丛枝菌根真菌(AMF)对蒙...青幼苗的促生特性及作用机制_王紫瑄.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.09丛枝菌根真菌(AMF)对蒙古沙冬青幼苗的促生特性及作用机制王紫瑄，解甜甜，王雅茹，杨杰艳，杨秀清（山西农业大学林学院，山西 晋中030801）摘要：为解决蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）幼苗根系不发达、再生性差、移栽造林成活率低的技术难题及其资源的有效扩繁和保存，试验采用丛枝菌根真菌（AMF）不同接菌方式处理蒙古沙冬青实生幼苗根系，分析AMF对其侵染状况及植株生长和生物量的变化，根系及叶片生理特性、根际土壤酶活性变化及其与幼苗生长和生物量变化的关联性。研究旨在探讨根系菌根化作用对蒙古沙冬青幼苗的促生长及作用机制。结果表明：丛枝菌根真菌（根内根孢囊霉Rhiaophagus intraradice，摩西斗管囊霉Funneliformis mosseae）可有效侵染蒙古沙冬青幼苗根系并与其根系构建互惠共生体，不同菌种与宿主植物的亲和程度存在差异。（1）单接菌和混合接菌与未接菌（CK）相比生长量均有所提高，主要表现在植物株高（34.7%47.3%）和根长（32.7%72.9%）相对较大。其中混合接菌较单接菌处理显著增加了总根投影面积、总根体积、根冠比、根干重及根表面积、植株总生物量和苗木质量指数。（2）接种AMF，特别是接种R.i+F.m幼苗根系活力、根系阳离子交换量及根系可溶性蛋白含量较对照显著提升338.7%、177.2%和240.4%，根系硝酸还原酶及碱性磷酸酶活性也显著高于单一接菌（R.i、F.m）及未接菌处理。同时该处理下幼苗叶净光合速率和可溶性蛋白含量较对照显著提高237.5%和54.3%。（3）3种接菌方式均可显著提升蒙古沙冬青幼苗根际土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，且3种土壤酶均在混合接菌时活性提升速率最为显著，分别较对照激增564.7%、145.8%和154.3%。综合以上指标分析，AMF通过侵染蒙古沙冬青根系刺激幼苗根际土壤酶的产生和分泌并促进其根系阳离子交换及活力提升，有助于增强根系代谢过程中酶促作用及蛋白等营养物质的积累，同时影响和改善了幼苗光合代谢和营养储存，从而促进沙冬青根系及幼苗生长和生物量累积。关键词：丛枝菌根真菌；根系菌根化；幼苗生长；蒙古沙冬青丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizae Fungi，AMF）是分布最为普遍的菌根真菌类型，在绝大多数陆生植物根系皮层细胞间或细胞内增大形成丛枝状结构，与植物建立菌根共生体1-3。AMF作为植物磷素高效利用密切相关的微生物类群，因其共生特性，可在植物-AMF互作（根际）、AMF-微生物互作（菌丝际）两个界面同时影响植物养分吸收利用4，因此，菌根共生领域发展成为土壤学、生态学、植物学等学科国内外学者广泛关注和持续研究的重要研究领域之一5。2022年New Phytologist上报道了AMF异形根孢囊霉中一个含有SPX结构域的磷酸盐转运蛋白 RiPT7参与 AMF共生界面磷平衡与输出过程，调节菌根共生体发育和提高菌根植物对土壤磷的摄取6。同时，共生的真菌可通过增加根系表面积和体积扩展植物根系7，扩大根系吸收面积，加强矿质养分的空间有效性，提高植物对土壤养分的吸收和利用8。此外，AMF可通过与植物根系形成的菌根共生体诱导共生植物释放土壤酶等物质，活化土壤中被固定的矿质养分，提高矿质养分有效浓度9，从而改善土壤质量10、促进根系养分吸收，在调节植物与土壤间以及植物体内营养平衡等方面均具有重要的生态功能11。有学者发现，菌根联合可以影响宿主植物根系分泌螯合物12、提高植株渗透调节能力13、促进光合作用14以及增强植物竞争力15等，从而影响植物形成及构建16。