孫晨瑜 曾燕紅 馬俊卿 劉璐 王文奇 黃京華

摘 ?要：研究盆栽條件下，接種與未接種叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）摩西球囊霉（Glomus mosseae）對(duì)黃花蒿（Artemisia annua L.）生長和根系分泌物化學(xué)組成的影響。結(jié)果表明，接種AMF黃花蒿的株高、苗干重和根干重均顯著增加，增幅均達(dá)到20%以上;接種AMF也改善了黃花蒿的根系形態(tài)，除了根系半徑以外，根長增加了87.0%、根表面積增加了97.0%、根體積增加了10.7%、根尖數(shù)增加了38.4%、根分叉數(shù)增加了75.6%、根系活力提高了19.6%，差異均達(dá)到極顯著水平;與未接種AMF的黃花蒿基質(zhì)中的根系分泌物（NM-S）相比，接種AMF下黃花蒿基質(zhì)中的根系分泌物（AM-S）可溶性蛋白含量增加了74.38%，可溶性糖含量增加了16.13%，游離氨基酸含量增加了203%，有機(jī)酸的種類增多且含量顯著提高;但接種AMF對(duì)黃花蒿水培液中根系分泌物含量的影響卻呈現(xiàn)出了相反的作用。說明接種AMF有助于改善黃花蒿的根系形態(tài)，提高根系活力，在基質(zhì)中促進(jìn)根系分泌物的分泌，從而使黃花蒿汲取更多養(yǎng)分、提高生物量。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根真菌;黃花蒿;根系分泌物

中圖分類號(hào)：S567.2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The effects of arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） Glomus mosseae on the growth index and the root exudates chemical composition of Artemisia annua L. were studied under potted conditions. The results showed that the height， shoot dry weight and root dry weight of A. annua inoculated with AMF increased significantly， with an increase of more than 20%; in addition to root radius， root length， root surface area， root volume， tips， forks and root activity of A. annua increased by 87.0%， 97.0%， 10.7%， 38.4%， 75.6% and 19.6%， respectively; compared with the root exudates obtained from the matrix of A. annua without AMF inoculation （NM-S）， the content of soluble protein， soluble sugar and free amino acid in the root exudates obtained from matrix of A. annua with AMF inoculation （AM-S） increased by 74.38%， 16.13% and 203%， respectively， following the types and contents of organic acids increased significantly; but the effects of AMF on the root exudates of hydroponic solution showed an opposite trend. In the substrate， AMF may improve root morphology， root activity and secretion of the root exudates so that A. annua could absorb more nutrients and improve its biomass.

Keywords： arbuscular mycorrhizal fungi; Artemisia annua L.; root exudates

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.016

植物通過合成和釋放根系分泌物對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，目前已發(fā)現(xiàn)超過10萬種植物次生代謝物質(zhì)[1]。在自然界中，根系分泌物在植物種內(nèi)和種間相互關(guān)系、群落演替和生物入侵等領(lǐng)域的重要作用近年來得到了廣泛的關(guān)注，成為作物學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。

黃花蒿（Artemisia annua L.）是一種具有解毒作用的草本植物，20世紀(jì)70年代青蒿素被從其體內(nèi)成功提取分離出來[4]。青蒿素是世界衛(wèi)生組織認(rèn)定的治療抗藥性瘧疾最有效的治療藥物，其也被證明有抗腫瘤特性[5]。由于青蒿素人工合成的生產(chǎn)成本很高，因此，目前仍然需要從黃花蒿中提取，而黃花蒿的野生資源已不能滿足大量提取的需要，主要依靠人工栽培來生產(chǎn)。如何提高人工栽培黃花蒿的產(chǎn)量和質(zhì)量就成為值得深入研究的問題。叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用越來越受到重視，而且相關(guān)領(lǐng)域的研究越來越透徹，或許能應(yīng)用于黃花蒿的人工栽培。AMF是一類非常常見的內(nèi)生真菌，能同陸地80%以上的植物形成互惠共生體[6-7]。AMF侵染宿主植物根系之后，可以從宿主中汲取它自身代謝所需的碳源，與此同時(shí)，還能促進(jìn)植物對(duì)土壤中營養(yǎng)成分的吸收，改善根系分泌活動(dòng)，進(jìn)而有利于植物的生長、增強(qiáng)植物的抗逆性[8-9]。Stefanowicz等[10]研究發(fā)現(xiàn)紅薔薇的入侵伴隨著土壤中AMF生物量的增加，植物根系的次生代謝產(chǎn)物含量顯著增加。Chen等[11]發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)脅迫下，接種AMF摩西球囊霉（Glomus mosseae）可以改善甘草根系結(jié)構(gòu)、提高類黃酮化合物的積累以及植物對(duì)P、K、Mg、Cu、Zn和Mn的吸收。黃京華等[12]研究表明，接種摩西球囊霉使黃花蒿吸收更多的N、P和K，促進(jìn)其光合作用，增加青蒿素含量。但是，AMF促進(jìn)黃花蒿養(yǎng)分吸收的機(jī)理還不清楚，是否與叢枝菌根共生介導(dǎo)的根系分泌物變化有關(guān)，有待進(jìn)一步開展研究。

