叢枝菌根真菌對紫花苜蓿生長發(fā)育特性的影響

瞿宋林， 吳一凡， 劉忠寬， 王國良， 陳妍靜， 戎郁萍*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學草業(yè)科學與技術(shù)學院， 北京 100193； 2.河北省農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所， 河北 石家莊 050057； 3.山東省農(nóng)業(yè)科學院休閑農(nóng)業(yè)研究所， 山東 濟南 250023)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是一種優(yōu)質(zhì)豆科牧草，具有蛋白質(zhì)含量高、營養(yǎng)豐富、適口性好、生物固氮能力強以及適應(yīng)范圍廣的特點，被譽為“牧草之王”。紫花苜蓿在我國栽培歷史悠久，形成了‘肇東’、‘敖漢’、‘隴東’、‘新疆大葉’等多個優(yōu)良的地方品種，并已培育出眾多具有不同抗逆性的新品種，如中苜、龍牧、公農(nóng)和甘農(nóng)等多個系列，這些育成品種適宜我國不同地區(qū)地理氣候條件，已在多地推廣種植。苜蓿除了可以作為優(yōu)質(zhì)飼料，同時因其較強的再生能力與發(fā)達的根系，有助于促進水土保持與土壤改良，也常應(yīng)用于生態(tài)修復領(lǐng)域。叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza fungi，AM)真菌是土壤微生物中重要的一類能與植物根系形成菌根共生關(guān)系的真菌，具有促進植物生長發(fā)育的功能。AM真菌可以利用菌絲網(wǎng)絡(luò)擴大植物根系與土壤的接觸面積，促進植物吸收水分和土壤養(yǎng)分的能力；另一方面AM真菌與植物形成共生體后還可有效改良土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，對于生態(tài)修復有著重要作用[1-2]。鑒于紫花苜蓿和AM真菌兩者的特點與作用，研究AM真菌對紫花苜蓿在植物生長發(fā)育和植物抗逆性以及改良土壤等方面的作用，具有重要的生態(tài)和農(nóng)業(yè)意義。

1 AM真菌概述

AM真菌是常見的土壤微生物之一，在自然界中分布極廣，遍布各生態(tài)系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)已被鑒定出的AM真菌隸屬于球囊菌門(Glomeromycotina)球囊菌綱(Glomeromycetes)的球囊霉目(Glomerales)、多孢囊霉目(Diversisporales)、類球囊霉目(Paraglomerales)和原囊霉目(Archaeosporales)中的12個科的36個屬[4]。除了藜科、莎草科、石竹科等少數(shù)科屬植物難以形成菌根[5]外，AM真菌能與世界上約90%的植物形成菌根[6]。菌根共生體可以通過其構(gòu)建的叢枝結(jié)構(gòu)，與植物進行雙向營養(yǎng)交換，改善植物營養(yǎng)狀況；形成向外的菌絲網(wǎng)絡(luò)還能擴大根系與土壤接觸面積，促進植物生長發(fā)育與物質(zhì)吸收能力[7-9]。同時，馮海燕等[10]研究發(fā)現(xiàn)AM真菌的生長和代謝活性受到宿主植物的營養(yǎng)狀況的調(diào)控。AM真菌作為一種優(yōu)異的共生組合在農(nóng)林植物生產(chǎn)與生態(tài)修復保護中具有極高的未來應(yīng)用前景和生產(chǎn)開發(fā)前景。首先，AM真菌能有效地促進植物對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收。馬放等[11]通過對小麥(TriticumaestivumL)接種AM真菌，發(fā)現(xiàn)AM真菌可以改善小麥的株高性狀和提高單位面積的生物量，同時還能加強小麥對土壤中N元素的吸收利用。劉慧等[12]研究表明，對羊草接種摩西球囊霉(Glomusmosseae)和幼套球囊霉(Glomusetunicatum)兩種AM真菌，對提升羊草分蘗數(shù)、地上生物量和總生物量具有極顯著作用。劉云龍等[13]研究表明，無論是盆栽還是大田環(huán)境下，利用AM真菌侵染大豆，可以顯著提升大豆地上部N，P元素含量以及對這兩種元素的吸收量，說明大豆接種AM真菌可以加強固氮能力和對P元素的吸收利用。趙青華等[14]研究表明在一定的施N水平下，接種AM真菌可以增加茶葉中N，P，K，Ca，Mg等元素的含量，且AM真菌處理還能改善茶葉品質(zhì)，顯著提高茶葉中的茶多酚、咖啡堿、蛋白質(zhì)含量。另一方面，AM真菌能提升植物的抗逆能力。AM真菌能加強宿主植物抗逆性的效果與菌根的強大吸收能力有關(guān)，菌根菌絲對礦質(zhì)養(yǎng)分和水分的吸收，可以改變植物體內(nèi)離子平衡，削弱逆境對細胞膜的損傷，減弱生理性干旱的影響[15]。范繼紅等[16]研究表明，接種AM真菌可以顯著增加甘草的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，顯著提高甘草的抗逆性。王立等[17]通過盆栽實驗發(fā)現(xiàn)摩西球囊霉能與小麥形成菌根共生體系，增強小麥抗病能力，顯著降低根腐病的發(fā)病概率、發(fā)病指數(shù)和病情。AM真菌對紫花苜蓿生長發(fā)育的影響大致可以分為兩個方面，即對紫花苜蓿的直接影響和通過影響土壤性能對紫花苜蓿的間接影響(圖1)。

