫離子，類(lèi)似植物根系[26]。氫離子的直徑為0.38 ?，遠(yuǎn)小于鉀離子(1.38 ?)。同位素示蹤試驗(yàn)表明，氫離子能進(jìn)入2 ∶1型膨脹性或非膨脹性含鉀礦物的晶層和晶格，取代其中的鉀離子[27]。因此，外生菌根真菌分泌的氫離子不僅能直接溶解含鉀礦物，而且還能釋放層間和晶隙鉀，提高土壤溶液中的鉀離子濃度[10]。

3.3 鉀對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸和氫離子的調(diào)控作用

培養(yǎng)液中的鉀離子濃度和外生菌根真菌的吸鉀量分別與它們分泌乙酸和氫離子的速率呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明外源鉀濃度越低，外生菌根真菌分泌乙酸和氫離子的速率愈快，反之亦然。如果類(lèi)似現(xiàn)象發(fā)生在森林生態(tài)系統(tǒng)中，即外生菌根真菌和菌根植物感受到土壤供鉀不足時(shí)，它們分泌乙酸和氫離子的速率增加，促進(jìn)含鉀礦物分解風(fēng)化，釋放鉀離子，供給樹(shù)木營(yíng)養(yǎng)；相反，若土壤溶液中的鉀離子豐富，外生菌根真菌和菌根植物分泌乙酸和氫離子的速率降低，含鉀礦物風(fēng)化緩慢，可避免土壤鉀的淋溶損失。因此，在森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中，鉀對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸和氫離子的調(diào)控作用具有改善森林鉀素營(yíng)養(yǎng)，防止土壤養(yǎng)分淋失的生理和生態(tài)意義。

3.4 信號(hào)介導(dǎo)對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸的影響

供試外生菌根真菌因供鉀條件不同，分泌乙酸對(duì)鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑的響應(yīng)也不一樣。低鉀供應(yīng)時(shí)，刺激外生菌根真菌分泌乙酸，故缺鉀可能作為一種原初信號(hào)，以不同方式激活了乙酸合成酶相關(guān)基因表達(dá)或相關(guān)合成酶的活性，進(jìn)而使乙酸合成與分泌增加，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑對(duì)供試菌株分泌乙酸均表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。在預(yù)備試驗(yàn)中，這些鈣信號(hào)抑制劑在短期時(shí)間內(nèi)對(duì)乙酸分泌無(wú)抑制現(xiàn)象，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，抑制作用才逐漸顯現(xiàn)。因此，推測(cè)在外生菌根真菌缺鉀時(shí)，原初信號(hào)可能作用于細(xì)胞內(nèi)的第二信使——鈣調(diào)素(CaM)，改變細(xì)胞內(nèi)外的鈣離子分布，通過(guò)信號(hào)傳遞啟動(dòng)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)乙酸合成酶基因的表達(dá)或提高乙酸合成酶活性，刺激陰離子通道分泌乙酸。相反，在高鉀供應(yīng)時(shí)，Bo15分泌乙酸的速率顯著高于Ld2、Pt715和Cg04，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑仍然對(duì)Bo15分泌乙酸表現(xiàn)出抑制作用；但信號(hào)/陰離子通道抑制劑對(duì)乙酸分泌速率較低的Ld2、Pt715和Cg04無(wú)顯著影響。說(shuō)明在供鉀改善的條件下，不存在缺鉀信號(hào)，外生菌根真菌的乙酸合成酶基因或相關(guān)合成酶可能處于低活性狀態(tài)，分泌乙酸的合成分泌速率較低，鈣信號(hào)/陰離子通道抑制劑的抑制作用也減弱。

4 結(jié)論

(1)外生菌根真菌可分泌草酸、乙酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸和丁二酸等有機(jī)酸，以及大量氫離子，有益于分解土壤含鉀礦物，釋放鉀離子，改善寄主植物的鉀營(yíng)養(yǎng)。

(2)外生菌根真菌分泌乙酸具有普遍性，供鉀濃度與乙酸分泌速率呈負(fù)相關(guān)。在森林土壤中，鉀對(duì)菌根真菌分泌乙酸的這種調(diào)控作用具有改善森林鉀素營(yíng)養(yǎng)，防止土壤養(yǎng)分淋失的生理和生態(tài)意義。

