外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展_俞嘉瑞.pdf

Review 综述 22 January 2023,42(1):86-100 菌物学报 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q Doi:10.13346/j.mycosystema.220360 资助项目：国家自然科学基金(U2102220,31970017)；沈阳市科技计划(22-322-3-07)This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(U2102220,31970017)and the Shenyang Science and Technology Plan(22-322-3-07).*Corresponding author.E-mail: ORCID:YUAN Haisheng(0000-0001-7056-140X)Received:2022-09-21;Accepted:2022-10-08 菌物学报 Copyright 2023 Institute of Microbiology,CAS.All rights reserved.| Http:/journals- Tel:[phone] 袁海生 中国科学院沈阳应用生态研究所研究员，博士生导师，东北生物标本馆馆长，生物多样性研究组组长，任中国菌物学会理事，辽宁大学、沈阳药科大学兼职导师。长期从事真菌多样性、系统学、生态学，以及食药用真菌资源挖掘利用等领域研究。外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展 俞嘉瑞1,2，袁海生1*1 中国科学院沈阳应用生态研究所 中国科学院森林生态与管理重点实验室，辽宁 沈阳 110164 2 中国科学院大学，北京 100049 摘 要：外生菌根真菌作为树木的共生伙伴，是森林生态系统重要组成部分，在森林天然更新、植物抗逆性形成、协助植物吸收限制性营养等方面扮演重要角色。真菌和植物跨界共生具有复杂的分子互作过程，在共生的不同阶段有不同的分子互作机制，其调控反馈网络还有许多未知。基因组与转录组研究技术和方法的进步，为一些新的信号分子、效应蛋白以及相关通路的发现提供了可能。真菌与宿主植物之间营养转移调控对共生的影响也逐渐受到关注，营养相关的转运蛋白对共生的建立和维持提供了物质基础。真菌的宿主选择机制是值得重点关注的领域，由于外生菌根真菌的多谱系起源和演化史中存在多次宿主转换事件，真菌演化出多样的应对机制用来区分相容性宿主、不相容性宿主和非宿主。通过对不同真菌与宿主植物的组学研究，宿主选择机制研究取得了一定进展。本文对近十年来国内外的研究报道进行梳理与总结，并对未来在该领域的探索方向做出展望。关键词：外生菌根；互作机制；分子调控；转运蛋白；宿主选择 引用本文 俞嘉瑞，袁海生，2023.外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展.菌物学报，42(1):86-100 Yu JR,Yuan HS,2023.Research progress on symbiotic interaction and host selection mechanisms of ectomycorrhizal fungi.Mycosystema,42(1):86-100 Review 22 January 2023,42(1):86-100 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 87Research progress on symbiotic interaction and host selection mechanisms of ectomycorrhizal fungi YU Jiarui1,2,YUAN Haisheng1*1 CAS Key Laboratory of Forest Ecology and Management,Institute of Applied Ecology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110164,Liaoning,China 2 University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China Abstract:Ectomycorrhizal fungi,as an important part of forest ecosystems,are important symbiotic partners of trees.They play a key role in the natural regeneration of forest,the formation of plant stress resistance,helping plants in absorption of restrictive