叢枝菌根真菌共生對石漠化生境白槍桿生長及光合特性的影響

楊 波，王邵軍，趙 爽，張路路，張昆鳳，樊宇翔，解玲玲，王鄭均，郭志鵬，肖 博

（西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224）

石漠化是中國西南脆弱巖溶基底基礎(chǔ)上形成的一種特有荒漠化生態(tài)現(xiàn)象[1]，如何恢復(fù)該地區(qū)植被是一個亟待解決的瓶頸問題[2]。叢枝菌根(AM)真菌作為廣布于土壤的一類非專一性有益微生物，能與絕大多數(shù)植物根系耦合形成共生體[3]。叢枝菌根真菌通過“菌絲—根系—土壤”之間的耦合，能夠顯著影響植物水、碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)代謝及光合生理生化過程[4]，進而直接或間接地促進石漠化生境的植物生長[5]。叢枝菌根真菌共生能夠提高菌根浸染率，形成菌絲橋改變根系形態(tài)學(xué)特征，直接或間接促進寄主植物對水分與養(yǎng)分的吸收與利用[6]，進而為植物光反應(yīng)與暗反應(yīng)供給物質(zhì)與能量。叢枝菌根真菌還可通過分泌細胞分裂素，降低葉綠素分解速率，促進葉綠素肽鏈所需酶的合成，增加葉綠素含量與葉面積，從而間接地提高植物的光合速率[7-8]。同時，叢枝菌根真菌共生能夠改善宿主植物營養(yǎng)狀況，從而顯著促進植株樹高和胸徑生長及根、莖、葉生物量的積累[9]。陳良華等[10]研究發(fā)現(xiàn)：叢枝菌根真菌與美洲黑楊Populus deltoides共生，可顯著提高植物光合作用、水分利用效率以及降低蒸騰速率，進而促進植物生長。

白槍桿Fraxinus malacophylla為木犀科Oleaceae梣屬Fraxinus植物，廣布于石灰?guī)r為主的中國西南山地次生林中，具有喜光、耐貧瘠、速生等特點[11]。目前，白槍桿作為云南石漠化恢復(fù)的首選闊葉物種，造林成活率高，植被恢復(fù)效果好，被廣泛應(yīng)用于該地區(qū)的植被恢復(fù)。然而，如何選擇對白槍桿具有較高親和度的優(yōu)勢菌種，仍然是菌根技術(shù)運用中的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，基于“植物根系—叢枝菌根真菌—土壤”相互作用的理論，以3種叢枝菌根真菌為研究對象，探究叢枝菌根真菌與白槍桿共生對白槍桿樹高和胸徑生長、根和葉生物量積累、光合色素與葉綠素合成、光合熒光特征等的影響，以期篩選石漠化植被恢復(fù)的優(yōu)勢菌種，為叢枝菌根技術(shù)在石漠化植被恢復(fù)中的運用提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州彌勒縣西一鎮(zhèn)(24°44′N，103°38′E)，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。年均降水量為1 070 mm，年均氣溫為17 ℃，年均日照時間為2 322 h。選擇國家林業(yè)和草原局石漠化治理技術(shù)推廣示范基地的白槍桿群落為樣地。樣地恢復(fù)年限約5 a，海拔為1 600 m，土壤為砂質(zhì)紅壤，上覆蓋凋落物厚度約0.5 cm，坡度較緩，郁閉度為35%。主要樹種有白槍桿、車桑子Dodonaea viscosa、紫莖澤蘭Eupatorium adenophora、長波葉山螞蝗Desmodium sequax、胡枝子Lespedeza bicolor、地果Ficus tikoua、艾納香Blumea balsamifera等。