2 AM真菌對苜蓿生長發(fā)育的促進作用

2.1 AM真菌促進苜蓿的生長發(fā)育

作物幼苗的強弱對生長發(fā)育和成熟后的產(chǎn)量與品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。許多試驗都表明在紫花苜蓿苗期接種AM真菌可以培育出高抗逆性、高品質(zhì)的苜蓿幼苗。

張海娟等[18]在6種禾本科牧草播種時接種AM真菌，顯著提高了生物量與根系活性等指標。王棟等[19]通過土培試驗研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌處理后的紫花苜蓿幼苗不僅在植物各組織中N，P元素含量顯著提高，還表現(xiàn)出更強的根系活力、更高的葉綠素含量以及更豐富的生理特性。AM真菌侵染可有效提高植物的光合能力[20]和鹽脅迫下的氣孔導度。有研究表明，在鹽脅迫下用AM真菌栽培紫花苜?？梢源龠M其生物量積累和養(yǎng)分吸收，增加其地下部生長，促進了如P，K等中微量養(yǎng)分元素的積累。此外，AM真菌增加了鹽脅迫下紫花苜蓿葉片的PSⅡ和PSⅠ活性，增加了PSⅡ供體和受體側(cè)的電子傳遞能力。AM真菌不僅使紫花苜蓿在鹽脅迫下具有較高的氣孔導度，而且顯著提高了其利用CO2的能力[21]。AM真菌對于處于水分脅迫、鹽堿脅迫、重金屬污染等逆境下的植株也具備相同的促進效果。邢易梅等[22]研究表明單接種或雙接種摩西球囊霉和根瘤菌均能提高紫花苜蓿的滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化能力，降低細胞膜損傷。Li等[23]通過在中國東北溫帶草甸進行原位排除降雨試驗，發(fā)現(xiàn)AM真菌顯著降低了干旱對植物生長的負面影響，如提高植物光合速率等。水分脅迫會影響植株內(nèi)的水分含量，抑制光合作用等生理活動。于萌等[24]研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌有助于紫花苜蓿在干旱條件下提升抗旱能力，增加植株中的脯氨酸含量，緩解細胞膜損傷，同時還顯著提高了紫花苜蓿的地上部與根系的干重。鹽堿脅迫是限制紫花苜蓿生產(chǎn)的主要限制因素之一，但在鹽堿脅迫環(huán)境下接種AM真菌可以減少鹽分對苜蓿的有害影響，AM真菌可以通過維持較高葉片水勢、減少MDA含量、誘導可溶性糖和抗氧化酶積累作為緩解鹽分損害的措施，并通過提高PSⅡ的效率提高植物生產(chǎn)力[25]。

