張亞敏,馬克明,李芳蘭,曲來(lái)葉,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京　100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京　100049 3 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,成都　610041

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干旱脅迫條件下AMF促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理研究

張亞敏1,2,馬克明1,李芳蘭3,曲來(lái)葉1,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049 3 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,成都610041

摘要:采用溫室水分控制試驗(yàn),在干旱脅迫條件下,定量化研究?jī)?yōu)勢(shì)叢枝菌根真菌(AMF)影響優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土植物小馬鞍羊蹄甲(Bauhinia faberi var．microphylla)幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理,主要通過(guò)研究干旱脅迫條件下摩西球囊霉菌(Funneliformis mosseae)與小馬鞍羊蹄甲的共生關(guān)系,闡明AMF在植物生長(zhǎng)初期的作用。結(jié)果表明,干旱脅迫條件下,摩西球囊霉菌能夠很好地侵染幼苗,侵染率高達(dá)89%—97%,并且不受水分條件影響。接種的幼苗最大光合速率、水分利用效率隨著干旱脅迫程度從重度到輕度(水分從低到高)逐漸增大,相反地,葉片脯氨酸含量逐漸減小。接種顯著地促進(jìn)幼苗株高、葉片數(shù)、葉面積、根長(zhǎng)、根面積等生長(zhǎng)指標(biāo),提高幼苗各部分生物量、地上地下磷(P)含量。當(dāng)含水量為60%田間持水量時(shí),AMF促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗吸收P的效果最好。接種還顯著影響幼苗的生物量分配,在重度干旱脅迫時(shí)影響P分配,水分條件也顯著影響幼苗的生物量分配。此外,接種和水分的交互作用對(duì)葉生物量、總生物量、生長(zhǎng)指標(biāo)以及地上部氮(N)總量影響顯著。結(jié)果表明干旱脅迫條件下菌根效應(yīng)顯著,并在干旱條件下顯著促進(jìn)了小馬鞍羊蹄甲幼苗的生長(zhǎng),這為進(jìn)一步干旱河谷植被恢復(fù)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：干旱脅迫；叢枝菌根真菌；養(yǎng)分吸收；植被恢復(fù)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是菌根真菌中重要的一種類型,廣泛分布于自然界的土壤中,能夠與陸地上大約80%的植物根系形成共生關(guān)系[1]。這種互利共生關(guān)系一方面表現(xiàn)為AMF能夠促進(jìn)植物對(duì)P和N元素的吸收[2-6],另一方面植物提供碳水化合物(主要是六碳糖)給AMF供其生長(zhǎng)和代謝[7-8]。而研究表明,AMF與寄主植物形成的共生關(guān)系在環(huán)境脅迫的條件下表現(xiàn)的更為緊密[9]。在我國(guó)西南部的干熱河谷,甚至有高達(dá)95%的植物物種與AMF形成共生關(guān)系[10]。

AMF與植物水分代謝關(guān)系也有大量研究[11-13]。一些研究表明菌根植物比非菌根植物更加耐旱[7- 8,14-15],減少了干旱脅迫對(duì)植物造成的生理生態(tài)等方面的影響。比如提高植物光合能力[2,15- 17],提高植物水分利用效率[2,15,17- 19],提高葉片脯氨酸含量等[8,20- 21]。但是,也有研究發(fā)現(xiàn)AMF與植物的相互關(guān)系非常復(fù)雜,可以表現(xiàn)為正向、負(fù)向或者沒(méi)有影響等多種關(guān)系[5],這說(shuō)明不同AMF種類與不同植物之間的種間差異較大,同時(shí)它們的共生關(guān)系也受到環(huán)境條件的影響和調(diào)控[22]。

