摩西球囊霉促進(jìn)花生光合作用的機(jī)制

胡彥江++楊德翠

摘要：以摩西球囊霉（Funneliformis mosseae）侵染的花生植株為研究材料，測定了在苗期、花期、結(jié)莢期和飽果期4個不同時期花生葉片熒光動力學(xué)的變化，從而探索摩西球囊霉促進(jìn)花生光合作用的機(jī)制。結(jié)果表明：與非菌根對照相比，菌根花生地上部干質(zhì)量、開花數(shù)、果莢數(shù)、果莢質(zhì)量均顯著或極顯著增加，葉綠素含量、凈光合速率Pn增加；基于光吸收的性能指數(shù)PI與實際光化學(xué)效率ΦPSⅡ均明顯升高；菌根與非菌根間的熒光差值ΔVt曲線變化最大處在30 ms 附近，Ⅰ相降低，而光系統(tǒng)線性電子傳遞速率ETR與電子傳遞的量子產(chǎn)額ΦEo升高，單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)量RC/CSo增加，光化學(xué)猝滅系數(shù)qP升高；PSⅠ的活性（ΔI/Io）明顯升高。摩西球囊霉侵染增強(qiáng)了花生葉片PSⅠ和PSⅡ的活性，促進(jìn)了電子的傳遞，增強(qiáng)了對光能的利用，從而提高了花生生長量和產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：花生；摩西球囊霉（Funneliformis mosseae）；葉綠素?zé)晒?；光系統(tǒng)Ⅰ；光系統(tǒng)Ⅱ

中圖分類號： S565.201文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0145-04

叢枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）是植物根系與某些種類的真菌形成的互惠共生，70%以上的陸生植物能夠形成這種共生體[1]。AM真菌不僅能改善植物營養(yǎng)、生長狀況[2]，還能提高植物的抗逆性[3-5]。光合作用是高等植物合成有機(jī)物和獲得能量的基礎(chǔ)，葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的最主要色素，是植物光合作用時捕獲光能的重要物質(zhì)。AM真菌能夠通過提高葉綠素含量，改善葉片葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔肹3，5-6]。玉米在高溫或低溫脅迫下對植株造成的傷害可通過接種AM真菌提高葉綠素含量及光合作用來減輕[3，6]。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是近年來應(yīng)用于光合作用機(jī)理研究的新技術(shù)[7]，是研究光合器官的無損傷探針，通過熒光參數(shù)和熒光動力學(xué)曲線的變化量化分析光系統(tǒng)的性能。趙昕等報道，接種AM真菌能有效提高喜樹幼苗葉片的最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm），提高光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），有效降低非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）[8]；不同AM真菌對喜樹幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響不同。

花生產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，2013年我國花生種植面積471萬hm2[9]。目前，我國花生栽培和其他作物栽培中遇到的同樣問題之一，是由于長期重施化肥，導(dǎo)致土壤板結(jié)、貧瘠、微生物活性降低。因此，如何利用有限的土壤資源，最大限度地提高作物產(chǎn)量，實現(xiàn)資源的可持續(xù)性發(fā)展顯得尤為重要。研究表明，AM真菌能夠促進(jìn)花生生長，提高其產(chǎn)量，特別是在營養(yǎng)貧瘠土壤中效果尤為顯著[10-12]。本研究發(fā)現(xiàn)，AM真菌侵染花生后，產(chǎn)量和光合速率均有提高，那么提高光合作用的機(jī)制是什么呢？AM真菌侵染對光合機(jī)構(gòu)又有怎樣的影響？

本研究旨在通過熒光動力學(xué)技術(shù)研究AM真菌促進(jìn)花生光合作用的機(jī)制，為AM真菌在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供理論支持，為花生的高產(chǎn)栽培提供指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供AM真菌摩西球囊霉[Funneliformis mosseae （Nicoll. & Gerd.） Gerd. & Trappe]，分離自山東省花生研究所萊西花生試驗田花生根際土。接種前進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)：將園土和河沙按1 ∶1體積比混合，121 ℃、0.1 MPa蒸汽滅菌2 h，放置1周后裝入花盆（23 cm×20 cm），每盆先裝2 000 g培養(yǎng)土、50 g AM真菌菌劑，上面撒三葉草種子，最后用1 cm厚滅菌河沙覆蓋。每周澆1次Hoagland營養(yǎng)液，其他均按常規(guī)管理。播種3個月后，用土壤鉆隨機(jī)挖取三葉草根系，剪成 1 cm 長根段，用Phillips & Hayman染色方法[13]對根段染色，檢查菌根形成情況。待形成泡囊、叢枝及孢子時，剪去三葉草地上部，將盆土及剪碎的根系混合均勻，裝入布袋，保存在陰涼、干燥的地方。