(3)在低鉀條件下，陰離子通道和鈣信號(hào)抑制劑抑制外生菌根真菌分泌乙酸。

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Regulation of potassium supply and signal inhibitors on acetate effluxes by ectomycorrhizal fungi

YANG Hongjun, LI Yong, YUAN Ling*，SHI Andong

CollegeofResources&Environment,SouthwestUniversity,Beibei400715,China

Potassium (K), an element required slightly lower than nitrogen (N), is one of the essential major nutrients for trees in forests. K deficiency inhibits tree growth and limits forest productivities. Ectomycorrhizal fungi are one of important microorganisms in forests. Many forest trees have evolved mutualistic symbioses with the fungi that contribute to their nutrition and growth. In the fungus-tree associations, the fungi obtain carbohydrates from host trees and, in turn, provide the plants with mineral nutrients such as phosphorus (P), calcium (Ca), magnesium (Mg) and K. In our present experiment, ectomycorrhizal fungi isolated from pine and eucalyptus forests were grown in liquid culture media with various K supplies (26, 130, and 650 mg/L K2SO4) and with Ca2+signal and anion channel inhibitors such as Trifluoperazine, TFP; Verapamil, VP; Ruthenium red, RR and Niflumic acid, NIF. The efflux of acetate and protons by the fungal isolates in the response to the K supplies and inhibitors were studied in vitro in order to understand the mechanisms of ectomycorrhizal fungi to improve the nutrition of host plants. The results indicated that the fungal species varied greatly in both growth and nutrient absorption (N, P and K). The hyphae biomass at harvest, for example, showed at least twice difference, ranging from 52.91 mg/flask to 121.72 mg/flask. The reasons for the variations in growth and nutrition could be explained by the biological adaption to soil nutrient environments where they lived for a long time through evolution and selection. Oxalate, acetate, malate, citrate, succinate and large amount of protons were detected in the culture solutions. Taking into the account of dissolution and decomposition of minerals and rocks caused by protons and organic acids, ectomycorrhizal fungi could thus make K in mineral structures available for the host plants. In addition, all study fungi released acetate into liquid culture media and the low K supply stimulated significantly the acetate efflux. The efflux rate correlated negatively with K concentration in culture solutions (r=- 0.734,n=60) and fungal K absorption (r=- 0.617,n=60). In forest soils, therefore, the influence of K on acetate efflux by the external hyphae of ectomycorrhizas could be physiologically and ecologically important for the improvement of tree K nutrition at low K supply but prevention against K leaching in fertile soils. The inhibitors of Ca signals and anion channels decreased the acetate efflux by ectomycorrhizal fungal isolates in culture solutions with low K supply. It seems reasonable to suggest both Ca signals and anion channels involved the process of the fungal acetate exudation in this case. The primary signal of K deficiencies could act as the intracellular second messenger to react on calmodulin (CaM), by which changed the Ca2+distribution inside and outside of the hyphae cells, and then stimulated the cascade reactions responsible for acetate efflux, including gene expression, acetate synthesis and anion channel activation. Concerning the difference between the ectomycorrhizas in the field and the fungal isolatesinvitro, further investigation is necessary to carry out on the mechanisms of the detail processes with ectomycorrhizal trees.

ectomycorrhizal fungi; potassium; signal inhibitor; acetate secretion; soil ecology

國(guó)家自然科學(xué)基金(40771112， 41171215)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(XDJK2014C105， XDJK2012C035)；西南大學(xué)博士基金項(xiàng)目(SWU112083)；西南大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(Ky2009022)

2013- 07- 09;

2013- 11- 25

10.5846/stxb201307091871

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lingyuanh@aliyun.com

楊紅軍，李勇，袁玲，時(shí)安東.鉀與信號(hào)抑制劑對(duì)外生菌根真菌分泌乙酸的調(diào)控作用.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(5):1126- 1133.

Yang H J, Li Y, Yuan L，Shi A D.Regulation of potassium supply and signal inhibitors on acetate effluxes by ectomycorrhizal fungi.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1126- 1133.