本文通過對(duì)黃花蒿接種AMF，探討叢枝菌根共生對(duì)黃花蒿根系分泌物的影響，對(duì)揭示AMF促進(jìn)黃花蒿養(yǎng)分吸收的機(jī)理有重要意義，并可為黃花蒿的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?材料與試劑 ?供試黃花蒿為‘酉青1號(hào)，種子購自重慶市富民青蒿科技有限公司。叢枝菌根真菌菌種為摩西球囊霉（Glomus mosseae），購自中國叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫（Bank of Glomeromycota in China，BGC，編號(hào)NM02A），由本實(shí)驗(yàn)室用盆栽沙培法擴(kuò)繁。供試的培養(yǎng)基質(zhì)：河沙（購自本地建材市場(chǎng)）、泥炭（丹麥Pindstrup公司）。乳酸、乙酸、甲酸、蘋果酸、酒石酸、草酸、檸檬酸對(duì)照品，均購自Sigma公司。

1.1.2 ?儀器與設(shè)備 ?UV-2450紫外-可見分光光度計(jì)（日本島津），Expression 11000xl根系掃描儀（日本Epson），PH100-DB800U-IPL光學(xué)顯微鏡（江西鳳凰數(shù)碼），Dionex ICS-5000離子色譜儀（美國Thermo Fisher）。

1.2 ?方法

1.2.1 ?盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì) ?試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：即接種叢枝菌根真菌摩西球囊霉（以AM表示）和未接種叢枝菌根真菌（以NM表示）。采用盆栽，以河沙和泥炭（體積比4：1）為培養(yǎng)基質(zhì)。河沙過3 mm篩后，自來水流動(dòng)沖洗，干燥后置于高壓蒸汽滅菌鍋121 ℃高溫濕熱滅菌1 h，以滅活基質(zhì)中原本可能含有的叢枝菌根真菌及其孢子，冷卻后備用。將黃花蒿種子用10% H2O2浸泡消毒2 min，蒸餾水沖洗3遍，室溫干燥備用。塑料花盆用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡消毒后用自來水沖洗干凈。取冷卻的滅菌河沙作盆栽培養(yǎng)基質(zhì)，以每盆3 kg的量裝入塑料花盆。接種處理組每盆接種摩西球囊霉菌劑150 g，對(duì)照處理組則每盆添加滅菌沙150 g。接種菌劑均勻拌在盆栽培養(yǎng)基質(zhì)表層，之后將黃花蒿種子均勻播撒在接種菌劑表層，覆蓋一層約1 cm厚度的滅菌基質(zhì)。播種后立即澆水淋透培養(yǎng)基質(zhì)。每個(gè)處理各20個(gè)重復(fù)，共40盆，在網(wǎng)室大棚內(nèi)隨機(jī)擺放。播種后到出苗前適時(shí)澆水，出苗后每周澆Hoagland營養(yǎng)液2次，每次每盆澆200 mL，并適時(shí)澆水。出苗整齊后，間苗，每盆留長勢(shì)一致的苗5株。

1.2.2 ?菌根侵染率的測(cè)定 ?在盆栽4個(gè)月后對(duì)黃花蒿進(jìn)行根系取樣，用直徑為1.0 cm的打孔器，在各盆栽中隨機(jī)打孔取根5次。將取出的根系洗凈，用剪刀剪成1.0 cm長的根段，用酸性品紅染色后，鏡檢并計(jì)算測(cè)定菌根侵染率，至少要觀察200條根段[13]。

1.2.3 ?黃花蒿生長指標(biāo)的測(cè)定 ?從植物根部到最高點(diǎn)測(cè)量株高。取完整的黃花蒿，用蒸餾水沖洗掉殘留在根系的盆栽培養(yǎng)基質(zhì)，用濾紙吸干殘留的水分。使用根系掃描儀進(jìn)行根系掃描，并用根系分析應(yīng)用軟件WinRHIZO來分析根系的根長（cm）、根表面積（cm2）、根直徑（mm）、根體積（cm3）、根尖數(shù)和根分叉數(shù)。將整株黃花蒿置于40 ℃烘箱烘干至恒重，測(cè)定黃花蒿的苗干重和根干重。