最近,一些研究發(fā)現(xiàn)AMF在岷江干旱河谷植被恢復(fù)過(guò)程中具有重要的作用。張英等人在對(duì)我國(guó)四川都江堰地區(qū)AMF的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn),優(yōu)勢(shì)及常見(jiàn)植物種的AMF侵染率為91.8%,其中球囊霉屬是優(yōu)勢(shì)種[23]。沿干旱河谷野外調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),AMF在灌叢植被下顯著富集,顯著影響土壤養(yǎng)分含量、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、以及土壤酶活性[24-25],并且在最干旱的河谷核心區(qū),AMF的作用更加顯著[26]。小馬鞍羊蹄甲作為干旱河谷區(qū)優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土物種,是陰坡抗旱性最好的灌木[27]。陳云等發(fā)現(xiàn)小馬鞍羊蹄甲根際的AMF群落中的優(yōu)勢(shì)菌種是球囊霉屬,占到50%以上。宋成軍等發(fā)現(xiàn)接種兩種AMF真菌(Funneliformismosseae和Glomuscoronatum)均能促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲的生長(zhǎng),緩解土壤P養(yǎng)分缺乏的限制[28]。

雖然這些研究揭示了AMF對(duì)干旱河谷鄉(xiāng)土物種生長(zhǎng)的重要性,但是,目前還缺乏對(duì)于水分脅迫條件下優(yōu)勢(shì)AMF影響優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土植物小馬鞍羊蹄甲生長(zhǎng)機(jī)理的研究。因此,我們?cè)O(shè)計(jì)了溫室水分控制試驗(yàn),通過(guò)接種摩西球囊霉菌到小馬鞍羊蹄甲的幼苗上,研究不同水分脅迫(輕度、中度、重度)條件下摩西球囊霉菌如何影響植物光合作用、養(yǎng)分吸收、以及生物量分配等生理機(jī)制。通過(guò)研究干旱脅迫條件下摩西球囊霉菌與小馬鞍羊蹄甲的共生關(guān)系,闡明內(nèi)生菌根真菌在植物生長(zhǎng)初期的作用,為進(jìn)一步干旱河谷植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)地點(diǎn)

溫室水分控制試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(Maoxian Mountain Ecosystem Research Station,CAS)進(jìn)行,從2014年5月至9月歷時(shí)4個(gè)月。茂縣生態(tài)站位于四川省阿壩州茂縣鳳儀鎮(zhèn)(103°54′E,31°42′N,海拔1826 m),地處青藏高原東緣、橫斷山系北段高山峽谷地帶的岷江上游地區(qū),年日照時(shí)數(shù)1373.8 h左右,年均溫9.3℃左右,年降雨量825.2 mm左右,年蒸發(fā)量968.7 mm左右,氣候十分干燥。

2材料方法

2.1試驗(yàn)材料

供試植物：小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar．microphylla)屬于豆科灌木,是岷江干旱河谷鄉(xiāng)土優(yōu)勢(shì)灌木種。

供試菌種：摩西球囊霉菌(Funneliformismosseae)。菌種購(gòu)買于北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所微生物室, 為高粱繁殖的土沙混合物,內(nèi)含供試菌種孢子、侵染根段和菌絲片段。Funneliformismosseae從新疆昭蘇新疆韭(Alliumcoeruleum)根圍分離,為2857 個(gè)孢子/20 mL菌劑。保存于4℃冰箱。

供試基質(zhì)：滅菌土。2014年5月取自岷江干旱河谷核心區(qū)渭門(四川省茂縣)的貧瘠土壤,過(guò)2 mm篩充分混勻,進(jìn)行高壓蒸汽滅菌處理(121℃,30min,2次),備用?；|(zhì)的含水率為4.38%,容重為1.47 g/cm3,全碳含量為10.98 g/kg,全氮含量為0.60 g/kg。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年在岷江干旱河谷核心區(qū)采集小馬鞍羊蹄甲的種子,選擇形態(tài)大小基本一致,表皮光滑,健康無(wú)蟲害的種子曬干備用。2014年5月12 日播種,提前一天挑選飽滿種子,用20%濃硫酸浸泡4 h,蒸餾水沖洗干凈并浸泡24 h,然后把種子均勻的播撒在滅菌土為基質(zhì)的育苗盤內(nèi),噴灑足夠的蒸餾水,置于溫室大棚中萌發(fā)。大棚頂部為塑料膜,防止雨水淋灌,四周為遮陰網(wǎng),保證通風(fēng),棚內(nèi)條件與當(dāng)?shù)貧庀髼l件一致。試驗(yàn)中每個(gè)花盆套兩層塑料薄膜,裝入滅菌土4 kg,2014年5月24日移苗,每盆移植兩株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗,并在表層覆蓋0.1 kg蛭石,防止水分蒸發(fā)。試驗(yàn)用水均為蒸餾水。