nutrients,and serving as a food source for insects.Fungi and host plants have complex molecular interactions,and there are different molecular mechanisms in different stages of symbiosis and many unknown complex network of interaction.With the development of genome and transcriptome research,it is possible to find some new signaling molecules,effector proteins and related pathways.The effect of the regulation of nutrient transfer between fungi and host plants on symbiosis has attracted peoples attention.Nutrition related transporters provide the material basis for the establishment of long-term symbiosis.In addition,the host selection mechanism of ectomycorrhizal fungi should be focused on.Because of the polyphyletic origin and evolution of ectomycorrhizal fungi,there are many host conversion events,and the fungi evolve various coping mechanisms to distinguish compatible hosts,incompatible hosts and non-hosts.Through the study of different fungi and host plants,the mechanism of host selection has made some advances.This paper summarizes the research reports concerned at home and abroad in the past decade,and future orientation in development of this field is also predicted.Keywords:ectomycorrhiza;interaction mechanism;molecular regulation;transporter;host selection 菌根是植物根系与真菌形成的共生体，90%的陆地植物能与真菌形成菌根。依据形态特征与宿主植物，菌根分为 7 种类型：丛枝菌根(AM)、浆果鹃类菌根(ArM)、外生菌根(EcM)、内外生菌根(EeM)、欧石楠类菌根(ErM)、水晶兰类菌根(MM)和兰科菌根(OrM)(Bonfante&Genre 2010)。在维管植物形成的菌根中，72%为 AM，2%为 EcM(Brundrett&Tedersoo 2018)，据估计有6 000多种木本植物能与超过20 000种担子菌或子囊菌形成 EcM(Martin et al.2016；戴玉成等 2021)，这些树木主要包括松科 Pinaceae、壳斗科 Fagaceae、桦木科 Betulaceae、杨柳科Salicaceae、桃金娘科 Myrtaceae 以及龙脑香科Dipterocarpaceae 等，广泛分布于全球各类森林生态系统中(Whitham et al.2008)；与此同时，这些树木类群也是腐生真菌的主要寄主(戴玉成等2000；戴玉成 2012；Dai 2012；吴芳等 2020；马海霞等 2022；Wu et al.2022)；与宿主多样性相对应，外生菌根真菌拥有独立的多系起源，推测其存在于 7882 个真菌谱系中的 251256 个属中(Tedersoo&Smith 2013；Martin et al.2016)。之所以被称为外生菌根真菌，是因为其具有相似的菌丝鞘(hyphal mantle)和哈氏网(Hartig net)解剖学特征，哈氏网由菌丝 俞嘉瑞和袁海生/外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展 综述 菌物学报 88 分化而成，不入侵植物细胞内部，与植物细胞壁之间构成共生界面，该界面进行真菌与植物之间的营养交换。菌根联结使得植物与真菌双方互惠互利，真菌吸收并向宿主植物提供来自土壤中的限制性营养，以换取植物的光合产物，尤其是在贫瘠的土壤条件下能够促进森林生态系统繁荣稳定(Whitham et al.2008)。外生菌根的形成机制与宿主选择一直备受关注。