综述：丛枝菌根真菌菌丝体动力学

《New Phytologist》：Mycelial dynamics in arbuscular mycorrhizal fungi

这篇综述系统梳理了丛枝菌根真菌（AMF）菌丝体动力学研究的最新进展，强调将菌丝体视为一个统一、响应迅速且功能核心的生物学单元。作者整合了菌丝形态发生、生长策略、恢复力、细胞协调机制及菌丝间相互作用等方面的历史性发现与近期突破，提出了塑造菌丝功能的新机制，并指出了未来研究的关键方向与方法学机遇。

　　

I. 丛枝菌根真菌菌丝体

丛枝菌根真菌（AMF）是普遍存在的土壤微生物，与地球上约70%的陆地植物根系形成古老而广泛的共生关系。在这种互惠共生中，植物交换光合作用固定的碳，以获取AMF从土壤中觅得的必需营养元素，如磷和氮。AMF主要以菌丝形式存在，菌丝是构成所有丝状真菌基本生长单位的线状管状结构。菌丝网络统称为菌丝体——一个动态且适应性的结构，负责土壤探索、营养觅食、宿主定殖和环境相互作用。AMF菌丝体通过将土壤颗粒结合成稳定团聚体、增强孔隙度、水分入渗和通气性，在塑造土壤结构和生态系统动力学方面发挥着关键作用。这些结构变化创造了支持多样化微生物群落的微生境，并增强了生态系统恢复力。在更广泛的尺度上，AMF菌丝体可以同时连接到多个植物，形成潜在无限大的地下共同菌根网络（CMNs），对植物和真菌性状产生从正面到负面的情境依赖性影响。

AMF菌丝体在功能上和空间上分叉：根内菌丝（IRM）在根表皮、皮下和皮层细胞内发育，形成特征性的高度分枝的菌丝结构，即丛枝，促进与宿主植物的营养交换。同时，根外菌丝（ERM）在土壤基质中增殖，将真菌的触角延伸到根区以外很远的地方，以搜寻养分和水分。ERM和IRM由一个相互连接的细胞组成，被称为共质体，其中细胞内容物可能在细胞的整个范围内共享，直到隔膜形成，将功能菌丝段与衰老的空菌丝段分开。AMF菌丝体可以在所有土壤类型中找到，定殖陆生和水生植物的根，甚至到达土壤表面定殖落叶层。据估计，全球每年有多达3.93吉吨的CO₂被分配给土壤中的ERM，在全球碳循环和气候调节中可能发挥关键作用。研究这些广泛网络如何组装、维持和重塑自身，是理解这些真菌网络在变化世界中的功能和稳定性的关键。

历史上，AMF菌丝体一直被作为不连接的部分进行研究，重点放在根内的丛枝营养交换界面，而菌丝体生物学的许多方面在不同研究和分类群中被碎片化。本文旨在通过探索五个相互关联的主题来整合当前关于AMF菌丝体动力学的知识：（1）AMF菌丝体的发育和结构复杂性；（2）根内和根外组分之间的动态分配策略；（3）对抗干扰和胁迫的恢复机制；（4）共存菌丝网络之间的物理和生态相互作用；（5）其共质体结构内部细胞内容物的协调。通过这样做，旨在将菌丝体不仅定位为一个发育和生态单元，而且作为AMF研究中未来探索的前沿。

II. 形态与形态发生

尽管通常被描述为简单的管状丝状体，AMF菌丝体显示出显著的功能复杂性，其特征在于独特的细胞组织和在根外及根内域的特化结构形成。核心结构特征包括芽管、附着枝、匍匐菌丝、分枝吸收结构（BAS）和丛枝，这些在所有描述的AMF谱系中广泛保守。相比之下，其他结构如孢子、孢子囊、球状柄、泡囊、辅助细胞和孢子果显示出更大的系统发育或生态变异性，仅出现在某些谱系或特定环境条件下。后一类结构，尽管在发育过程中与大的共质体菌丝网络互连并共享原生质连续性，但在严格的真菌学意义上不被视为菌丝体的一部分。相反，它们与AMF菌丝体一起构成一个集成的AMF网络。

1. 芽管

芽管是从孢子萌发出的初始菌丝结构，先于菌丝体存在，并在共生前发育过程中转变为分化的菌丝生长，尽管缺乏明确的区分这些阶段的定义。在隔膜真菌中，从芽管到菌丝的转变通常定义为通过有丝分裂生长伸长，随后形成隔膜，将原始芽管与发育中的体细胞菌丝分开。这一定义不直接适用于共质体、多核的AMF。分枝起始可能替代性地标志着从芽管到分化菌丝的转变，这一定义未来可通过精细的空间转录组学来完善。芽管出现（萌发）随系统发育而异，似乎有三种不同的机制：（1）从柄状菌丝萌发，主要发生在球囊霉科；（2）直接从孢子壁内层或外层萌发，见于大多数AMF；（3）从孢子内形成的周边隔室中出现，仅见于某些无梗孢科和巨孢囊霉科分类群中。

在细胞水平上，萌发过程研究不足，大部分工作发生在上个世纪。萌发过程中发生了有趣的细胞事件，表明存在严格调控的细胞动力学。这些包括在Gigaspora属中形成称为萌发孔的结构，以及芽管出现前孢子原生质空间的区室化。这类事件类似于最近描述的壶菌中的细胞化过程，其在内部重组后，从多核状态转变为均匀的单核子细胞。AMF孢子萌发过程中的区室化可能作为一种体积分配机制，隔离特定数量的细胞核和细胞质内容物。此功能可能与受控的资源分配有关，确保从一个孢子发生多次萌发事件以增加生存机会。