根據(jù)以往野外調(diào)查結(jié)果[29],本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)水分梯度,重度脅迫(LW)、中度脅迫(MW)、輕度脅迫(HW),控制含水量分別為40%、60%、80%田間持水量。微生物處理為接種摩西球囊霉菌(FM)和未接種(NM)。移植幼苗時(shí),在每個(gè)盆的中央挖一個(gè)洞(距土壤表面5 cm),將10 g菌種放置其中,然后將幼苗轉(zhuǎn)移至洞里,使植物根系與菌種充分接觸,培土。采用析因設(shè)計(jì),共6個(gè)處理,每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)。移植前期保證充足的水分供應(yīng),待幼苗定植長(zhǎng)勢(shì)良好,2014年6月11日開始采用隔天稱重法控制水分,2014年6月29日每盆拔除1株幼苗保留1株,以便后期指標(biāo)測(cè)定?？厮掷m(xù)至2014年9月21日,收割。

2.3樣品分析

2014年9月19日20日,在晴朗的上午,用Li- 6400便攜式光合儀,在接種摩西球囊霉菌處理的每10個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選5個(gè)測(cè)定葉片最大光合速率；9月20日,用卷尺測(cè)定株高,數(shù)分枝數(shù)、葉片數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)；9月21日收割,每一株幼苗按照根、莖、葉分別收獲,用蒸餾水清洗根系,取少量根系保存于液氮中進(jìn)行其他測(cè)定,同時(shí)取部分土樣。收割后,用掃描儀掃描葉面積,然后所有樣品保存于冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。取0.4 g新鮮葉片用于葉片脯氨酸含量測(cè)定,根長(zhǎng)、根面積用根系掃描儀(EPSON 11000XL)測(cè)定。植物樣品在68℃烘箱中烘干至恒重,在萬(wàn)分之一分析天平(Mettler-Toledo AL204)上稱量,即得根、莖、葉各部分生物量。由于樣品量小,按地上部分地下部分用球磨儀分別磨碎后全部用于元素分析,經(jīng)元素分析儀測(cè)得C、N含量,經(jīng)ICP-OES測(cè)得P、K含量。根據(jù)Trouvelot等的染色鏡檢法[30],按照菌根侵染和叢枝豐度分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn),輸入等級(jí)參數(shù),用“mycocalc”軟件,可計(jì)算出侵染率和叢枝豐度。侵染率(IR)采用侵染頻度(infection frequency,IF%)表示,計(jì)算公式為：IF% =(侵染根段數(shù)/ 全部根段數(shù))×100。

2.4數(shù)據(jù)處理

分析統(tǒng)計(jì)均在SPSS17. 0軟件上完成。采用方差分析和Duncan多重比較來(lái)分析和評(píng)價(jià)AMF和不同水分脅迫對(duì)幼苗光合作用、養(yǎng)分吸收、生物量、菌根效應(yīng)等方面的的影響,顯著水平設(shè)置為α=0.05。方差分析前,所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn),以保證數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布和方差齊性。相關(guān)圖表制作在Excel中完成。

3結(jié)果與分析

3.1光合作用

接種摩西球囊霉菌的小馬鞍羊蹄甲,最大光合速率、水分利用效率隨著干旱脅迫程度從重度到輕度(水分從低到高)逐漸增大,并且中度干旱脅迫、輕度干旱脅迫下的最大光合速率顯著高于重度脅迫,輕度干旱脅迫下的水分利用效率顯著高于重度干旱脅迫。相反地,葉片脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度從重度到輕度(水分從低到高)逐漸減小,重度干旱脅迫及中度干旱脅迫下顯著高于輕度脅迫(圖1)。

圖1　不同干旱脅迫程度對(duì)接種FM的小馬鞍羊蹄甲幼苗最大光合速率、水分利用效率以及葉片脯氨酸含量的影響Fig.1　The impact of drought stress conditions on maximum photosynthetic rate, water use efficiency and proline content in the leaves of B. faberi seedlings colonized by FMLW：重度脅迫low water,MW：中度脅迫middle water,HW：輕度脅迫high water

