鹽堿脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)羊草和虎尾草種間關(guān)系的影響

馬忠莉，張露丹，繆伊玲，張 勛，谷琳琳，田 雪，巴 雷

（東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024）

菌根是土壤真菌與高等植物根系形成的共生體，具有調(diào)節(jié)植物種間關(guān)系，維持植物群落組成、結(jié)構(gòu)和多樣性等重要的生態(tài)功能.陸地生態(tài)系統(tǒng)中，70%～80%的植物與菌根真菌共生［1－2］.叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AM真菌）通過與高等植物營(yíng)養(yǎng)根形成共生關(guān)系，獲得維持生存和生長(zhǎng)的能量物質(zhì)（主要是同化產(chǎn)物）；同時(shí)菌根真菌幫助植物宿主吸收土壤中的養(yǎng)分（尤其是移動(dòng)性弱的磷元素），增強(qiáng)對(duì)致病菌的抵抗力和提高植物對(duì)干旱、高溫、高鹽和重金屬等脅迫因子的耐受力［3－4］.近些年，越來越多的實(shí)驗(yàn)證明AM真菌可能是提高植物共存和群落物種多樣性的重要媒介之一，并且是影響植物競(jìng)爭(zhēng)、群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性的重要因素［5－6］.

隨著人們對(duì)AM真菌與植物共生關(guān)系認(rèn)識(shí)的深入，有關(guān)AM真菌對(duì)植物種間關(guān)系的調(diào)節(jié)作用也逐漸受到重視.Marler（1999）的溫室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管AM真菌對(duì)物種的直接效應(yīng)很弱，但是能夠間接影響矢車菊（Centaurea cyanus）和羊茅（Festuca idahoensis）間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度［7］.另外也有研究表明，AM真菌在沒有競(jìng)爭(zhēng)的條件下能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和生物量的積累；但是種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈時(shí)，AM真菌對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用可能消失或者轉(zhuǎn)化為其他的防御效應(yīng)［8－9］.此外，植物對(duì)AM真菌依賴程度的差異也會(huì)影響草地植物群落中植物的種間關(guān)系和物種的多樣性.在C3植物為優(yōu)勢(shì)種的實(shí)驗(yàn)群落中，AM真菌多樣性的增加能夠提高群落中植物的多樣性和物種的豐富度［10－11］.

王桂君（2005）對(duì)吉林省西部羊草草原20種典型植物群落的調(diào)查結(jié)果表明，大多數(shù)的植物能夠被AM真菌侵染，形成叢枝菌根，但是退化草地系統(tǒng)中AM真菌的生態(tài)功能目前尚不清楚［12］.結(jié)合松嫩草甸草原退化現(xiàn)狀，本研究以優(yōu)勢(shì)物種——羊草（Leymus chinensis）和亞優(yōu)勢(shì)物種——虎尾草（Chloris virgata）為研究對(duì)象，采用盆栽控制實(shí)驗(yàn)方法研究了鹽堿脅迫條件下，AM真菌對(duì)植物種間相互作用的影響.AM真菌與鹽堿脅迫交互作用對(duì)植物競(jìng)爭(zhēng)策略影響的研究，不僅能夠極大地豐富傳統(tǒng)的植物競(jìng)爭(zhēng)理論，而且能夠?yàn)槭軗p草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

羊草是一種根莖型中旱生禾本科植物，適應(yīng)性強(qiáng)，耐旱、耐寒、耐鹽堿，能在排水不良的輕度鹽化草甸土或蘇打鹽堿土上生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)繁殖旺盛，經(jīng)常形成單優(yōu)勢(shì)種群的羊草草甸［13］.虎尾草是一年生禾草，具有分蘗力強(qiáng)、種子產(chǎn)量高、耐貧瘠、耐鹽堿等生物生態(tài)學(xué)特性，在退化草地和鹽堿草甸廣泛分布［14］，是草甸草原優(yōu)勢(shì)種羊草的主要伴生種之一.本研究采用羊草與虎尾草的實(shí)生苗作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)種子采集于東北師范大學(xué)生態(tài)研究站天然草地上的羊草與虎尾草自然種群.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

本研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括3個(gè)實(shí)驗(yàn)因素：AM真菌、競(jìng)爭(zhēng)和鹽堿脅迫.AM真菌處理包括：去除AM真菌（－AMF，即接種經(jīng)高溫滅菌的植物根系和土壤）和添加AM真菌（＋AMF，即接種天然草地上采集的植物根系和土壤）.競(jìng)爭(zhēng)處理包括：羊草實(shí)驗(yàn)種群、羊草和虎尾草混生實(shí)驗(yàn)種群、虎尾草實(shí)驗(yàn)種群.鹽堿處理包括：沙土和鹽堿土.整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，包括12種處理，10次重復(fù)，共120盆.