1.2 試驗設(shè)計

隨機設(shè)置3個白槍桿群落重復(fù)樣地(40 m×40 m，相距500 m)進行田間試驗。供試叢枝菌根真菌分別為摩西斗管囊霉Funneliformis mosseae、幼套近明球囊霉Claroideoglomus etunicatum、根內(nèi)根孢囊霉Rhizophagus intraradices。每個重復(fù)樣地中，均設(shè)置接種摩西斗管囊霉+農(nóng)林生物肥(MN)、幼套近明球囊霉+農(nóng)林生物肥(YN)、根內(nèi)根孢囊霉+農(nóng)林生物肥(GN)、農(nóng)林生物肥(對照，ck)共4個處理。農(nóng)林生物肥為大豆Glycine max餅肥與油茶Camellia oleifera餅肥1∶1(質(zhì)量比)混合的有機肥。每種菌劑接種量為40 g·株-1(孢子數(shù)約144個·g-1)，菌劑均購自北京市農(nóng)林科學(xué)院的植物營養(yǎng)與資源研究所叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(BGC)。

1.3 指標測定

2020年9月，測定樣地內(nèi)所有白槍桿植株生長指標，采用鋼卷尺測量樹高，游標卡尺測定胸徑，株高為整個地上部高度，胸徑測定地面上5～10 cm處橫徑，取平均值；采用Li-6400XT便攜式光合儀(Licor-6400，美國)，于晴朗無風(fēng)的天氣9:00—16:00，選擇4株生長良好的白槍桿，從頂葉向下數(shù)第2、3、4片展開功能葉片，測定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)(Ci)、水分利用效率(Ewu)，重復(fù)3次，每個樣地上午每隔1 h隨機測定1次，下午每隔2 h測定1次，共測定3 d。

光合測定結(jié)束后，用葉面積儀測定白槍桿單葉平均面積(cm2)；采用天平(精度0.1 mg)稱取植株葉片和根系鮮質(zhì)量，然后將洗凈的植株組織放入烘箱，105 ℃殺青后，75 ℃烘干至恒量，用天平稱取葉片和根系干質(zhì)量。采用丙酮法測定葉綠素質(zhì)量分數(shù)[8]。其中光合測定時，室外環(huán)境光源有效輻射為1 000 μmol·m-2·s-1，氣體流速為500 μmol·s-1。水分利用效率為凈光合速率與蒸騰速率的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，計算平均值±標準差。借助SPSS 23.0軟件，采用單因素法(one-way ANOVA)對不同處理進行差異性檢驗。利用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同叢枝菌根真菌接種對白槍桿生長的影響

相較于對照，接種3種叢枝菌根真菌顯著提高了白槍桿的樹高和胸徑(圖1，P＜0.05)。3種真菌處理下白槍桿樹高和胸徑的增幅分別為1.05～1.12倍和1.08～1.14倍，其中摩西斗管囊霉菌接種的增幅最大。3種真菌處理間白槍桿根和葉生物量均存在顯著差異(圖2，P＜0.05)。相較于對照，接種摩西斗管囊霉、幼套近明球囊霉、根內(nèi)根孢囊霉處理的生物量平均增長率分別為119%、31%和10%。

圖 1 不同叢枝菌根真菌處理下白槍桿樹高和胸徑的變化Figure 1 Changes of tree height and diameter at breast height of F. malacophylla under different arbuscular mycorrhizal fungi treatments

2.2 不同叢枝菌根真菌接種對白槍桿葉片色素構(gòu)成的影響

如圖3所示：叢枝菌根真菌接種均顯著提高白槍桿葉綠素a、葉綠素b、葉黃素及總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)(P＜0.05)。相較于對照組，3種叢枝菌根真菌處理下的葉綠素a、葉綠素b、葉黃素及總?cè)~綠素增幅分別為1.02～1.71、1.12～1.44、1.17～1.94、1.06～1.67倍。

2.3 不同叢枝菌根真菌接種對白槍桿光合特征日變化的影響

如圖4所示：白槍桿凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率日變化規(guī)律均呈雙峰曲線特征，3個指標均在10:00達第1個峰值，為日變化的最大值，并在14:00達第2個峰值。白槍桿胞間二氧化碳摩爾分數(shù)日變化呈W型雙波谷變化規(guī)律，在9:00—10:00胞間二氧化碳摩爾分數(shù)逐漸降低；10:00后氣孔關(guān)閉，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)有所回升，在12:00時達到峰值之后，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)再次下降；14:00后，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)持續(xù)上升，至16:00達最高。