1.2.4 ?根系活力的測(cè)定 ?根系活力的測(cè)定參照氯化三苯基四氮唑（TTC）法[14]，用紫外-可見分光光度計(jì)在485 nm波長下測(cè)定。

1.2.5 ?根系分泌物的收集 ?黃花蒿盆栽4個(gè)月后，分別收集水培液和殘留在基質(zhì)中的根系分泌物。

（1）水培液中的根系分泌物收集。從盆中取出整株黃花蒿，用自來水沖洗除去殘留在根系上的盆栽培養(yǎng)基質(zhì)，盡可能不傷及植株。用冰盒將試驗(yàn)材料帶回實(shí)驗(yàn)室后，用蒸餾水再?zèng)_洗根系3遍，用吸水紙吸干表面水滴，將植株根部放入0.5 mmol/L的CaCl2溶液中過渡30 min，然后轉(zhuǎn)移至裝有250 mL CaCl2溶液（0.5 mmol/L）的1.7 L遮光塑料容器中，溶液剛好浸沒根系。在充足的光照條件下培養(yǎng)4 h，取出植株后用蒸餾水沖洗其根部3次，沖洗液與水培過植物的CaCl2溶液合并即為黃花蒿水培液根系分泌物，此溶液用真空抽濾裝置過0.22 μm的水系濾膜，過濾后的溶液保存在20 ℃的冰箱中，備用。接種與未接種AMF下黃花蒿水培液中的根系分泌物樣品分別標(biāo)記為AM-W、NM-W。

（2）基質(zhì)中的根系分泌物收集。把盆栽的黃花蒿植株取出，去除盆中培養(yǎng)基質(zhì)里的殘根，稱取50.0 g的培養(yǎng)基質(zhì)轉(zhuǎn)移至150 mL的錐形瓶中，加入去離子水100 mL振蕩浸提24 h，溶液經(jīng)雙層濾紙過濾2次，再用真空抽濾裝置過0.22 μm的水系濾膜，過濾后的溶液保存在20 ℃的冰箱中，備用。接種與未接種AMF下黃花蒿基質(zhì)中的根系分泌物分別標(biāo)記為AM-S、NM-S。1.2.6 ?根系分泌物中可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸含量的測(cè)定 ?將收集到的根系分泌物用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干，加10 mL滅菌超純水溶解后用于測(cè)定可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸的含量。可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[14];可溶性糖含量的測(cè)定采用蒽酮比色法[14];游離氨基酸含量的測(cè)定采用茚三酮顯色法[14]。

1.2.7 ?根系分泌物中有機(jī)酸的測(cè)定 ?將收集的根系分泌物過已活化的陽離子交換樹脂柱，收集洗脫液。洗脫液再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干，加5 mL滅菌超純水溶解，再經(jīng)0.45 μm水系濾膜過濾。之后采用離子色譜法[15]測(cè)定有機(jī)酸（乳酸、乙酸、甲酸、蘋果酸、酒石酸、草酸和檸檬酸）的含量。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用R 3.6.0軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)并作圖。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?菌根侵染率的測(cè)定結(jié)果和AMF對(duì)黃花蒿生長的影響

盆栽4個(gè)月后，AM菌根侵染率為52.8%，NM黃花蒿未被AMF侵染。由表1可知，與NM相比，AM的株高、苗干重和根干重均顯著增加，增幅均達(dá)20%以上。接種AMF也改善了黃花蒿的根系形態(tài)，除了根系直徑以外，根長增加了87.1%、根表面積增加了97.0%、根體積增加了10.7%、根尖數(shù)增加了38.4%、根分叉數(shù)增加了75.6%，根系活力提高了19.6%，與NM黃花蒿相比差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。結(jié)果表明，叢枝菌根真菌能與黃花蒿形成良好的共生關(guān)系。叢枝菌根共生提高了黃花蒿的生物量，改善了根系形態(tài)并提高了根系活力。根系特性的改變會(huì)直接影響到根系分泌物的合成與分泌，基于此，黃花蒿根系分泌物的組成成分及含量也可能隨著根系形態(tài)的改善與根系活力的提高而發(fā)生改變。