这些研究有助于深入认识 AMF 对植物的促生长作收稿日期：2022-07-05；修订日期：2022-08-02基金项目：农业农村部保种项目（19210123）；山西省自然科学基金项目（201901D111224）作者简介：王紫瑄（1998-），女，硕士研究生，主要从事森林资源培育研究.E-mail:通讯作者：杨秀清.E-mail:7889页1期王紫瑄等：丛枝菌根真菌(AMF)对蒙古沙冬青幼苗的促生特性及作用机制用。目前在玉米17、甘草18、苜蓿19-20、黄花蒿21等的研究中已经表明，AMF对这些植物生长及生物量提高均有促进作用。蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）隶属豆科蒙古沙冬青属，是荒漠地区特有的旱生阔叶观花灌木和孑遗物种22，在防风固沙和荒漠植被恢复中发挥着重要生态作用23，也是北方少有的重要常绿树种资源。但由于蒙古沙冬青属直根系，主根长、侧根不发达导致其苗木再生性差，移栽造林成活率低，资源利用非常困难24。蒙古沙冬青当前分布范围较小，主要在内蒙古乌海、贺兰山、鄂托克旗、阿拉善等地区呈斑块状分布，种质资源岌岌可危。AMF与植物菌根联合作用对植物根系及植株生长的影响为解决蒙古沙冬青根系局限性导致苗木成活及生长受限的苗木培育瓶颈问题提供了借鉴。是否可通过AMF侵染蒙古沙冬青幼苗根系形成菌根共生，改善其生理代谢过程及其根际土壤环境，从而有利于其壮苗培育和移栽成活率的提高。鉴于此，本试验分析两种AMF不同接菌方式以及未接菌处理下蒙古沙冬青幼苗根系及植株生长和生物量的变化，根系及叶片生理特性、根际土壤酶活性变化及其与幼苗生长和生物量变化的关联性，旨在研究AMF对蒙古沙冬青幼苗的促生长作用及其影响机制。结果可为探索蒙古沙冬青菌根化种苗培育技术，提高蒙古沙冬青造林成活率，实现蒙古沙冬青资源高效利用提供实践依据和技术支撑。1材料与方法1.1 供试材料供试种子采自甘肃民勤当年成熟收集的蒙古沙冬青种子。供试菌种由北京市农林科学院丛枝菌根真菌种质资源库（BGC）提供，选取两种 AMF：摩西斗管囊霉Funneliformis mosseae（XJ02），根内根孢囊霉Rhiaophagus intraradice（BJ09）。每克菌剂的孢子数约为40200个。以白三叶草为寄主，灭菌后的黄沙为基质，在光照培养箱内（培养温度为25，光照强度为 15000 lx，光照时间为 15 hd-1）进行AMF扩繁。3个月后，保留含有孢子、菌丝及侵染根段的黄沙，作为接种菌剂。试验所用土壤取自山西农业大学植物园（010cm）。去除大颗粒石子和根系，经自然风干后过筛混合，经高压蒸汽灭菌后作基质待用。1.2 播种育苗试验试验设置4个接菌处理，每个处理10次重复。分别为单一接菌（根内根孢囊霉，R.i；摩西斗管囊霉，F.m）、混合接菌（根内根孢囊霉+摩西斗管囊霉为 1:1的混合菌剂，R.i+F.m）和未接菌处理（未接菌，CK）。花盆（13 cm12 cm）中放入灭菌土壤基质和接种菌剂（体积比为1:3）至盆高约4/5处，将消毒后的20粒蒙古沙冬青种子均匀播入其中，其表面再用灭菌基质覆盖约2 cm，每盆质量控制为1.0 kg，置于培养箱中（温度25，光照强度2500 lx）培养。期间每3 d对各处理进行称重记录，补充蒸发的水分，保持水分含量在5%。幼苗培养30 d后进行各项指标测定。1.3 指标测定1.3.1 根系菌根侵染率及菌根依赖性测定将接种AMF孢子30 d后的蒙古沙冬青植株根部用去离子水洗净，剪刀剪至1 cm左右的长度，置于50 mL离心管中，加入30 mL左右10%KOH（w/v）溶液，并置于90 水浴锅中水浴30 min。蒸馏水冲洗三次，加入2%HCl酸化5 min，沥干后加入0.05%的台盼蓝染色液 15 mL，混匀后置于 90 水浴锅中水浴加热 15min，沥干染色液，加入丙三醇40 mL，常温脱色2 d左右后制成封片于显微镜（型号：奥林巴斯CX31）下观测，检测幼苗根系内菌根侵染状况，参照Phillips等25采用网格交叉法统计形成菌根的根段数，计算根系的AMF侵染率。根据获得的地上部干重、根干重等计算菌根依赖性。