随着测序技术和分析手段的快速进步，通过比较基因组学已初步揭示了外生菌根真菌基因组中碳水化合物活性酶家族(CAZyme)的变化趋势(Kohler et al.2015)，通过转录组分析不同植物与真菌的互作过程，进一步揭示出更加复杂多样的分子互作(Miyauchi et al.2020)。共生过程中存在多个阶段，各个阶段均具有复杂的信号交流与互作(Pellegrin et al.2019b)，破坏任意阶段的交流互作都能导致共生关系的失败。一般来说，物种演化取决于与周围环境的互作，尤其是依赖合作共生的物种(Margulis&Fester 1991)。外生菌根真菌在缺乏宿主的情况下难以完成生活史，因此，宿主是决定其存在与演化的主要因素之一(van der Linde et al.2018)。宿主的选择存在于外生菌根真菌与植物的共演化过程中(Miyauchi et al.2020)，真菌与不相容性宿主互作表现为较低的定植率(Plett et al.2015；Liao et al.2016)以及很难形成成熟的共生结构(Sammer et al.2016)，在其选择宿主的过程中同样涉及复杂的信号交流与识别。共生的基础是双方受益，维持稳定的共生关系依赖于彼此的营养交换(Kiers et al.2011；Casieri et al.2013)，为此共生的双方采取不同的策略增强彼此的联结。外生菌根真菌演化出一套独特的基因库，用于摄取土壤中的限制性营养(如 N、P)(Nehls&Plassard 2018；Pellitier&Zak 2018；Plassard et al.2019)，经过长期积累，逐渐塑造了森林生态系统中利于自身竞争的土壤理化性质与微生物群落(Phillips et al.2013；Cheeke et al.2017；Fernandez et al.2020；郝嘉鑫等 2021；涂晶晶等 2021)。植物似乎可以通过检查真菌的转运蛋白等方式分辨其是否为自身提供限制性营养(Becquer et al.2018)，还通过引入多种外生菌根真菌竞争，提高整体的供养量(Hortal et al.2017)。尽管目前已有少量共生效应子的作用得到揭示，但仍有许多未完全清楚，宿主选择的分子机制也有待深入研究。本文对近几年外生菌根的形成机制、宿主选择和营养交换进行回顾与总结，并据此提出本领域未来着重研究方向。1 外生菌根形成过程及其分子机制外生菌根形成过程及其分子机制 菌根建立的过程大致可以分为两个阶段：(1)预共生阶段，(2)共生建立阶段(Pellegrin et al.2019b)。预共生阶段涉及植物根际与真菌分泌的化感物质的相互识别、菌丝趋向性生长和根系形态上的改变。共生建立阶段需要通过分子信号互相交流，如真菌的效应蛋白启动共生相关和抑制防御相关通路等。转录组与蛋白质组分析提供了多样且物种特异的候选蛋白效应子(Plett et al.2011；Dor et al.2015；Kim et al.2016)。此外通过大规模基因组测序重点关注了 CAZyme的变化：相较于木腐真菌，外生菌根真菌的微生物细胞壁降解酶(MCWDEs)得到了保留，而植物细胞壁降解酶(PCWDEs)基因出现趋同性收敛，为真菌穿透植物细胞壁提供了分子基础(Miyauchi et al.2020)。1.1 预共生阶段 该阶段主要指植物与真菌分别通过远程散播的化感物质为信号，吸引对方相向生长并进行身份确认(图 1A，1B)。能够接收对方的信号分子是实现共生的先决条件(Pellegrin et al.2019b)。植物根系能分泌许多次级代谢产物作为根际的 Review 22 January 2023,42(1):86-100 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 89 图 1 外生菌根形成过程中真菌与宿主的互作和养分交换过程 A，B：预共生阶段.C，D：共生阶段.A：植物通过根系分泌物招募潜在的共生伙伴，真菌分泌 LCO 表明自己的敌友身份.植物根系分泌物加强真菌孢子萌发和菌丝趋向性；真菌分泌植物激素引发植物侧根生长，真菌分泌的 LCO 激活被子植物的 CSSP.B：植物继续分泌化感物质招募真菌，真菌接近根系后通过分泌多种信号分子确认宿主精确身份如凝集素、MiSSP 等.C：菌丝鞘的形成.凝集素、疏水蛋白等引导菌丝在根表层聚集，同时分泌植物细胞壁降解酶如 GH5、GH28 对细胞壁进行重塑.D：哈氏网的形成.