形态上，芽管被认为在AMF物种间具有保守的结构：它们通常是圆柱形、无隔膜的，并利用孢子中储存的资源进行扩展。然而，比较观察表明同一属内物种间存在细微差异，例如在Gigaspora属中，芽管形状明显不同，有些弯曲（Gigaspora margarita），有些笔直（Gi. decipiensor）或卷曲（未知分类单元）。属间差异可能更大，某些巨孢囊霉科物种的芽管表现出负向地性生长，这是其他科所缺乏的行为，或者对植物来源的化学信号（如独脚金内酯）的萌发或分枝强度响应不同。这些差异尚未得到功能解析，但可能指向不同的土壤探索和利用策略，影响芽管定位并连接到植物宿主或现有菌丝网络的能力。值得注意的是，芽管和共生前菌丝的生长程度与共生菌丝发育相关，并可能提供一种快速评估菌株特异性性状变异的方法，而无需建立共生培养物。总体而言，了解AMF芽管的物理化学特性可以揭示跨分类单元的功能和系统发育变异，同时也可能实现关键的方法学进展。特别是，芽管由于其结构更简单且对原生质体形成更具适应性，可能为分子技术（如DNA/RNA和单分子RNA荧光原位杂交（smFISH））、细胞学测定和遗传转化提供理想的靶标。

2. 附着枝

附着枝，以前称为附着胞，是一个关键的形态发生结构，标志着从芽管或分化的共生前菌丝向根定殖的转变。它也是ERM重新进入根部并进一步扩展定殖或将定殖扩展到新植物宿主的一种手段。结构上，它在根表皮上形成一个肿胀的圆顶状界面菌丝，伴随顶端生长停滞，为真菌受控进入表皮和皮层根组织做准备。与病原真菌在其附着胞中产生高膨压以机械突破宿主表面不同，AMF主要依赖酶活性和复杂的宿主细胞改变来建立根进入，因此最近调整了该结构的术语以避免混淆。此过程涉及预穿透装置（PPA）的组装，这是植物细胞骨架和膜的协调重组，通过形成细胞质桥引导真菌进入，避免细胞破裂。膨压在此过程中的作用，虽然令人感兴趣，但至今未知，因为尚未报道过AMF中附着枝或菌丝膨压的直接测量。附着枝的形成似乎严格受真菌控制，不依赖于植物信号传导，因为该结构仍可以在提取和纯化的植物表皮细胞壁上形成。值得注意的是，非宿主植物的提取表皮不会导致附着枝形成，指出存在一种基于真菌的识别机制，能够区分宿主和非宿主植物表皮结构。

尽管附着枝形态在AMF分类群间似乎保守，但形成时间和频率是AMF分类单元特异性的。一些分类单元在36小时内产生附着枝（例如Funneliformis mosseae），而其他分类单元可能需要长达60小时。根龄也会影响附着枝的形成和频率，较年轻的根通常表现出更高的定殖易感性。这并不奇怪，因为随着根成熟会发生重要变化，包括表皮组织的损失，而如上所述，这对宿主识别和附着枝形成至关重要。重要的是，附着枝密度与土壤和植物之间的磷通量密切相关，突出表明，除了IRM和ERM的结构和范围之外，根部入口点的丰度和分布在共生体之间的资源交换中扮演着一个重要但未充分探索的角色。

3. 根外菌丝体

ERM在成功根定殖后迅速出现，但土壤不透明性使其难以在自然条件下研究。尽管其具有人工性质，但体外根器官培养（ROC）的建立使我们能够直接观察ERM结构和生长动力学。对Rhizophagus irregularis和Gigaspora rosea的ERM的详细研究揭示了一种模块化结构，由粗壮的匍匐菌丝、二级和三级分枝区以及更细的BAS组成。匍匐菌丝促进长距离基质探索，并支持快速、双向的细胞质流，以实现营养和信号在整个网络中的有效转运。BAS密集分枝，在空间上与营养吸收区和孢子形成位点相关，特别是在与孢子相关的BAS发育的地方。生长方面，ERM遵循亚顶端生长模式，延伸不发生在顶端，而是在尖端后面，使得随时间呈现S形生长轨迹。总的来说，菌丝网络扩张不是单个菌丝伸长的随机累积效应，而是从自组织的波状动力学中涌现出来的。最近的延时成像和计算模型显示，AMF使用同步的菌丝尖端脉冲进行扩展，形成行波，允许有效的基质探索，同时调节局部菌丝密度。在推进的波前后面，菌丝自融合事件（ anastomoses）加强了网络连接性，优化了营养回输给宿主，并平衡了探索与内部连贯性。

通过网络密化进行的菌丝自融合在所有的AMF谱系中并不一致，反映了不同的系统发育保守策略和生态适应。球囊霉科内的物种，如Rhizophagus irregularis和Funneliformis mosseae，已知在共生前和共生菌丝体中形成密集、高度分枝的ERM，具有广泛的菌丝互连。融合甚至可以发生在遗传相同但不同的菌丝体之间，这些菌丝体起源于独立的繁殖体