供試土壤為河沙與農(nóng)田土、鹽堿土（pH＝9.0）混合配置的基質(zhì)，所有基質(zhì)在使用前121℃滅菌1h，隔夜后再重新滅菌1次，裝于直徑15cm、高25cm的塑料花盆中備用.沙土基質(zhì)包括750g河沙＋150g的農(nóng)田土；鹽堿土基質(zhì)包括750g河沙與鹽堿土（體積比為2∶1）＋150g農(nóng)田土.實(shí)驗(yàn)使用的AM真菌接種體包括天然草甸草原上采集的羊草和虎尾草的根系，以及羊草單優(yōu)群落中的土壤，放置在4℃冰箱中保鮮備用.

羊草和虎尾草種子首先在滅菌的河沙中萌發(fā)，待高度約為10cm時(shí)，將其按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)移栽至實(shí)驗(yàn)基質(zhì)中.移栽前將準(zhǔn)備的植物根系接種體（羊草與虎尾草根系各3g，土壤150g）放置于距土壤表面3cm處，便于實(shí)現(xiàn)與植物根系相接觸和AM真菌的侵染.去除AM真菌處理中，接種高溫滅菌的植物根系和土壤，滅菌處理方法與土壤基質(zhì)相同.單種群處理中每個(gè)花盆中的植物數(shù)量為4株；混合實(shí)驗(yàn)種群中羊草和虎尾草各2株.植物移栽后經(jīng)過一周的緩苗時(shí)間，然后放置在全光照條件的實(shí)驗(yàn)大棚中生長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)過程中每?jī)商爝M(jìn)行一次澆水，以保證植物正常生長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)中無AM真菌處理的實(shí)驗(yàn)組，每?jī)芍苡帽骄`（10g／L）透灌一次，并且對(duì)所有花盆進(jìn)行一次隨機(jī)排列，以減少環(huán)境異質(zhì)性的影響.

移栽80d后，測(cè)定羊草和虎尾草的株高、分蘗數(shù)、光合速率和呼吸速率，并采集植物樣品.將完整植株連同根系從盆中取出，洗凈，分離地上與地下部分.將部分新鮮植物根系（＜0.02g）固定于50%乙醇溶液中，用于測(cè)定AM真菌的侵染率.然后分株掃描植物葉片，并將植物地上和地下部分，于80℃烘干48h，稱重.此外，將植物樣品粉碎用于測(cè)定全氮、全磷含量.

1.3 測(cè)定方法

植物根內(nèi)AM真菌侵染率的測(cè)定采用改進(jìn)的墨水醋酸染色法［15］以及十字交叉法在實(shí)體顯微鏡下進(jìn)行，菌根侵染率＝交叉點(diǎn)上的菌根數(shù)／根段與方格線交叉點(diǎn)數(shù)×100%.植物枝條和根系中全氮含量利用全自動(dòng)凱氏定氮儀（Kjeltec2300）進(jìn)行測(cè)定；全磷含量是在H2SO4－HClO4消煮后，采用釩鉬黃比色法進(jìn)行測(cè)定（紫外分光光度計(jì)UV2201）.

采用Li－6400XTR便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)在生長(zhǎng)旺盛期（8月17日）測(cè)定羊草和虎尾草的光合速率和呼吸速率.測(cè)定后將植物葉片取下，采用掃描法測(cè)定植物的葉面積.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)（生物量、分蘗數(shù)、氮磷含量、葉面積、凈光合速率和呼吸速率）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.通過多因素方差分析法分析AM真菌、競(jìng)爭(zhēng)和鹽堿脅迫對(duì)以上參數(shù)的影響，并采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較分析.

2 結(jié)果分析

2.1 植物根系A(chǔ)M真菌侵染率的比較

土壤和根系經(jīng)高溫滅菌處理后，顯著降低了羊草和虎尾草根系A(chǔ)M真菌的侵染率（P＜0.05，見表1）；AM真菌接種條件下，羊草和虎尾草的侵染率分別為11.3%和19.1%.鹽堿和競(jìng)爭(zhēng)也顯著影響AM真菌對(duì)植物根系的侵染，與對(duì)照相比鹽堿脅迫提高了羊草和虎尾草AM真菌的侵染率；混種條件下虎尾草的AM真菌侵染率呈下降趨勢(shì)，而羊草的侵染率明顯提高.