圖 2 不同叢枝菌根真菌處理下白槍桿根和葉生物量的變化Figure 2 Changes of root and leaf biomass of F. malacophylla under different arbuscular mycorrhizal fungi treatments

圖 3 不同叢枝菌根真菌處理下白槍桿葉片色素和葉黃素質(zhì)量分數(shù)的變化Figure 3 Changes of pigment and lutein contents of F. malacophylla under different arbuscular mycorrhizal fungi treatments

叢枝菌根真菌接種顯著提高白槍桿葉片的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率(P＜0.05)，光合速率較對照組提高了12.3%～17.5%。其中，不同叢枝菌根真菌接種對凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的提升率從大到小依次為摩西球囊霉菌、根內(nèi)囊球霉菌、幼套球囊霉菌、對照處理。調(diào)節(jié)葉片與周圍環(huán)境間物質(zhì)交換的氣孔導(dǎo)度較對照組提高了20%～40%；作為植物光反應(yīng)和暗反應(yīng)的主要原料，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)與凈光合速率的變化呈相反的變化規(guī)律，表明植物光合作用的熒光參數(shù)中，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)可能不是凈光合速率主控因子。

2.4 不同處理下白槍桿生長、葉片色素、光合指標之間的關(guān)系

從表1可知：各光合參數(shù)間均存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中凈光合速率與氣孔導(dǎo)度呈極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)最高，為0.950；胞間二氧化碳摩爾分數(shù)與其他參數(shù)均呈負相關(guān)；蒸騰速率與凈光合速率及氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)(P＜0.05)；水分利用效率與蒸騰速率呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01)。

由表2可知：白槍桿凈光合速率與葉黃素、樹高、根干質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量、葉面積呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與葉綠素b、總?cè)~綠素以及根鮮質(zhì)量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而與葉綠素a、胸徑的相關(guān)性不顯著。

圖5所示：主成分1和主成分2對凈光合速率的貢獻率分別為45.81%、23.20%。按箭頭夾角來看，氣孔導(dǎo)度、樹高、葉黃素與凈光合速率的夾角較小，說明它們是促進凈光合速率的主控因子；葉綠素b、生物量、總?cè)~綠素對凈光合速率的影響次之；胞間二氧化碳摩爾分數(shù)與凈光合速率的夾角為鈍角，呈負相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。

圖 4 不同叢枝菌根真菌處理下白槍桿葉片光合特征的日變化Figure 4 Daily changes of leaf photosynthetic characteristics of F. malacophylla under different arbuscular mycorrhizal fungi treatments

圖 5 不同叢枝菌根真菌處理下白槍桿凈光合速率與植物生長特征之間的關(guān)系Figure 5 Relationship between net photosynthetic rates and plant growth of F. malacophylla with different arbuscular mycorrhizal fungi treatments

3 討論

3.1 叢枝菌根真菌共生對白槍桿地上與地下生長的影響

本研究表明：叢枝菌根真菌接種均顯著提高了石漠化地區(qū)白槍桿樹高和胸徑的生長，顯著增加了根和葉生物量。這可能是叢枝菌根真菌的接種顯著提高了寄主根系的侵染率和菌絲密度，提高了根系吸收水分與養(yǎng)分的效率，進而促進了植物的地上與地下生長[12]。岳輝等[13]與袁麗環(huán)等[14]的研究結(jié)果也表明：叢枝菌根真菌能顯著促進紫穗槐Amorpha fruticosa、翅果油樹Elaeagnus mollis的生長。這是因為叢枝菌根真菌與寄主植物根系形成菌絲共生體后建立了互利共惠關(guān)系，宿主植物能夠為叢枝真菌生長提供所需的光合產(chǎn)物[15-16]，而叢枝菌根真菌通過其菌絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴大了植物根系的表面積，并改善石漠化土壤團聚體結(jié)構(gòu)，有利于植物根系從土壤中吸收水分及碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[17]，并為植物葉片與葉面積數(shù)量增長提供充足的養(yǎng)分供給，進一步通過增加光能接收場所來提高植物光合效率，從而促進植物地上(樹高、胸徑、葉生物量等)及地下(根系生物量)的生長。