3.2養(yǎng)分吸收

接種處理和水分條件均顯著影響小馬鞍羊蹄甲幼苗的P吸收。接種摩西球囊霉菌能夠顯著提高幼苗的P含量,在3種干旱脅迫條件下,幼苗地上部分和地下部分的P含量均表現(xiàn)為接種的顯著高于未接種的(圖2)。并且隨著干旱脅迫從重度到輕度(水分從低到高),幼苗的P含量先增加后減少。其中,中度脅迫下,接種摩西球囊霉菌的幼苗P含量最高,特別是地上部分的P含量顯著高于其它所有處理(圖2)。接種處理和水分脅迫的交互作用對(duì)幼苗的P含量沒(méi)有顯著影響(圖2)。

接種處理也顯著影響小馬鞍羊蹄甲幼苗的N吸收,而水分條件只顯著影響幼苗根系的N含量。但是,接種并沒(méi)有提高小馬鞍羊蹄甲幼苗的N含量,在3種干旱脅迫條件下,幼苗地上部分和地下部分的N含量均表現(xiàn)為未接種的高于接種的。其中,重度脅迫、輕度脅迫時(shí),未接種的地上部分N含量顯著高于接種的；而中度脅迫時(shí),未接種的地下部分N含量顯著高于接種的。接種處理和水分脅迫的交互作用對(duì)幼苗的N含量沒(méi)有顯著影響(圖2)。

圖2　不同處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗的地上部P含量、地下部P含量、地上部N含量以及地下部N含量Fig.2　Shoot-P concentration, root-P concentration, shoot-N concentration and root-N concentration of B. faberi seedlings under different treatmentsNMLW：未接種+重度脅迫no microorganism+ low water,NMMW：未接種+中度脅迫no microorganism+ middle water,NMHW：未接種+輕度脅迫no microorganism+ high water,FMLW：接種+重度脅迫Funneliformis mosseae + low water,FMMW：接種+中度脅迫Funneliformis mosseae + middle water,FMHW：接種+輕度脅迫Funneliformis mosseae + high water;**表示極顯著,*表示顯著,n.s.表示不顯著

3.3生物量

接種處理顯著影響小馬鞍羊蹄甲幼苗的生物量累積。接種摩西球囊霉菌提高了幼苗的葉生物量、根生物量和總生物量(圖3),在重度脅迫、中度脅迫、輕度脅迫條件下接種的總生物量分別是是未接種的3.0、3.6、6.5倍。輕度脅迫時(shí)，接種的葉生物量、根生物量和總生物量均顯著高于未接種；中度脅迫時(shí)，接種的葉生物量和總生物量顯著高于未接種；重度脅迫時(shí)，接種的葉生物量、根生物量和總生物量也高于未接種，但不顯著。隨著干旱脅迫從重度到輕度(水分從低到高)，未接種和接種的各部分生物量都逐漸增加，尤其是接種+輕度脅迫處理的葉生物量、根生物量和總生物量相對(duì)最高,并顯著高于其他處理。接種和水分的交互作用顯著影響小馬鞍羊蹄甲幼苗的葉生物量、根生物量和總生物量。

干旱脅迫條件下接種摩西球囊霉菌不僅顯著影響幼苗生物量累積,也顯著影響幼苗生物量在地上和地下的分配(圖3)。同一水平的干旱脅迫程度下,未接種幼苗的根冠比顯著大于接種幼苗；同樣的接種處理下,隨著干旱脅迫程度加重幼苗根冠比增大,表明植物分配更多的生物量到地下部分,NMLW和NMMW的根冠比顯著大于NMHW,FMLW的根冠比顯著大于FMMW和FMHW。但接種和水分的交互作用對(duì)幼苗的根冠比沒(méi)有顯著影響。

圖3　不同處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗的葉生物量、根生物量、總生物量以及根冠比Fig.3　Leaf dry biomass, root dry biomass, total dry biomass and root dry biomass/shoot dry biomass of B. faberi seedlings under different treatmentsNMLW：未接種+重度脅迫no microorganism+ low water,NMMW：未接種+中度脅迫no microorganism+ middle water,NMHW：未接種+輕度脅迫no microorganism+ high water,FMLW：接種+重度脅迫Funneliformis mosseae + low water,FMMW：接種+中度脅迫Funneliformis mosseae + middle water,FMHW：接種+輕度脅迫Funneliformis mosseae + high water; **表示極顯著,*表示顯著,n.s.表示不顯著