表1 AM真菌對(duì)羊草和虎尾草根系的侵染率變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差） %

2.2 AM真菌對(duì)植物生物量的影響

競(jìng)爭(zhēng)和接種AM真菌顯著降低了羊草和虎尾草的生物量（P＜0.05，見圖1）.在單種和混種條件下，羊草的生物量分別為1.28g和0.26g，虎尾草的生物量分別為3.39g和2.65g.接種AM真菌顯著降低了單生羊草的生物量，而混種條件下AM真菌的作用不顯著（見圖1a），表明競(jìng)爭(zhēng)和AM真菌之間存在交互作用.虎尾草對(duì)AM真菌的反應(yīng)不受競(jìng)爭(zhēng)處理的影響，在單種和混種條件下，接種AM真菌均降低了虎尾草的生物量.此外，方差分析結(jié)果表明，土壤、AM真菌和競(jìng)爭(zhēng)三者的交互作用對(duì)羊草生物量的影響不顯著，但是對(duì)虎尾草生物量的影響顯著.在鹽堿處理中，AM真菌增加了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)虎尾草的抑制作用；而在沙土處理中，AM真菌降低了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)虎尾草的抑制作用（見圖1b）.

圖1 競(jìng)爭(zhēng)和AM真菌對(duì)羊草（a）和虎尾草（b）生物量的影響

2.3 AM真菌對(duì)植物分蘗能力的影響

競(jìng)爭(zhēng)顯著降低了羊草和虎尾草的分蘗數(shù)（P＜0.05，見圖2）.單種和混種條件下，單株羊草的分蘗數(shù)量分別為5個(gè)／株和2個(gè)／株，而單株虎尾草的分蘗數(shù)量分別為5個(gè)／株和4個(gè)／株.接種AM真菌降低了單生羊草的分蘗數(shù)，但在混種條件下AM真菌的作用不顯著（見圖2a）.此外，接種AM真菌顯著降低了虎尾草單株的分蘗數(shù)，在無AM真菌和有AM真菌的條件下，虎尾草單株的分蘗數(shù)量分別為6個(gè)／株和3個(gè)／株（見圖2b）.鹽堿條件下，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)羊草分蘗數(shù)量影響顯著；但虎尾草單株分蘗數(shù)量在沙土和鹽堿土處理間沒有顯著差異.

圖2 競(jìng)爭(zhēng)和AM真菌對(duì)羊草（a）和虎尾草（b）單株分蘗數(shù)量的影響

2.4 AM真菌對(duì)植物凈光合速率的影響

競(jìng)爭(zhēng)、AM真菌和兩者之間的交互作用顯著影響羊草的葉面積和凈光合速率（P＜0.05）.單生羊草的葉面積和凈光合速率分別為121.67cm2／株和11.77μmol／（m2·s），顯著高于混種條件下羊草的葉面積16.19cm2／株和凈光合速率7.28μmol／（m2·s）；無AM真菌條件下，羊草的葉面積和凈光合速率分別為85.51cm2／株和12.45μmol／（m2·s），顯著高于接種AM真菌條件下羊草的葉面積52.34cm2／株和凈光合速率6.61μmol／（m2·s）（見圖3a、圖4a）.單種時(shí)，接種AM真菌顯著降低了羊草的葉面積和凈光合速率，而在混種條件下AM真菌的作用不顯著.

鹽堿處理、AM真菌與鹽堿的交互作用顯著影響虎尾草的葉面積和凈光合速率（P＜0.05）.沙土中，虎尾草的葉面積和凈光合速率分別為72.36cm2／株和7.04μmol／（m2·s），顯著低于鹽堿土條件下虎尾草的葉面積100.68cm2／株和凈光合速率9.68μmol／（m2·s）（見圖3b、圖4b）.鹽堿土中，接種AM真菌顯著降低了虎尾草的葉面積和凈光合速率，而在沙土中，AM真菌的作用不顯著.

此外，方差分析結(jié)果表明，土壤、AM真菌和競(jìng)爭(zhēng)三者的交互作用對(duì)虎尾草凈光合速率的影響不顯著，但對(duì)羊草凈光合速率的影響顯著.鹽堿土中，接種AM真菌增加了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)羊草凈光合速率的抑制作用；而在沙土中，接種AM真菌降低了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)羊草凈光合速率的抑制作用.

圖3 競(jìng)爭(zhēng)和AM真菌對(duì)羊草（a）和虎尾草（b）單株葉面積的影響

圖4 競(jìng)爭(zhēng)和AM真菌對(duì)羊草（a）和虎尾草（b）凈光合速率的影響

3 結(jié)論與討論

AM真菌對(duì)植物適應(yīng)性和種間關(guān)系具有重要的調(diào)節(jié)作用.盡管羊草和虎尾草根系中AM真菌侵染率都較低，但是接種AM真菌顯著降低了羊草和虎尾草的生長(zhǎng)，這種作用對(duì)實(shí)驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)物種虎尾草的影響大于對(duì)羊草的影響.由此可見，AM真菌的存在有利于兩物種的共存.