对细胞壁的降解扩大了非原质体空间，菌丝在根皮层生长形成哈氏网，哈氏网扩大了与植物的营养交换界面，远端外延菌丝吸收的 N、P 等营养通过液泡运输至哈氏网，再通过转运蛋白等方法释放至共生界面 Fig.1 Process of establishment of ectomycorrhizal symbioses and nutrient exchange.A,B:Pre-symbiotic stage.C,D:Symbiotic stage.A:Plants recruit potential symbiotic partners through root exudates,and fungi secrete LCO to show their identity as friends or enemies.Plant root exudates enhanced fungal spore germination and mycelial tendency,and fungi secrete phytohormones to induce lateral root growth.The LCO secreted by fungi activates the CSSP of angiosperms.B:Plants continue to secrete allelochemicals to recruit fungi.When fungi approach the root,they secrete a variety of signaling molecules to confirm the precise identity of the host such as lectin,MiSSP,etc.C:The formation of hyphal mantle.Lectin,hydrophobins and so on lead hyphae to gather on the surface of roots and plant cell wall degrading enzymes are secreted to remodel the cell wall,such as GH5,GH28.D:The formation of Hartig net.The degradation of cell wall enlarges the apoplast space;the hyphae grow in the root cortex and form Hartig net.Hartig net expands the interface of nutrient exchange with plants,extension hyphae absorb nutrients such as N and P in the distance and transport by vacuole to Hartig net,and then released to the symbiotic interface by transporters and other methods.俞嘉瑞和袁海生/外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展 综述 菌物学报 90 化感物质(Garcia et al.2015)：欧洲赤松 Pinus sylvestris 分泌的松香酸、赤松 P.densiflora 分泌的黄酮类物质，促进某些外生菌根真菌，如Suillus 孢子的萌发；巨桉 Eucalyptus grandis 分泌的芦丁能促进豆马勃 Pisolithus spp.菌丝伸长(Lagrange et al.2001)；不同相容性宿主的根系分泌的挥发性有机物(VOC)能诱导不同类型和不同剂量真菌的疏水蛋白(Sammer et al.2016)。真菌也能独自向外界分泌植物激素，如生长素(IAA)、乙烯(ET)等，其主要作用是在菌丝接触宿主前对宿主根系进行形态重塑(Pellegrin et al.2019b)。真菌通过生长素转运蛋白将 IAA 外排，改变了植物内源性 IAA 的动态平衡，抑制主根生长，增加侧根分支，利于真菌定植(Raudaskoski&Kothe 2015；Sammer et al.2016)，如粘花菇Hebeloma cylindrosporum 的突变株过度产生IAA，使得真菌定植率提升(Gea et al.1994)。块菌(Tuber sp.)能释放 ET 使侧根伸长，但同时 ET与茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等主要作为植物防御网络相关的激素，会限制真菌在植物组织中的存在(Glazebrook et al.2003；Derksen et al.2013)，例如双色蜡蘑Laccaria bicolor与毛果杨Populus trichocarpa 共生时，ET 与茉莉酸(JA)联合抑制哈氏网的形成，但不影响菌根最终形成(Plett et al.2014b)。植物根系分泌液与真菌分泌的植物激素往往是非特异性的。病原真菌同样能感受这些化感物质进行趋向性生长并且分泌 IAA(Meents et al.2019)。外生菌根真菌分泌的生长素也能促使非宿主拟南芥侧根增加(Felten et al.2010)。为了区分有益真菌与病原真菌，宿主植物能识别真菌分泌的壳寡糖(CO)或脂化壳寡糖(LCO)(Zhang et al.2021)。AM 真菌与固氮菌分泌的 CO/LCO，能激活被子植物共有的共生信号通路(CSSP)(Delaux et al.2012)，CSSP 被证实存在于 L.bicolor 和杨树的共生中(Cope et al.2019)，但是裸子植物缺乏 CSSP 的关键基因，是否可以识别EcM-LCO 还有待证实。