不同叢枝菌根真菌對寄主植物的促生效應(yīng)存在一定差異。本研究中，摩西斗管囊霉的促生效果顯著高于幼套近明球囊霉、根內(nèi)根孢囊霉。王邵軍等[12]與馬仕林等[18]研究也表明：不同菌種因侵染能力不同而對植物的促生效應(yīng)不同。岳輝等[13]也報道摩西斗管囊霉對紫穗槐樹高和胸徑生長具有最大的促進作用，但何躍軍等[15]研究表明：摩西斗管囊霉對石漠化基質(zhì)上構(gòu)樹Broussonetia papyrifera生長的促進作用顯著低于其他2種叢枝菌根菌種。這可能是因為不同菌根真菌的侵染能力及宿主植物的反應(yīng)特異性存在一定差異，從而對寄主植物生長發(fā)育產(chǎn)生不同的調(diào)控效應(yīng)。

表 1 白槍桿光合特征參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation among photosynthetic characteristic parameters of F. malacophylla

3.2 叢枝菌根真菌共生對白槍桿葉片光合色素的影響

植物葉片色素能夠捕獲和轉(zhuǎn)換光能，決定著植物的光合效率。葉綠素a和葉綠素b是植物光合最直接的參與者，能調(diào)控植物光合能量的積累。葉黃素作為輔助色素，它形成的葉黃素循環(huán)和類胡蘿卜素的清除途徑可耗散過剩熱能，是植物重要的光保護機制[19]。本研究表明：接種叢枝菌根真菌對葉綠素a、葉綠素b、葉黃素及總?cè)~綠素的提高率達10%～60%，但低于孫佳琦等[20]對槲樹Quercus dentata接種真菌后的葉綠素a和總?cè)~綠素的提升效果(22%～93%)。然而，袁麗環(huán)等[14]接種叢枝菌根真菌對翅果油樹幼苗葉綠素b質(zhì)量分數(shù)的影響表現(xiàn)出負效應(yīng)?？梢?，不同叢枝菌根真菌共生對干旱脅迫生境中植物總?cè)~綠素與葉黃素質(zhì)量分數(shù)的提升率存在差異，這可能與石漠化生境理化狀況、樹種年齡以及菌種適應(yīng)能力密切相關(guān)[21]。

表 2 白槍桿光合參數(shù)與葉片色素、生長指標之間的關(guān)系Table 2 Correlation among photosynthetic parameters, leaf pigments and plant growth indices of F. malacophylla

叢枝菌根真菌共生能夠顯著促進退化生境寄主植物葉片光合色素質(zhì)量分數(shù)。主要是由于叢枝菌根真菌能夠提高光合色素合成過程中的水、蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)的循環(huán)效率，從而顯著增加葉綠素a和葉綠素b質(zhì)量分數(shù)。叢枝菌根真菌共生能夠提高葉片色素質(zhì)量分數(shù)，增強植物葉片對光譜中紅、藍光的捕捉能力，增加單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)量，提高葉片光系統(tǒng)線性電子傳遞速率、實際光化學(xué)效率以及光化學(xué)猝滅系數(shù)，進而提升寄主植物的光能利用率[22]。另外，叢枝菌根真菌共生促進葉黃素參與三大循環(huán)，間接地影響植物的光合作用[23]。因此，本研究中叢枝菌根真菌接種顯著提升了白槍桿葉片光合色素含量，有助于理解叢枝菌根真菌共生對寄主植物光合作用的影響機制。