大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中，AM真菌與高等植物常形成互惠的共生關(guān)系，事實(shí)上AM真菌與植物可以形成從“寄生—中性—共生”的一個(gè)連續(xù)體的關(guān)系.本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰的表明，接種AM真菌不利于羊草和虎尾草的生長(zhǎng)，即AM真菌與兩種植物共生會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng).已有的實(shí)驗(yàn)研究表明，AM真菌能夠與宿主植物形成共生關(guān)系，促進(jìn)其對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和植物的生長(zhǎng)，降低鹽脅迫傷害［16］.本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫條件下，雖然羊草和虎尾草根系中AM真菌的侵染率增加，但是卻降低了宿主植物的生物量、分蘗數(shù)、葉面積和凈光合速率等指標(biāo).環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)脅迫可能是導(dǎo)致AM真菌作用變化的主要原因.當(dāng)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)條件貧瘠或者存在鹽堿脅迫因素時(shí)，AM真菌可以通過增加對(duì)宿主的侵染，增強(qiáng)與宿主植物的關(guān)系，進(jìn)而從宿主植物獲取更多的、能夠提高自身耐受性的碳水化合物；相反，宿主植物作為碳“源”不僅要為AM真菌的生長(zhǎng)提供充足的有機(jī)物和能量，同時(shí)為應(yīng)對(duì)外界不良環(huán)境，也要付出一定的“成本”［17－18］.因此，宿主植物的碳水化合物會(huì)以“源”形式向AM真菌這個(gè)“匯”輸出.環(huán)境脅迫導(dǎo)致AM真菌不僅不能集中有效地向植株提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，還可能加劇營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境脅迫對(duì)植物的影響，并主動(dòng)向植物索取有機(jī)物和能量，最終影響宿主植物的光合作用，導(dǎo)致其生長(zhǎng)緩慢.

菌根與宿主植物共生關(guān)系通常不存在特異性.已有的實(shí)驗(yàn)表明，植物的光合途徑能夠影響AM真菌－植物關(guān)系，進(jìn)而影響植物的競(jìng)爭(zhēng)作用和群落結(jié)構(gòu).Hartnett（1999，2002）等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用苯菌靈抑制土壤菌根真菌時(shí)，優(yōu)勢(shì)的C4功能群植物的生物量降低，而亞優(yōu)勢(shì)C3功能群植物的生物量增加，群落物種組成比例發(fā)生變化，但是群落地上總生產(chǎn)力沒有發(fā)生變化，亞優(yōu)勢(shì)功能群植物通過種間競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì)群落優(yōu)勢(shì)種的變化存在補(bǔ)償作用［19－20］.本實(shí)驗(yàn)中，虎尾草（C4植物）因具有高的光合效率而成為混合實(shí)驗(yàn)種群的優(yōu)勢(shì)種；而羊草（C3植物）因?yàn)槭艿礁?jìng)爭(zhēng)和光合能力的限制，成為混合實(shí)驗(yàn)種群的劣勢(shì)種.此外，羊草的生長(zhǎng)主要受種間競(jìng)爭(zhēng)影響，而虎尾草主要受AM真菌和土壤類型的影響.羊草為C3植物，低的凈光合效率導(dǎo)致種間競(jìng)爭(zhēng)力較弱，因此，混生條件下生長(zhǎng)受到顯著影響；而C4植物的虎尾草具有較強(qiáng)的光合能力，即使在鹽堿條件下，也能夠與AM真菌形成密切的共生關(guān)系，從而緩解鹽堿脅迫帶來的負(fù)影響.由此可見，明確植物對(duì)AM真菌的依賴程度和不同AM真菌的生態(tài)作用是揭示其在生態(tài)系統(tǒng)中功能的重要前提.本研究表明，在鹽堿脅迫條件下，AM真菌能夠顯著地影響羊草與虎尾草（C3植物與C4植物）之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而利于兩物種的共存.植物種間競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是一種資源限制的相互作用，AM真菌的存在可以實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)在不同物種間的再配置，從而影響植物種間關(guān)系.AM真菌作為生物因素在調(diào)節(jié)植物種間關(guān)系和促進(jìn)物種共存方面具有重要的生態(tài)系統(tǒng)功能.有關(guān)AM真菌的生態(tài)功能的研究能夠?yàn)檫M(jìn)一步深入探討植物競(jìng)爭(zhēng)理論，維持生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，以及受損草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供重要的信息和治理途徑.

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