1.2 共生建立阶段 在该阶段，菌丝需要与植物根表面物理接触，菌丝包裹根尖，形成菌丝鞘，进而入侵植物根皮层细胞形成哈氏网(图 1C，1D)。在此过程中，共生真菌需要避免宿主免疫反应的排斥，因此小分泌蛋白(SSP)等信号物质扮演重要作用。小分泌蛋白是病原真菌和共生真菌与宿主互作的主要效应子(Kamoun 2006；Stergiopoulos&de Wit 2009；Plett et al.2011)，病原真菌中发现由真菌分泌的效应蛋白能被植物细胞吸收，控制宿主免疫(Raudaskoski&Kothe 2015)。真菌有丰富的分泌组，不同的分泌组反映了真菌生活方式上的适应，活体营养型和共生往往比半活体营养型和坏死性营养型有更高的物种特异性 SSP(Kim et al.2016)。通过共生时期转录组中高度上调的基因确定了一些共生相关的 SSP。由菌根诱导的小分子分泌蛋白(MiSSP)是一类小于 300 个氨基酸，有些具有信号肽和细胞外定位活性，没有跨膜结构域，缺乏内质网保留基序的真菌分泌蛋白(Lo Presti et al.2015)。作用已知或部分已知的小分子分泌蛋白有L.bicolor与杨树互作时的LbMiSSP7、LbMiSSP7.6、LbMiSSP8 和 PaMiSSP10b(Plett et al.2014a,2020a；Pellegrin et al.2019a；Kang et al.2020)。LbMiSSP7 靶向宿主细胞核内的PtJAZ6 蛋白，阻止其感受 JA 而避免激活宿主免疫；LbMiSSP7.6 定位于细胞核与 PtTrihclix 转录因子作用，敲除 LbMiSSP7.6 的基因会阻碍哈氏网的形成；LbMiSSP8 的 C 端存在一段起源于腐生先祖的重复序列(DWK/R)n，LbMiSSP8-RNAi菌株无法形成菌丝鞘与哈氏网，其作用可能是引导菌丝聚集。外生菌根真菌并非完全抑制植物免疫反应。聚胺类物质能增强宿主对病原真菌的防御，但对有益共生菌无碍(Sannazzaro et al.2007)。Review 22 January 2023,42(1):86-100 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 91Pisolithus albus 与 Eucalyptus grandis 互作时PaMiSSP10b 靶向宿主 S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(AdoMetDC)，增强 AdoMetDC 的活性，使根内聚胺(Polyamine)水平上升，其作用可能在于对病原真菌的竞争性抑制。植物体内存在的蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)家族对共生关系有调节作用(Plett et al.2019)，如：E.grandis 的EgPRMT1 可以促进侧根形成，增加定植机会，EgPRMT10 可以激活植物激素相关的防御通路；在共生时，EgPRMT1 被轻度抑制，EgPRMT10则增加表达。总之外生菌根真菌能减弱宿主的免疫反应，但仍然适度保留避免真菌过度定植。凝集素和疏水蛋白在共生建立过程中也具有重要作用。凝集素是一类糖蛋白，被认为承担信号分子的功能(Downie et al.2010)，可能是宿主识别的关键物质。Laccaria bicolor 与相容性宿主Populus trichocarpa建立菌根的速度要快于不相容性宿主美洲黑杨 P.deltoides(Plett et al.2015)，差异原因在于 P.trichocarpa 基因组中存在独特的凝集素受体蛋白基因(PtLecRLK1)，通过荧光蛋白共表达发现该蛋白定位于细胞质，并内吞性识别真菌的凝集素，携带该基因的拟南芥转基因植株可以和L.bicolor形成菌丝鞘但无法形成哈氏网(Labb et al.2019)。红鳞口蘑 Tricholoma vaccinum 与相容性宿主云杉 Picea abies 和不相容性宿主 P.sylvestris 互作，不同宿主 VOC 和根泌液对其诱导的疏水蛋白表达量变化相似，在共生期间 hdy5、hdy8 的表达量变化具有明显差异(Sammer et al.2016)，而与不相容性宿主互作无法形成哈氏网(Mankel et al.2002)。疏水蛋白的作用在共生期间未知，但在整个生活史中表达模式多样化，可能参与引导菌丝聚集、附着和形态分化。共生建立阶段，哈氏网的形成是重要的标志性特征，其前提是需要特异的酶对植物细胞壁进行重塑。植物细胞壁是由不同聚合物交织而成。外生菌根真菌保有一套限制性的植物细胞壁降解酶 PCWDEs 基因，其作用并非完全降解而是用于共生，降低对植物细胞壁的损伤。黑孢块菌Tuber melanosporum 的基因组保留有纤维素水解酶基因TmelCMC3(GH5)，而缺乏GH6和GH7(Martin et al.2010)。黑松露与欧榛 Corylus avellana 共生时，在哈氏网中 TmelCMC3 被极大量上调，GH5 可能是参与穿透细胞壁功能的关键酶(Hacquard et al.2013)。