3.3 叢枝菌根真菌共生對白槍桿光合特征的影響

叢枝菌根真菌共生通過刺激白槍桿的樹高和胸徑生長及根系生物量積累，促進植物的光合作用，這與趙華等[24]和王志剛等[25]的研究結(jié)果相似?？赡苁怯捎趨仓婢采軌蛟谥参锔蹬c土壤中形成菌絲橋，在根皮部形成叢枝結(jié)構(gòu)，有效地改善通氣通水條件，提高土壤養(yǎng)分的可利用性[26]，促進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與固碳循環(huán)，從而提高植物生長及光合效率。叢枝菌根真菌定殖還可引起根際分泌和周圍土壤微生物群落的變化，有利于某些細菌屬(如偶氮螺菌Azospirillum、假單胞菌Pseudomonas)的增長[27]，影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)效率，從而直接或間接促進植物的生長與光合作用。特別是植物高度與胸徑能夠影響植物對弱光的接受效率，所產(chǎn)生的聯(lián)動效應(yīng)[28]影響植物光合作用。

葉綠素是植物光合作用過程中最主要、最敏感的色素，其含量變化能夠調(diào)控光合作用的效率。本研究發(fā)現(xiàn)：接種摩西球囊霉菌、根內(nèi)球囊霉菌和幼套球囊霉菌顯著提高了白槍桿葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)和凈光合速率。崔令軍等[29]研究證實：接種叢枝菌根真菌對植物葉片光合色素質(zhì)量分數(shù)具有促進作用，并顯著提高了植物凈光合速率。可能是由于叢枝菌根真菌共生有利于光合作用葉綠素的內(nèi)囊體以及碳同化酶(如二磷酸核酮糖羧化酶)活性的合成[30]，從而增加光合色素質(zhì)量分數(shù)以及葉中的碳源，并直接提高了光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ?qū)t藍光的吸收效率，有利于植物將激發(fā)能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能，從而提高光合過程中的轉(zhuǎn)能效率及凈光合速率。

叢枝菌根真菌共生通過影響寄主植物光合熒光特征而提高植物光合速率。氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間二氧化碳摩爾分數(shù)、水分利用效率等是影響光合作用強弱的重要參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：接種叢枝菌根真菌后植物的光合作用增加，這主要取決于植物葉片氣孔通透性和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)及水分利用效率[31]。本研究中，接種叢枝菌根真菌后，增加了白槍桿葉片的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率，降低了葉片的胞間二氧化碳摩爾分數(shù)，從而提高了植物的凈光合速率，且葉片光合色素及生長指標呈正相關(guān)關(guān)系。這與宋會興等[32]對旱生境中三葉鬼針草Bidens pilosa接種叢枝菌根真菌后，氣孔導(dǎo)度顯著增加，胞間二氧化碳摩爾分數(shù)顯著降低，從而提高植物的凈光合速率的結(jié)果相似。這可能是因為叢枝菌根真菌共生能夠引起植物葉片氣孔導(dǎo)度的增大，使得外界環(huán)境中更多二氧化碳進入葉肉細胞，降低了胞間二氧化碳摩爾分數(shù)，這為葉片光合作用提供了充足的原料，加速了光反應(yīng)體系的效率，從而提高了植物的光合效率。

在石漠化地區(qū)，叢枝菌根真菌共生能夠有效地增加白槍桿葉片蒸騰速率和水分利用效率，從而提高植物光合速率。可能是由于叢枝菌根真菌改善植物水分代謝狀況與抗旱性，保障了凈光合作用的水分供給。鄭亞茹等[33]接種叢枝菌根菌根真菌對鹽脅迫下桑樹Morus alba光合特性的影響研究也表明：接種真菌處理下桑樹葉片蒸騰速率與凈光合速率呈顯著正相關(guān)，說明叢枝菌根真菌能夠解除非氣孔限制(蒸騰速率、水分利用效率)，從而提高凈光合速率。因此，石漠化生境脅迫條件下，叢枝菌根真菌共生能夠刺激植物地上與地下生長、色素合成及葉片熒光特征變化，進而調(diào)控植物的光合作用過程及效能。