2.2 ?AMF對(duì)根系分泌物中可溶性蛋白含量的影響

從圖1可知AMF對(duì)黃花蒿根系分泌物中可溶性蛋白含量的影響。接種AMF下黃花蒿水培液中的根系分泌物（AM-W）與未接種AMF下黃花蒿水培液中的根系分泌物（NM-W）相比，可溶性蛋白的含量下降了24.9%，存在極顯著差異（P<0.01）;而接種AMF下黃花蒿基質(zhì)中的根系分泌物（AM-S）可溶性蛋白含量比未接種AMF下黃花蒿基質(zhì)中的根系分泌物（NM-S）增加了74.38%，二者之間的差異也達(dá)到了極顯著水平（P<0.01）。研究結(jié)果表明，接種AMF顯著提高了基質(zhì)根系分泌物中可溶性蛋白的含量，可能會(huì)促進(jìn)黃花蒿根系合成與分泌更多的酶，從而有利于植物從基質(zhì)中吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì);在水培條件下，接種AMF對(duì)可溶性蛋白含量的影響卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，原因可能是水培缺氧脅迫對(duì)叢枝菌根共生體系極為不利。

2.3 ?AMF對(duì)根系分泌物中可溶性糖含量的影響

由圖2可知，接種AMF下黃花蒿水培液中的根系分泌物（AM-W）可溶性糖含量比未接種處理的（NM-W）少36.83%，兩者存在極顯著差異（P<0.01）;而在盆栽條件下，AM-S可溶性糖含量比NM-S多16.13%，兩者之間的差異也達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。研究結(jié)果表明，接種AMF顯著提高了基質(zhì)根系分泌物中可溶性糖的含量，從而有利于植物向基質(zhì)中輸送更多的碳源供土壤微生物吸收;而在水培條件下，可能是因?yàn)槿毖趺{迫對(duì)叢枝菌根共生體系不利，導(dǎo)致AM-W可溶性糖含量低于NM-W。

2.4 ?AMF對(duì)根系分泌物中游離氨基酸含量的影響

由圖3可知，AM-W游離氨基酸含量比NM-W低3.33%，差異顯著（P<0.05）。而AM-S游離氨基酸含量為NM-S的3.07倍，兩者間的差異達(dá)到了極顯著水平（P<0.01）。研究表明，接種AMF顯著提高了基質(zhì)根系分泌物中游離氨基酸的含量，從而供土壤微生物利用;而在水培條件下，可能是因?yàn)槿毖趺{迫導(dǎo)致根系分泌物中可溶性糖含量偏低。

2.5 ?AMF對(duì)根系分泌中有機(jī)酸的影響

從表2可知，黃花蒿接種AMF后，其水培液根系分泌物中有機(jī)酸的種類和含量減少;但在盆栽條件下，其基質(zhì)根系分泌物中有機(jī)酸的種類和含量顯著增加，呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。NM-W檢測(cè)出7種有機(jī)酸，而AM-W只檢測(cè)出5種。兩者均檢測(cè)到的5種有機(jī)酸分別為甲酸、蘋果酸、酒石酸、草酸和檸檬酸，NM-W有機(jī)酸的含量均高于AM-W，差異達(dá)到了極顯著水平（P<0.01）。有機(jī)酸中，草酸的含量最高，NM-W與AM-W的草酸含量分別達(dá)72.36、67.65 mg/L。此外，與AM-W相比，NM-W中還檢測(cè)到乳酸和乙酸。NM-S只檢測(cè)到3種有機(jī)酸，而AM-S檢測(cè)出4種。兩者均檢測(cè)到乳酸、甲酸和草酸，且AM-S中的有機(jī)酸含量均高于NM-S，兩者有機(jī)酸含量的差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。AM-S中還檢測(cè)到乙酸，而NM-S中未檢測(cè)到。結(jié)果表明，接種AMF顯著提高了基質(zhì)根系分泌物中有機(jī)酸的含量，有機(jī)酸可通過酸化、螯合、離子交換或還原等途徑將難溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被植物吸收利用的有效養(yǎng)分，從而提高根際土壤養(yǎng)分的有效性，促進(jìn)了植物的生長發(fā)育。而在水培缺氧的條件下，植物根系分泌大量草酸對(duì)根系細(xì)胞有毒害作用，AM-W與NM-W相比顯著降低了草酸的含量，表明接種AMF對(duì)缺氧脅迫有緩解作用。