1.1.2供試植物供試花生品種為花育22號，是目前山東省主栽品種之一，由植物病理生理研究室提供。

1.1.3接種及管理栽培基質(zhì)由園土和河沙按2 ∶1體積比混合，高壓蒸汽滅菌2 h后混合均勻，每個花盆（23 cm×20 cm）裝入2 000 g?；ㄉシN時先將50 g摩西球囊霉菌劑平鋪于滅菌栽培基質(zhì)上，然后撒花生種子，用厚度為1 cm的栽培基質(zhì)覆蓋。待種子發(fā)芽出土后露天放置，并定苗至每盆4株。對照不接AM菌劑。每個處理9盆，每3盆1個重復(fù)，不同處理間隨機(jī)放置。每周澆1次Hoagland營養(yǎng)液，其他按常規(guī)管理。

1.2花生菌根侵染率測定

播種后1個月，用土壤鉆隨機(jī)挖取花生根樣，流水輕輕洗掉黏附在根部的沙土，剪成1 cm長根段，用Phillips等的方法[13]對根進(jìn)行染色。菌根侵染率測定參考劉潤進(jìn)等的方法[2]。

1.3花生生長量的測定

待花生生長至開花下針期時測量株高，統(tǒng)計開花數(shù)；收獲后將花生地上、地下部分分開，在80 ℃烘箱烘至恒質(zhì)量后稱其干質(zhì)量。

1.4花生葉片氣體交換參數(shù)的測定

使用便攜式光合儀CIRAS-1（英國，PP-Systems公司），分別在花生生長的苗期、花期、結(jié)莢期、飽果期，取花生的功能葉測定氣體交換參數(shù)。以儀器自帶二極管提供光源，設(shè)置光照度1 200 μmol/（m2·s），溫度25 ℃，相對濕度45%，CO2為大氣濃度。09：00至11：00測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci），重復(fù)6次。

1.5花生葉片葉綠素含量的測定

花生葉綠素含量測定參考Arnon的方法[14]。稱取花生功能葉片0.1 g，置于10 mL 80%丙酮中暗處浸提48 h后，用U-2900分光光度計（日立、日本）分別測定663、645 nm處的吸光度，計算總?cè)~綠素含量，重復(fù)3次。

1.6花生葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

Fo、Fm、Fm′、Fs 等熒光參數(shù)用FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀（Hansatech，英國）測定。在生長不同時期取花生功能葉，將葉片暗適應(yīng)30 min后，測定最大熒光Fm及PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm。光適應(yīng)下PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率按ФPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′計算；電子傳遞速率ETR=PFD×0.84×0.5，PFD為測定時的照度；光適應(yīng)下熒光參數(shù)Fm′和Fs的測定參考陳大印等的方法[15]。

1.7花生葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線測定以及PSⅠ活性的測定

花生葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線（OJIP曲線）測定參考Schansker等方法[16]，利用M-PEA（Hansatech，英國）測定光吸收曲線表示PSⅡ活性的變化，利用820 nm光吸收相對差值（ΔI/Io）表示PSⅠ活性變化。在花生苗期、花期、結(jié)莢期、飽果期，測定菌根花生和非菌根花生功能葉葉綠素?zé)晒狻Ｓ冒颠m應(yīng)夾夾住葉片暗適應(yīng)20 min，再用M-PEA進(jìn)行測定，測定方法參照楊德翠等的方法[17]，參數(shù)計算公式參考Strasser等的方法[18-20]。

1.8數(shù)據(jù)處理

用SAS 8.1數(shù)據(jù)分析軟件對各處理間的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1花生根系摩西球囊霉侵染率

花生菌根侵染率為70%，根內(nèi)形成叢枝、泡囊結(jié)構(gòu)，根外外延菌絲發(fā)達(dá)。未接種AM菌劑的花生根部未觀察到叢枝、泡囊、根內(nèi)和根外外延菌絲。這說明菌根菌與花生根系已建立了良好的共生關(guān)系。