Laccaria bicolor 基因组中只存在一个纤维素降解相关的酶 GH5，依附在唯一的纤维素结合模块(CBM1)上(Martin et al.2008)。LbGH5-CBM1 对半纤维素、晶状纤维素及木聚糖无活性，在菌丝鞘和哈氏网的菌丝外围积累水解杨树纤维素；低表达的菌株形成的哈氏网细小，RNAi 影响下无法形成共生(Zhang et al.2018)。但是 T.melanosporum-C.avellana菌根中绝大多数细胞壁组分被改变，果胶组分-半聚乳糖醛酸(HG)含量下降最多，与此相关的多聚半聚乳糖醛酸酶(GH28)同样在共生中上调，Hebeloma cylindrosporum 的共生中 GH28 同样显著上调(Dor et al.2017)；外生菌根真菌可能穿透根细胞中富含果胶的胞间薄层，并占据根皮层的细胞空间；半纤维素组分中木聚糖含量同样下降明显，但在共生中的作用未知(Sillo et al.2016)。2 营养调控参与菌根共生营养调控参与菌根共生 成熟的外生菌根菌需要进行营养交换维持共生关系(图 1D)。外生菌根真菌从植物宿主获取 10%20%的光合产物，同时提供宿主所需70%的 氮(N)、磷(P)等 矿 质 元 素(Finlay&Soderstrom 1992)。菌根真菌作为根系的延伸，增加了对土壤各层的营养吸收，尤其是对土壤有机质(SOM)的分解与利用(Averill&Hawkes 2016；Shah et al.2016；Cheeke et al.2017)。真菌通过转运蛋白或离子通道获得 N、P 等营养，俞嘉瑞和袁海生/外生菌根真菌的共生互作和宿主选择机制研究进展 综述 菌物学报 92 并将其通过液泡(vacuole)暂时储存和长距离运输至菌根，再通过转运体外排至共生界面(Guerrero-Galn et al.2018；Plassard et al.2019)。共生同样能增强蔗糖在根尖的积累用以提供给真菌(Salzer&Hager 1991；Tschaplinski et al.2014)。2.1 营养元素 N 的调控 外生菌根真菌有丰富的 N 相关转运体。Laccaria bicolor基因组中有29个推定的APC超家族转运蛋白(氨基酸、聚胺和有机胺)，多于腐生菌和致病菌(Lucic et al.2008)。Hebeloma cylindrosporum 的寡肽转运蛋白 HcPTR2A 对LysAsp、LeuLeu 和 LeuLeuLeu 有很高的亲和性，共生时 HcPTR2A 持续表达，可能负责在土壤中吸收寡肽，HcPTR2B 在共生时下调；L.bicolor-P.pinaster 体系在 28 d 共生培养后的 LbPTR2A 仅在菌根处表达，LbPTR2B 在共生中表达下调(Mller et al.2020)。硝酸盐转运体(NNP)家族对NO3的吸收需要消耗能量，在 NO3存在下，Tuber borchii 的 TbNir1 和 TbNRT2 与 H.cylindrosporum 的 HcNir1 和 HcNRT2 表达均上调(Jargeat et al.2000；Polidori et al.2007)。TbNir1 和 TbNRT2 在菌根处高表达，而在自由生长的菌丝中微弱表达，其可能作为 T.borchii 的 N 形式外排至共生界面的通道(Guescini et al.2003；Montanini et al.2006)。但是外生菌根真菌更偏好于吸收 NH4+，因为它的同化成本低，真菌的高亲和性铵转运蛋白(AMT)可以感受易代谢性 N 的存在，N 缺乏时表达减少，N 充足时表达增加(Montanini et al.2002；Willmann et al.2007)。杨树在共生时期植物的铵转运蛋白大幅上调，真菌很可能将 NH4+外排至共生界面(Guidot et al.2005；Nehls&Plassard 2018)。与腐生真菌相比，外生菌根真菌基因组虽然减少了植物细胞壁降解酶基因的数量，但保留了几个辅助活性(AA)酶，其中包括漆酶(LAC)、溶解性多糖单加氧酶(LPMO)、少数物种还含有几个类过氧化物酶(POD)(吴冰等 2015；Miyauchi et al.2020)。Tuber 基因组中有丰富的铜依赖的 LPMO 参与几丁质的降解(Murat et al.2018)，而在富含有机质的底物中，Hebeloma cylindrosporum 的 4 种 POD 上调(Dor et al.2015)。EcM 能促进土壤过氧化物酶的活性，从土壤中死亡微生物残体中获得 N(Drigo et al.2012；Bdeker et al.2014)。森林凋落物是土壤有机质(SOM)的主要组成成分。外生菌根真菌对SOM 的降解类似于褐腐真菌的芬顿(Feton)反应(Eastwood et al.2011)。Suillus 等外生菌根真菌在 SOM 诱导下，分泌铜基氧化酶(GROs)和葡萄糖-甲醇-胆碱氧化还原酶(GMCOs)用于产生H2O2，再通过 AA 酶类对凋落物进行降解，但其中的纤维素降解发生在侧链(Shah et al.2016)，因此外生菌根真菌降解 SOM 的主要目的不是获取碳(C)，而是释放固定在其中的 N。