3 ?討論

研究表明，植物根系在與鄰近植物和土壤微生物的互作中發(fā)揮著重要作用[16]。一方面，根系生物量和形態(tài)結(jié)構(gòu)直接影響植物的生長和發(fā)育[17-18];另一方面，植物根系也可以合成和分泌化感物質(zhì)，影響土壤微生物、改變土壤理化性質(zhì)和抑制周圍其他植物的生長[19-20]。Gealy等[21]利用穩(wěn)定的13C同位素鑒別分析，發(fā)現(xiàn)根尖數(shù)和根生物量與水稻根系分泌物含量有重要聯(lián)系。Zhu等[22]在車前草根中也觀察到類似的情況，似乎根尖數(shù)越多、根系生物量越大越有助于根系分泌物的合成與分泌。在本研究中，黃花蒿接種AMF 4個(gè)月后，其根干重、根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根分叉數(shù)和根系活力均顯著提高，一方面有利于促進(jìn)植物對(duì)土壤中營養(yǎng)成分的吸收，植株的苗高和苗干重隨之增加，另一方面為根系分泌物的大量合成與分泌提供了基本條件。

可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸是植物根系分泌物的重要組成成分，具有調(diào)控根系生長以及為土壤微生物提供營養(yǎng)成分和能源物質(zhì)的功能。AMF能促進(jìn)植物對(duì)土壤中營養(yǎng)成分的吸收，改善根系分泌活動(dòng)，進(jìn)而有利于植物的生長、增強(qiáng)植物的抗逆性[8-9]。Feng等[23]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下AMF與植物形成共生關(guān)系后，顯著增加了根系中可溶性糖的含量，改變了根系的滲透壓，使得植物抵抗鹽害的能力得以增強(qiáng)。包靜[24]研究認(rèn)為，鹽脅迫的程度以及黃瓜不同的生長時(shí)期都會(huì)影響根系分泌物中可溶性糖的含量，鹽脅迫同時(shí)還會(huì)使根系分泌物中氨基酸的含量和種類增加。Ohwaki等[25]研究發(fā)現(xiàn)，缺鉀、缺鋅脅迫也會(huì)使根系分泌物中的可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸的分泌量有所改變。接種AMF可能緩解植物所受的脅迫并提高根系分泌物中可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF下的黃花蒿基質(zhì)根系分泌物中可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸的含量均顯著高于未接種AMF處理，這可能是因?yàn)锳MF與黃花蒿共生后有利于植株吸收更多的營養(yǎng)元素，同時(shí)植物根系分泌更多的可溶性蛋白、可溶性糖和游離氨基酸，從而實(shí)現(xiàn)了真菌-植物和諧共生。但在黃花蒿水培液根系分泌物中卻呈現(xiàn)出相反的結(jié)果，可能是由于水培缺氧的液體環(huán)境對(duì)植物根系有脅迫作用，且叢枝菌根共生下黃花蒿的根系生物量更大，需氧量更高，受到的脅迫作用更強(qiáng)。其中的原因有待進(jìn)一步研究。

根系分泌物中的有機(jī)酸是良好的金屬活化劑，它們?cè)诟H難溶性養(yǎng)分的活化和吸收等方面具有積極作用。在植物根際土壤中，根系分泌物通過酸化、螯合、離子交換或還原等途徑將難溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被植物吸收利用的有效養(yǎng)分，從而提高根際土壤養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而促進(jìn)了植物的生長發(fā)育。Dinkelaker等[26]對(duì)白羽扇豆的研究中發(fā)現(xiàn)，在缺磷時(shí)，植物通過形成特殊的排根結(jié)構(gòu)，并在排根處分泌大量的有機(jī)酸來活化難溶性磷以滿足自身生長的需要。郭修武等[27]對(duì)連作葡萄接種AMF，研究發(fā)現(xiàn)AMF對(duì)葡萄的生長有促進(jìn)作用，使葉片中SOD活性增強(qiáng)，MDA的含量降低，根系活力也增強(qiáng)，還提高了葡萄根系分泌物中有機(jī)酸的含量。劉進(jìn)法等[28]研究發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根真菌增加了枳實(shí)幼苗根系分泌有機(jī)酸的量，有機(jī)酸以蘋果酸、檸檬酸和草酸為主。本研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF下黃花蒿基質(zhì)根系分泌物中有機(jī)酸的含量顯著高于未接種AMF處理，表明接種AMF有利于黃花蒿植株分泌更多的有機(jī)酸，從而活化和吸收更多的根際難溶性養(yǎng)分。但在水培液缺氧的液體環(huán)境下，草酸的含量顯著升高對(duì)黃花蒿根系有毒害作用，而叢枝菌根共生下根系分泌的草酸含量顯著降低，表明AMF有緩解缺氧脅迫的作用。另外，有機(jī)酸易降解可能也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。AMF對(duì)黃花蒿根系分泌物的作用機(jī)制有待更為深入的研究。

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