丛枝菌根真菌共接种下的根外觅食策略分化与资源分配机制解析

本研究针对不同科属丛枝菌根真菌(AMF)共存时的根际定殖与根外觅食策略分化机制这一生态学难题，通过构建多养分斑块微宇宙系统，结合qPCR定量和扩增子测序技术，揭示了Glomeraceae科真菌(Rhizophagus irregularis和Funneliformis mosseae)在根外斑块中的优势拓殖特性及其对有机氮源(15N标记几丁质/三叶草)的特异性偏好，证实AMF通过功能互补显著提升宿主植物Andropogon gerardii的生物量与养分获取效率，为理解AMF群落组装机制及农业生态系统可持续管理提供理论依据。

　　

在陆地生态系统中，丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)与绝大多数高等植物形成的共生体系堪称自然界的"经典联盟"。这些土壤中的隐形工程师通过其庞大的菌丝网络，不仅帮助植物获取难以触及的水分和养分，更扮演着连接不同植物个体的"地下互联网"角色。然而令人困惑的是，自然界中植物根系往往同时被多种AMF物种共同定殖，这些真菌如何避免恶性竞争、实现和平共处？它们在不同养分环境中是否会展现出特化的"觅食策略"？这些问题至今仍是菌根生态学领域的未解之谜。

以往研究多聚焦于单一AMF物种的作用，但实际生态环境中多物种共存的复杂性远超实验室单一种群模型。更棘手的是，不同AMF科属间存在显著的功能差异：Glomeraceae科的菌种以高侵染率和快速拓殖能力著称，而Gigasporaceae等科属则主要依靠孢子繁殖，定殖速度缓慢。这种生物学特性的差异是否会导致它们在共存环境中出现"强者通吃"的现象？还是说会通过资源分区利用实现"各取所需"？这些问题对理解AMF群落组装机制和生态系统功能具有关键意义。

为解决这些科学问题，捷克科学院微生物研究所的Jan Jansa团队在《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》上发表了一项创新性研究。他们巧妙设计了一个多室分隔的微宇宙系统，在中央植物生长室中同时接种来自4科5属的AMF物种（包括Acaulosporaceae科的Acaulospora tuberculata、Gigasporaceae科的Gigaspora margarita、Entrophosporaceae科的Entrophospora claroidea以及Glomeraceae科的Rhizophagus irregularis和Funneliformis mosseae），并在根外区域设置8个不同养分组成的斑块区（包含几丁质、三叶草残体、DNA、植酸等有机/无机养分源）。通过75天的培养实验，结合taxon-specific qPCR定量、WANDA-AML2扩增子测序和¹⁵N同位素示踪等先进技术，系统解析了不同AMF物种的定殖偏好、养分获取策略及其与微生物组的互作机制。

关键技术方法主要包括：1）建立包含中央植物室和八个根外养分斑块区的微宇宙系统，使用40μm尼龙网物理分隔根系与菌丝生长区域；2）采用最可能数法(MPN)标准化不同AMF接种物的侵染力，确保公平竞争条件；3）利用物种特异性qPCR标记（新开发Acaulospora的actu引物-探针体系）和Illumina MiSeq测序（WANDA-AML2引物）定量不同区室中AMF的生物量分布；4）通过¹⁵N标记的几丁质和三叶草残体追踪氮素迁移路径；5）采用冗余分析(RDA)和van Dobben双标图解析微生物群落结构变化。

3.1 菌根共生显著促进植物生长与养分吸收

接种AMF的植物生物量、全磷和全氮含量分别比非菌根植物提高251.3倍、799.3倍和1049倍（p<0.001）。更值得注意的是，菌根植物通过菌丝网络从标记斑块中吸收了38%的¹⁵N，而非菌根植物几乎无法利用这些远端养分源。AMF的存在还显著降低了氮素损失，特别是在矿化速率快的几丁质斑块中，氮损失从48%降至25.8%。

3.2 AMF根际定殖呈现科属特异性分化

qPCR分析显示不同AMF物种在根系定殖中存在显著差异（F_4,40=41.8, p<0.001）。Glomeraceae科的Rhizophagus和Funneliformis占据绝对优势，而Acaulospora的定殖量最低。在根外区域，这种分化更加明显——仅有Rhizophagus和Funneliformis能突破 rhizosphere 边界，其他物种的菌丝几乎不向根外扩展。

3.3 根外养分斑块中的菌丝分布揭示资源分配策略

两种成功拓殖的Glomeraceae真菌展现出清晰的"食性偏好"：Funneliformis偏爱几丁质(33.3%)和DNA(27.8%)斑块，而Rhizophagus更偏好三叶草残体(29.7%)。值得注意的是，两者对矿物NP斑块都兴趣缺乏（拓殖比例仅2.5-0.15%），表明有机养分源可能是AMF的主要觅食目标。

3.4 菌丝特异性招募功能微生物

在AMF菌丝表面和养分斑块中，Pseudarthrobacter、Nocardioides（细菌）和Paraparentocirrus、Stramenopiles（原生生物）等类群被特异性富集。这些微生物被认为参与有机质降解和养分活化过程，形成所谓的"菌丝际核心微生物组"。

研究结论表明，AMF群落共存遵循"功能互补"原则：Glomeraceae科成员担任"远征军"角色，负责开拓远端养分资源；而其他科属则可能专注于根际微环境的养分 mobilization。这种劳力分工不仅最大化了系统的养分获取效率，也减少了物种间的直接竞争。更重要的是，AMF通过特异性招募功能微生物（如具有几丁质降解能力的Nocardioides和氮循环相关的Pseudarthrobacter），构建起高效的"养分获取联盟"。

该研究的重大意义在于首次在多物种水平揭示了AMF的生态位分异机制，证实了"资源分区利用"理论在菌根共生系统中的适用性。实践中，这种机制启示我们：在农业生态系统中构建多物种AMF群落，可能比使用单一菌剂更能实现"减肥增效"的目标——不同真菌类群通过功能互补形成协同效应，既能提高养分利用效率，又能减少向环境中的养分流失。未来研究需进一步解析AMF菌丝架构的科属差异及其与微生物组互作的分子机制，为设计新一代"智能菌根群落"提供理论基础。