由于外生菌根真菌的 C 源主要来自宿主，“Gadgil 效应”认为 EcM 对 SOM 中 N 的开采而不利用 C，导致了 C:N 上升，使 N 成为限制性营养，限制了土壤中腐生真菌的生长和对 C 的利用，此正反馈导致土壤 C 的积累(Gadgil&Gadgil 1971)。有研究认为，在北方针叶林中 Tomentella、Russula等外生菌根真菌为优势群落，抑制了凋落物的降解和 C 循环，而栎林下则没有抑制(Fernandez et al.2020)，其原因可能是针叶树的凋落物难以分解，限制了周围腐生菌类群，同时外生菌根真菌对 N 的优势竞争也起到了重要作用(Phillips et al.2013；Cheeke et al.2017)。高 N 环境不利于 EcM共生，施加外源 N 可能会改变土壤微生物群落，加快 SOM 分解和 C、N 的释放，外生菌根真菌不再具有竞争优势，继而影响其与宿主植物的共生(Plett et al.2020b)。赤道两侧的阔叶林下，凋落物有很高的降解速率，C、N 周转速率相对较快，EcM 不占优势因而以 AM 为主导(Steidinger Review 22 January 2023,42(1):86-100 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 93et al.2019)。红菇科外生菌根真菌能在 N 丰富的环境中保持竞争优势，可能归因于外生菌根真菌基因组保留了相当数量的微生物细胞壁降解酶，作用于几丁质、葡聚糖、甘露聚糖和肽聚糖，各个酶的比例与腐生真菌拥有的比例相似(Looney et al.2018；Miyauchi et al.2020)，可能通过降解土壤中微生物残体获取 N，但其中的生物学过程有待阐明。2.2 营养元素 P 的调控 天然林土壤中磷的形式多样，但无机磷的浓度非常低，一般在 110 mol/L，有机磷很难被植物直接利用(Bieleski 1973；Costa et al.2016)。EcM 通过广布的菌丝和高亲和力的转运蛋白吸收土壤中的磷。Pi 转运蛋白有 2 种共运形式，担子菌外生菌根中只有 H+:Pi 转运蛋白(PT1，PT2)，而子囊菌外生菌根真菌(块菌类)大都缺乏PT2 但有 Na+:Pi 转运蛋白(Pho87 和 Pho89)(Plassard et al.2019)。Hebeloma cylindrosporum与 Pinus pinaster 互作时，在与宿主接触后 4 d，HcPT2 强烈上调，此时还没有出现共生结构的分化；HcPT2 对 Pi 具有高亲和力，被认为是从外界吸收和外排至共生界面的关键蛋白，RNAi 沉默该蛋白的表达，则不能建立共生关系(Becquer et al.2018)。Paxillus involutus 与 P.sylvestris 互作转录组研究发现，可用性 P 浓度较低时，真菌 N 代谢相关的基因会下调(Paparokidou et al.2021)。植物似乎存在可以感应真菌转运蛋白的机制，当外生菌根真菌无法从外界吸收并提供矿物质时，植物会限制糖的供给(Nilsson et al.2005；Hendricks et al.2006)。低亲和力 H+:Pi 转运蛋白功能未知，可能与共生界面的调节有关。磷的供给可能是菌根共生中的重要影响因素。AM 真菌有一套精细的互惠互利系统，植物依据真菌提供的营养量给予相应的糖类回报(Kiers et al.2011；Fellbaum et al.2012，2014)。虽然目前没有发现 EcM 存在这样的精细调控，但是菌根共生的最终目的是营养成分的交换(Read&Perez-Moreno 2003；Martin et al.2007)。在土壤生态系统的发展过程中，植物形成的菌根类型会发生变化(Read 1991)，其原因可能与土壤的 pH 值、微生物群落演替和初级生产力的改变有关(Nilsson et al.2005；Zangaro et al.2012)。起到决定性作用的是土壤限制性营养从 N 转化为 P，而外生菌根真菌如 P.involutus 可以溶解含 P 矿物(Smits et al.2012)，此时植物的菌根类型由偏好 AM 转为偏好 EcM(Albornoz et al.2016)。担子菌外生菌根真菌土壤生境为弱酸性，H+:Pi 转运蛋白依赖 ATP 和 pH 梯度驱动，而子囊菌(块菌)土壤生境一般为中性或弱碱性，Na+:Pi 转运蛋白支持其从外界吸收 P(Plassard et al.2019)。目前有关 P 转运蛋白在 P 迁移、EcM共生中的作用、在调节共生行为的机制方面还有许多未知，有待研究。3 宿主选择的分子机制宿主选择的分子机制 对比不同营养型的真菌基因组发现，外生菌根真菌起源于不同生境下的腐生先祖，为多谱系起源，并随着植物谱系演化而呈现平行辐射(Kohler et al.2015)。例如褐腐真菌 Serpula lacrymans 生长在松科植物周围，菌丝能包裹根系，