3.4菌根效應(yīng)

摩西球囊霉菌能夠很好地侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗根系,隨著干旱脅迫從重度到輕度(水分從低到高),菌根侵染率為89%—97%,叢枝豐度為18%—27%,但經(jīng)單因素方差分析,菌根侵染率、叢枝豐度及菌根效應(yīng)不存在顯著差異。其中接種+輕度脅迫處理的菌根侵染率高達(dá)97.335%。接種摩西球囊霉菌的幼苗菌根效應(yīng),隨著干旱脅迫從重度到輕度(水分從低到高)逐漸增大,輕度干旱脅迫條件下的菌根效應(yīng)高于重度脅迫。水分條件對(duì)幼苗的菌根侵染率、叢枝豐度以及菌根效應(yīng)影響都不顯著(表1)。

表1　不同處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗的菌根侵染結(jié)果

FMLW：接種+重度脅迫Funneliformismosseae+ low water,FMMW：接種+中度脅迫Funneliformismosseae+ middle water,FMHW：接種+輕度脅迫Funneliformismosseae+ high water;表中數(shù)據(jù)表示均為AVE±1SE;菌根效應(yīng)(mycorrhizal growth response,MGR) = (菌根植物干重-對(duì)照植物干重) / 菌根植物干重×100%;Pwater:水分影響顯著性的P值，P>0.05，表示影響不顯著；P<0.05，表示影響顯著

4討論

水分是干旱河谷生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)最主要的限制因素之一[31-33]。但接種AMF能夠顯著促進(jìn)幼苗生長(zhǎng),沒(méi)有受到AMF侵染的植株矮小,葉片極少,根系相對(duì)較小,而有菌根共生的幼苗長(zhǎng)勢(shì)顯著好于對(duì)照幼苗(圖2),表現(xiàn)在顯著提高光合速率(圖1)、提高水分利用效率(圖1),增加葉片數(shù)量和葉面積(表2),以及根長(zhǎng)和根面積(表2)。并且,隨著干旱脅迫程度的減輕,生理脅迫越輕,例如葉片脯氨酸含量降低(圖1)。這些結(jié)果表明即使在干旱脅迫的條件下,AMF能夠有效促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗的生長(zhǎng)。

表2　不同處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)

NMLW：未接種+重度脅迫no microorganism+ low water,NMMW：未接種+中度脅迫no microorganism+ middle water,NMHW：未接種+輕度脅迫no microorganism+ high water,FMLW：接種+重度脅迫Funneliformismosseae+ low water,FMMW：接種+中度脅迫Funneliformismosseae+ middle water,FMHW：接種+輕度脅迫Funneliformismosseae+ high water;PFM：接種影響顯著性的P值，Pwater：水分影響顯著性的P值，PFM×water接種和水分交互作用影響的P值，P<0.05，表示影響顯著；P<0.01，表示影響極顯著

養(yǎng)分也是干旱河谷生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的限制因素之一。干旱河谷土壤貧瘠,表現(xiàn)為P限制和N缺乏[33-35]。在AMF和寄主植物的共生體系中,延伸的根外菌絲不僅擴(kuò)大了寄主植物根系的吸收面積,還能夠通過(guò)菌絲幫助寄主植物增強(qiáng)吸收土壤養(yǎng)分(主要是P 和N)以及土壤水分[6,8,36-37]。菌根植物葉片以及根系等各器官的N、P含量均高于非菌根植物,特別是增強(qiáng)寄主植物對(duì)P元素的吸收[2- 5,38],尤為突出。本研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下接種AMF顯著提高了幼苗P含量(圖2)。這與前人研究結(jié)果基本一致,充分表明AMF能夠有效緩解干旱河谷土壤磷對(duì)生長(zhǎng)的限制。本研究圖2表明接種摩西球囊霉菌沒(méi)有提高小馬鞍羊蹄甲幼苗地上部分和地下部分的N百分含量。但是從圖4可見(jiàn),接種顯著提高了幼苗地上部分和地下部分吸收N的總量,并且在中度脅迫和重度脅迫下顯著提高。這說(shuō)明AMF與植物的共生能夠促進(jìn)植物對(duì)N的吸收。