2.2 AM真菌促進紫花苜蓿對營養(yǎng)元素的吸收

N，P，K三種元素是植物生理生化重要的結(jié)構(gòu)組分，對于植物生長、發(fā)育和繁殖有著重要的作用[26]。韓顏隆等[27]研究表明，對四個品種紫花苜蓿，施氮能提高各品種農(nóng)藝性狀和品質(zhì)。范富等[28]研究表明施N有利于增加紫花苜蓿中粗蛋白、粗脂肪、粗灰分的含量；施P會增加粗灰分和粗蛋白含量，但會降低粗纖維含量；適量施K可以提升無氮浸出物的含量。簡而言之，營養(yǎng)元素對于紫花苜蓿的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)有著重要影響。

不同的AM真菌與植物組合會產(chǎn)生不一樣的效果，這既受AM真菌種類的影響，也取決于宿主植物自身的形態(tài)特征和功能[29]。紫花苜蓿作為直根系植物具有主根和大量側(cè)根，對菌根有較強的依賴性，常被作為研究菌根的模式植物。

菌根共生體能夠改善宿主植物的營養(yǎng)狀況，促進植株對土壤中各種礦質(zhì)元素的吸收，因此接種AM真菌能加強紫花苜蓿對于土壤養(yǎng)分的吸收利用。胡振琪等[30]通過盆栽實驗對紫花苜蓿接種AM真菌，發(fā)現(xiàn)AM真菌接種處理能提高紫花苜蓿N，P，K含量和地下部的氮吸收量。劉憶等[31]通過微區(qū)試驗對紫花苜蓿接種AM真菌，研究發(fā)現(xiàn)菌根外延菌絲廣泛伸入土壤，擴大了養(yǎng)分吸收空間；AM真菌所分泌的氫離子和有機酸提高了土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的生物有效性；AM真菌釋放的纖維素酶、蛋白酶和磷酸酶，可促進有機質(zhì)礦化。

紫花苜蓿對于磷肥較為敏感，磷元素已經(jīng)成為制約其生產(chǎn)的重要營養(yǎng)元素之一[32]。而AM真菌共生最顯著的優(yōu)點是增強植物對磷元素的獲取吸收[33]。植物通常以磷酸鹽(Pi)的形式吸收磷，在田間環(huán)境中植物吸收的大部分Pi可以通過菌根途徑獲得，但磷獲取效率一般只有15%左右[34]。AM真菌的菌絲可以幫助紫花苜蓿擴大對磷元素的獲取范圍，并且菌根相較于植物根系能夠存儲更多的磷，從而使紫花苜蓿在生長過程中獲得充足的磷素供應(yīng)。Zaefarian等[35]通過盆栽實驗研究發(fā)現(xiàn)不同種AM真菌對紫花苜蓿的P的吸收和轉(zhuǎn)運能力影響存在差異，但都提升了紫花苜蓿對P，N養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運效率。任愛天等[29]對不同磷水平下紫花苜蓿接種AM真菌也得到了相似結(jié)果。

除了N，P，K外，AM真菌對其他元素吸收也有影響。R Azcón等[36]研究表明，AM真菌可以顯著抑制鈣質(zhì)土壤中紫花苜蓿對鈣元素的過度吸收并且接種AM真菌處理降低了土壤中的Ca∶P比值。黃晶等[37]試驗發(fā)現(xiàn)在Cd，Zn污染土壤條件下AM真菌仍能侵染紫花苜蓿，并促進植株對兩種污染源的吸收積累，不同AM真菌對植株吸收積累污染源草促進幅度不同。