菌根依赖性=（接种植株干质量-不接种植株干质量）/接种植株干质量100%26。1.3.2 幼苗生长及生理指标测定对各处理下培养30 d后的幼苗分别进行生长及生理指标测定。数显游标卡尺测量苗高、地径；将植株地上、地下部分离，万分之一电子天平（赛多利斯BS124S）测量地上与根部鲜重；根系扫描分析系统（WinRHIZO）分析总根投影面积、根表面积、根平均直径和总根体积。收集鲜样用考马斯亮蓝G-250染色法测定根、叶可溶性蛋白含量；乙醇浸提法测定叶绿素含量；根据Tisserant等27人的方法测定根系磷酸酶；用离体法28测定根系硝酸还原酶；氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定根系活力；使用Li-6400型便携式光合作用测定系统（Li-COR Inc，USA）进行光合特性测定。剩余样品植株按根、茎、叶分别装入牛皮7940卷干旱区研究纸袋置 105 烘箱杀青 15 min后 75 烘至恒重以测定各部分干重；烘干后的根、茎、叶干样研磨后，过 100 目筛子，淋洗法测定根系阳离子交换量（CEC）。苗木质量指数=苗木总干重（g）/苗高（cm）/地径（mm）+茎生物量（g）/根生物量（g）29。1.3.3 根际土壤酶活性测定采用靛酚蓝比色法和苯磷酸二钠比色法测定土壤脲酶和碱性磷酸酶活性以期反映植物对氮、磷的转化及利用；为体现土壤生物学活性，采用3,5-二硝基水杨酸比色法进行蔗糖酶活性测定30。1.4 数据处理数据分析采用SPSS 22.0 统计软件进行，采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）各测定指标，Duncan法检验数据显著性，Pearson法进行蒙古沙冬青幼苗根际土壤-植株生长指标间相关性分析。使用Origin 9.0软件作图。2结果与分析2.1 蒙古沙冬青幼苗根系菌根侵染率及菌根依赖性未接菌处理CK（图1a）根系皮层细胞间或细胞内未有丛枝或无隔菌丝等结构呈现，说明蒙古沙冬青根系中不含有内生AMF。接菌处理后蒙古沙冬青幼苗根系菌根侵染状况如图1a图1d，供试AMF均可进入根内皮层细胞形成泡囊，不同程度地侵染植株根系（图1b图1d）。分析比较不同AMF接种方式下根系菌根侵染率（表1），R.i+F.m混合接种注：图为10倍光学显微镜下蒙古沙冬青幼苗根系外观平面图。CK表示未接菌；R.i表示单一根内根孢囊霉菌接种；F.m表示单一摩西斗管囊霉菌接种；R.i+F.m表示根内根孢囊霉和摩西斗管囊霉混合接菌。下同。图1 丛枝菌根真菌侵染蒙古沙冬青幼苗根系情况Fig.1 Arbuscular Mycorrhizae Fungi infecting root system of Ammopiptanthus mongolicus seedlings801期王紫瑄等：丛枝菌根真菌(AMF)对蒙古沙冬青幼苗的促生特性及作用机制后蒙古沙冬青植株根系菌根侵染率达61%，显著高于单一接菌。单一接种F.m较R.i植株根系菌根侵染率显著增加。菌根依赖性反映植物和菌根真菌之间的关系，表1可知，蒙古沙冬青幼苗对不同接菌处理后AMF的依赖性不同，R.i+F.m混合接种后植株菌根依赖性（39.8%）显著高于单一接种 F.m（32.3%）和R.i（12.8%）。由此说明，AMF可与蒙古沙冬青形成菌根共生联合体，蒙古沙冬青幼苗根系生长受混合接菌依赖性较单一接菌更强。2.2接菌处理对蒙古沙冬青幼苗生长及生物量的影响图2为接菌处理30 d后蒙古沙冬青幼苗的生长状况，可以看出，混合或单一接菌后幼苗地上部分苗高及地下部分根长较对照均存在差异。表2分析表明，接种AMF后，苗高和根长均显著大于对照，其中，R.i+F.m混合接菌处理的幼苗生长最快，较对照苗高显著增加了47.3%，根长显著增加了72.9%。混合接菌与两种单一接菌处理间也分别存在显著差异（P0.05）。R.i+F.m混合和单一F.m接菌处理后幼苗地径生长表现一致，均显著大于单一接菌R.i及未接菌对照。总根投影面积、总根体积、地上部鲜重、根冠比、根和叶干重