在3種不同干旱脅迫條件下,中度脅迫時(shí)幼苗P含量最高,可見(jiàn)摩西球囊霉菌與小馬鞍羊蹄甲幼苗共生促進(jìn)P吸收受到水分條件的影響,方差分析的結(jié)果也表明P含量受到水分的顯著影響(圖2)。在本研究中,含水量為60%田間持水量時(shí),摩西球囊霉菌促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗吸收P的效果最好。重度脅迫下,水分是主要的限制因素,限制了植物、AMF自身的生存狀況以及兩者之間的共生關(guān)系；而輕度脅迫下,雖然水分條件有所改善,但下降的N含量可能成為了另一個(gè)新的限制因素,間接限制了P元素的吸收。對(duì)三葉草的研究就發(fā)現(xiàn),菌根真菌的存在會(huì)降低三葉草中N∶P比,使三葉草的受限制方式由受P元素限制變?yōu)槭躈 元素限制[39]。本研究表明干旱河谷小馬鞍羊蹄甲的生長(zhǎng)受到水分和養(yǎng)分的共同限制。

干旱脅迫條件下,總生物量隨著干旱脅迫從輕度到重度(水分從高到低)而減少,但同時(shí)明顯增加了根生物量占總生物量的分配比例。從圖3可以看出,無(wú)論接種與否,水分都顯著影響生物量分配,隨著水分降低,幼苗分配更多的生物量到根,根冠比增大。說(shuō)明幼苗在水分限制的條件下優(yōu)先分配碳水化合物到根系,以增加水分的吸收。這與前人的研究結(jié)果一致[15,33]。接種摩西球囊霉菌促進(jìn)了小馬鞍羊蹄甲根、莖、葉等各部分的生物量積累,但是隨著干旱脅迫從輕度到重度(水分從高到低),與未接種幼苗相比,幼苗分配到根的生物量比例卻更小,在相同干旱脅迫水平下,未接種的幼苗根冠比顯著大于接種幼苗。這也從側(cè)面說(shuō)明摩西球囊霉菌在干旱脅迫條件下能夠緩解水分對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的限制,AMF共生的幼苗根系可以吸收相對(duì)多的水分,或分配相對(duì)高比例的碳水化合物用于地上部分生長(zhǎng)。接種和水分對(duì)根冠比的影響均極顯著,但接種和水分的交互作用對(duì)根冠比的影響不顯著。由結(jié)果分析可以看出,接種對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的影響都是顯著的,其中菌根侵染率、叢枝豐度、菌根效應(yīng)只受接種的顯著影響；水分對(duì)地上部N含量、根生物量、地下部N總量以外的指標(biāo)影響顯著；接種和水分的交互作用卻只對(duì)葉生物量、總生物量、生長(zhǎng)指標(biāo)以及地上部N總量影響顯著。此外,研究發(fā)現(xiàn)摩西球囊霉菌能較好地侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗根系(表1),在不同干旱脅迫程度下,侵染率不存在顯著差異,這說(shuō)明在岷江干旱河谷區(qū)摩西球囊霉菌與小馬鞍羊蹄甲幼苗的共生關(guān)系緊密,并沒(méi)有受到我們?cè)O(shè)定的水分條件的限制。表明AMF與小馬鞍羊蹄甲幼苗的共生能夠在干旱脅迫條件下有效促進(jìn)植物的生長(zhǎng),更好地適應(yīng)干旱河谷的干旱貧瘠土壤。