2.3 AM真菌提高苜?？共∠x的能力

由土傳病原物侵染引起的土傳病害是最難防治的病害之一，而AM真菌對由真菌、線蟲、細菌等病原體引起的土傳性植物病害有拮抗作用，誘導宿主植物增強對病蟲害的耐、抗病性[38]。AM真菌侵染植物提升其抗病能力的作用機制大致可以分為三類：一是增強寄主植物的系統(tǒng)免疫力，二是改變病原體生存環(huán)境以降低其活動范圍，三是協(xié)同其他因素來改善植株或環(huán)境，從而提高寄主植物抗病性[39]。Li等[40]通過對由苜蓿疫霉菌感染引起的苜蓿葉斑病研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌能夠顯著抑制苜蓿葉斑病發(fā)病率和疾病指數(shù)，同時還誘導防御途徑的活性，從而減輕苜蓿疫霉菌對苜蓿的影響。王曉瑜等[41]通過研究接種AM真菌(摩西管柄囊霉)和苜蓿中華根瘤菌對紫花苜蓿萎蔫和根腐病的影響，發(fā)現(xiàn)兩者共同接種可以形成互作效應(yīng)促進苜蓿形成根瘤、改善植株品質(zhì)和顯著降低萎蔫和根腐病發(fā)病率。菌根化植株根系的變化還體現(xiàn)在誘導細胞壁產(chǎn)生富含羥基脯氨酸糖蛋白(Hydroxyproline-rich glycoprotein,HRGP)。HRGP是植物細胞壁上的糖蛋白質(zhì)線性復合分子，可以提高宿主植物細胞壁的強度，從而阻止病原體侵入植物細胞。該研究還表明AM真菌和根瘤菌共同接種可以促進苜蓿生長，顯著提高苜蓿生物量。然而有研究結(jié)果與此相反，Gao等[42]通過研究AM真菌和根瘤菌對苜蓿根腐病的聯(lián)合作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AM真菌誘導的苜蓿顯著生長與根瘤菌接種無關(guān)。豌豆蚜爆發(fā)性強、危害大，是危害紫花苜蓿生長的主要害蟲[43]。李應(yīng)德等[44]研究表明，AM真菌通過提高植物抗氧化酶活性和植物激素信號物質(zhì)含量來響應(yīng)蚜蟲取食脅迫，從而抑制豌豆蚜對苜蓿取食導致的負效應(yīng)。綜上所述，接種AM真菌可以減少紫花苜蓿病蟲害的發(fā)生。

3 AM真菌改良種植紫花苜蓿土壤的性能

植物修復是一種潛力巨大的環(huán)境保護技術(shù)，利用微生物菌株強化植物修復能力是改善土壤重金屬污染的主要策略之一[45]。Meglouli等[46]研究表明，接種AM真菌的紫花苜蓿和高羊茅可以增強土壤二噁英的消散。植物修復技術(shù)在金屬污染鹽漬土壤中往往會因為重金屬和鹽分脅迫而受到限制，較高濃度的重金屬會抑制植物生長[47]，而利用促進植物生長的微生物與宿主植物結(jié)合可解決此類問題。AM真菌可以增強植物對各種環(huán)境脅迫如干旱、鹽堿和極端溫度的抗性，從而改善其生長狀況和產(chǎn)量品質(zhì)。張延旭等[48]通過研究煤礦沉陷復墾區(qū)接種AM真菌處理的紫花苜蓿，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，接種菌根利于生態(tài)修復，不僅有助于苜蓿生長還顯著改善根際土壤質(zhì)量、土壤含水量和土壤中相關(guān)生理生化指標。此外有研究表明[49]，在采煤塌陷區(qū)土壤中接種AM真菌，能夠影響土壤氮循環(huán)，顯著提高土壤養(yǎng)分含量(土壤全氮、溶解有機氮和硝態(tài)氮)和土壤酶活性(土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶和堿性磷酸酶活性)。

AM真菌還能提高污染土壤中微生物多樣性，促進土壤植被的恢復。王海娟等[50]研究表明，AM真菌菌劑與肥料混合使用能顯著改善露天煤礦復墾區(qū)紫花苜蓿的生長狀況，提高土壤肥力和土壤微生物數(shù)量。這一變化可能與接種AM真菌能夠增加土壤腐生性營養(yǎng)真菌或抑制其他真菌和細菌的數(shù)量有關(guān)[51]。

與未接種AM真菌的土壤相比，接種AM真菌能夠改良土壤的物理性質(zhì)，如土壤含水量、孔隙度、通透性等，從而促進植物生長發(fā)育。有研究表明，AM真菌不僅可以有效提高壓實土壤的含水量與土壤孔隙度，增加土層粘聚力與滲透能力[52-53]，還有助于基質(zhì)中堿解氮含量的提升[54]。