野外調(diào)查及野外播種研究發(fā)現(xiàn),小馬鞍羊蹄甲的萌發(fā)率比較高,但并未發(fā)現(xiàn)小馬鞍羊蹄甲幼苗的大量存在,主要是嚴(yán)酷的干旱環(huán)境和貧瘠的土壤嚴(yán)重制約了幼苗的成活[28-29]。在干旱脅迫下,水分抑制了小馬鞍羊蹄甲幼苗的生長(zhǎng),而接種優(yōu)勢(shì)AMF菌種——摩西球囊霉菌到小馬鞍羊蹄甲幼苗根系顯著促進(jìn)了幼苗的生長(zhǎng),在光合能力、生物量積累、養(yǎng)分吸收、生長(zhǎng)特性、菌根效應(yīng)方面都有很大的促進(jìn)作用。研究結(jié)果顯示菌根真菌在干旱條件下顯著促進(jìn)了小馬鞍羊蹄甲幼苗的生長(zhǎng)。對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)使其有了更多的葉片葉面積進(jìn)行光合作用,光合能力的提高生成更多的碳水化合物,進(jìn)一步促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)。同時(shí)接種AMF促進(jìn)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收滿足了幼苗生長(zhǎng)的元素需要。又干旱脅迫對(duì)摩西球囊霉菌的侵染率影響不大,說(shuō)明在干旱河谷這樣的嚴(yán)酷自然環(huán)境中,摩西球囊霉菌依然能夠與小馬鞍羊蹄甲形成良好的共生關(guān)系,促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)與定植,所以在干旱河谷地區(qū)采用AM菌根生物技術(shù)進(jìn)行植被恢復(fù)具有一定的可行性。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站提供的溫室大棚,感謝北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所微生物室提供的菌種。

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基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助(31170581,31470478)

收稿日期:2015- 06- 29;

修訂日期:2015- 11- 30

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lyqu@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201506291320

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) promotesBauhiniafaberivar.microphyllaseedling growth under drought stress conditions

ZHANG Yamin1, 2, MA Keming1, LI Fanglan3, QU Laiye1,*

1ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China

Abstract：Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) is an important and common type of mycorrhizal fungi, which is widely distributed in soils worldwide. AMF can develop a symbiotic relationship with the roots of most terrestrial plants and can improve the resistance of host plants to drought when under drought stress conditions. Based on our previous studies, we found that AMF had positive roles on the vegetation restoration of native plants in the arid valley of Minjiang River, and its role was even more significant in the driest core area of the dry valley. However, the underlying mechanisms of how AMF affects the growth of its native host plant under drought stress conditions remains unclear. To investigate the effects of AMF on its native plant, we designed a full factorial and completely random pot experiment in a greenhouse. We attempted to quantitatively clarify the roles of AMF in the seedlings by testing the symbiotic relationship between Bauhinia faberi var. microphylla seedlings (B. faberi) and one dominant arbuscular mycorrhizal fungi (Funneliformis mosseae, FM) under three drought stress conditions. Continuous drought was induced by watering seedlings at one-day intervals with distilled water over four months with three water content levels. These were low, middle, and high, represented, respectively, by 40%, 60%, and 80% of the field capacity. At the end of the experiment, we measured the maximum photosynthetic rate, proline content, biomass production and carbon partitioning, nutrient content, inoculation rate, and mycorrhizal growth response (MGR) before the seedlings were harvested. One- and two-way ANOVA were used for statistical analysis. The results showed that FM could colonize the roots of B. faberi seedlings well, with the average proportion of mycorrhizal colonization being as high as 89%—97% under drought stress conditions. The maximum photosynthetic rate and water use efficiency of the inoculated seedlings were enhanced as the soil water content increased from low to medium and high levels. However, the proline content in leaves decreased. Inoculation of FM can significantly promote an increase in the height, leaf number, leaf area, root length, root area, and biomass of seedlings, and P concentration both in shoots and in roots, which indicated that FM could benefit the growth of its host plant. Specifically, B. faberi seedlings had the highest P concentration under the medium water treatment (60% field capacity) compared to the other treatments. Moreover, inoculation significantly affected the biomass allocation of seedlings to the shoot and root and affected P allocation of seedlings when under the most severe drought stress. R/S of mycorrhizal seedlings was significantly higher than that of non-mycorrhizal seedlings under the same water stress conditions. R/S of mycorrhizal seedlings was significantly higher under the low water treatment, which means that seedlings allocated more carbohydrates to the root than to the shoot. Moreover, the interaction between AMF and soil water condition significantly affected leaf biomass, total biomass, and shoot-N content. We found that the mycorrhizal growth response of FM was remarkable and that FM significantly promoted the growth of B. faberi seedlings under drought stress conditions, which provides a theoretical basis for arid valley vegetation restoration practice.

Key Words:drought stress; arbuscular mycorrhizal fungi; nutrient uptake; vegetation restoration

張亞敏,馬克明,李芳蘭,曲來(lái)葉.干旱脅迫條件下AMF促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(11):3329- 3337.

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