AM真菌改良土壤通透性和持水能力主要與其本身菌絲分泌的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Glomalin-related soil protein,GRSP)存在關(guān)聯(lián)，土壤容重會隨著土壤中GRSP含量的上升而呈現(xiàn)顯著下降趨勢[55]。球囊霉素相關(guān)GRSP是土壤團聚體穩(wěn)定物質(zhì)之一，對于提升團聚體穩(wěn)定性和提高土壤碳存儲具有重要作用[56]。Stefano Bedini等[57]通過對苜蓿接種不同的AM真菌，結(jié)果表明菌根植物土壤的團聚體穩(wěn)定性和GRSP含量顯著高于非菌根土壤，說明AM真菌有利于改善土壤肥力和土地恢復。

4 展望

AM真菌促進紫花苜蓿生長發(fā)育、提升抗逆性的效果受到AM真菌、紫花苜蓿以及外界環(huán)境三者之間相互作用的影響。其中，環(huán)境條件對前兩者的影響顯著。在營養(yǎng)成分較少的基質(zhì)中，接種AM真菌不僅能夠促進紫花苜蓿生長，還可提高其在逆境下的耐受性以及抗病蟲能力。相比于單獨接種，AM真菌與其他內(nèi)生真菌混合接種可能是一種更有效的處理模式。目前，關(guān)于單一AM真菌對同科牧草的不同影響、AM真菌接種方法和適應(yīng)范圍等方面研究還比較少；此外，AM真菌通過基因調(diào)控影響紫花苜蓿的抗病機制仍有待探索，例如AM真菌最先誘導哪個信號物質(zhì)?基因的改變受哪個/些信號物質(zhì)誘導產(chǎn)生?定位、篩選出AM真菌誘導表達的相關(guān)抗性基因,探究其產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、功能及誘導表達機制。目前國內(nèi)外已經(jīng)篩選出多種抗病AM真菌，但生產(chǎn)中大多為直接使用菌株或菌劑應(yīng)用于紫花苜蓿病害防治，因此其活性有效期及效果穩(wěn)定性難以保證[58]。紫花苜蓿生長不僅受到地下部的生物脅迫，還面臨地上部的生物脅迫。Pozo M J等[59]研究表明接種AM真菌能夠抑制地上有害生物對植物的脅迫影響，但具體影響機制仍有待系統(tǒng)性的研究。綜合國際上對于AM真菌在牧草生產(chǎn)中的研究動態(tài)，未來研究方向應(yīng)向以下幾點集中：(1)篩選出AM真菌-植物共生體系的最佳組合并制定相匹配的管理措施，以促進AM真菌的發(fā)揮效能和應(yīng)用效果。(2)研究新型AM真菌接種方式，提高其在苜蓿實際生產(chǎn)中的使用便利性。(3)深入AM真菌防治病蟲害方向的研究。(4)進一步深入研究AM真菌紫花苜蓿共生的抗病機制。未來研究中應(yīng)利用同位素標記、分子生物學、激光共聚焦掃描顯微等技術(shù)和基因工程手段深入研究AM真菌對各種信號途徑的影響及各信號物質(zhì)之間的相關(guān)性[60]。(5)進一步探究AM真菌對紫花苜蓿地上部分的生物防治作用，明確紫花苜蓿地上部-病原體-AM真菌之間的種間協(xié)同競爭關(guān)系。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展迅速和加工工藝的更新?lián)Q代，國際上已有公司可大規(guī)模生產(chǎn)AM真菌菌劑[50]。AM真菌作為一種低污染高效益的生物質(zhì)肥料，可能在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)化肥與農(nóng)藥的使用，還具備改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的功能，符合當今世界所推崇的環(huán)保理念。當前我國草業(yè)與畜牧業(yè)蓬勃發(fā)展，包括紫花苜蓿在內(nèi)的牧草需求量逐年上升，因此綠色安全的AM真菌技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>