2.2摩西球囊霉對花生生長量和產(chǎn)量的影響

從表1看出，在測定時間內(nèi)，菌根花生株高、地下部干質(zhì)量與非菌根花生相比無顯著差異，但地上部干質(zhì)量、開花數(shù)、果莢數(shù)或果莢質(zhì)量與非菌根相比有顯著或極顯著的差異。菌根花生地上部干質(zhì)量、開花數(shù)、果莢數(shù)、果莢質(zhì)量分別比非菌根花生分別增長了100%、33%、60%、37%。

2.3 摩西球囊霉對花生葉片凈光合速率（Pn）和葉綠素含量的影響

花生凈光合速率和葉綠素含量如圖1所示，在不同測定時期，凈光合速率和葉綠素含量曲線均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，高峰值均在花期，且二者在菌根花生葉片中高于非菌根花生葉片。

這說明AM真菌侵染增加了花生葉片葉綠素含量，從而促進(jìn)了花生的光合作用。

2.4摩西球囊霉對花生PSⅡ活性的影響

2.4.1摩西球囊霉對花生葉片熒光動力學(xué)曲線（OJIP）的影響菌根花生與非菌根花生OJIP曲線的熒光差值ΔVt 曲線變化如圖2所示。Ⅰ相反應(yīng)了PQ庫的異質(zhì)性，即快還原型PQ庫和慢還原型PQ庫的大小。二者最大差值出現(xiàn)在約30 ms 處，說明AM真菌侵染最大程度地影響了曲線上I點的變化。Ⅰ相降低，說明AM真菌侵染加快了電子傳遞速度。

2.4.2摩西球囊霉對花生葉片PI和ФPSⅡ的影響PI是基于光吸收的性能指數(shù)，能靈敏地反映PSⅡ的活性變化。從圖3-a可知，在不同測定時期，F(xiàn)M處理PI值分別比對照升高44.36%、39.31%、22.70%、37.90%，說明AM真菌侵染使PSⅡ的活性增強(qiáng)。ΦPSⅡ為實際光化學(xué)效率，它能反映在照光下PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉的情況下，實際光化學(xué)效率。與非菌根對照相比，在不同測定時期，菌根花生葉片ΦPSⅡ均明顯增強(qiáng)（圖3-b），在苗期、花期分別升高28.12%、21.83%。說明菌根花生PSⅡ的光合機(jī)構(gòu)活性增強(qiáng)。

2.4.3摩西球囊霉對花生葉片光系統(tǒng)電子傳遞的影響ETR表示整個光系統(tǒng)線性電子傳遞速率，用來衡量植物體內(nèi)總光合電子傳遞能力。菌根花生葉片ETR明顯高于對照（圖4-a），在4個時期分別升高51.8%、26.8%、23.1%、26.0%。ΦEo表示用于電子傳遞的量子產(chǎn)額。從圖4-b可知，菌根花生葉片ΦEo均有升高，說明電子傳遞能力增強(qiáng)。

上述結(jié)果說明，菌根花生葉片吸收的光能用于電子傳遞的能量增加，整個光系統(tǒng)電子傳遞速率加快。

2.4.4摩西球囊霉對花生反應(yīng)中心活性的影響RC/CSo表示單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)量。由圖5-a可知，與對照相比，在各測定時期菌根花生葉片RC/CSo明顯升高。光化學(xué)猝滅系數(shù)qP（圖5-b）反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，與對照相比，菌根花生葉片反應(yīng)中心的開放程度加大。

上述結(jié)果說明，F(xiàn)M處理植株葉片不但反應(yīng)中心數(shù)量增加，而且反應(yīng)中心的開發(fā)程度增加，利用光能的效率增加。

2.5摩西球囊霉對花生PSⅠ活性的影響

利用花生葉片820nm光吸收相對差值（ΔI/Io）代表PSⅠ的活性。從圖6看出，菌根花生葉片PSⅠ的活性顯著上升，在不同測定時期，菌根與非菌根對照相比在苗期沒有明顯差異，但在花期、結(jié)莢期和飽果期分別上升了30.31%、1422%、4219%。這說明摩西球囊菌侵染提高了PSⅠ的活性。

3結(jié)論與討論

AM真菌能夠促進(jìn)植物的生長，增加其生物量[10，21]。本研究中，摩西球囊菌侵染花生植株，在花生的苗期、花期、結(jié)莢期和飽果期4個時期中，菌根花生與非菌根花生相比地上部干質(zhì)量、開花數(shù)、果莢數(shù)、果莢質(zhì)量均有顯著或極顯著增加，光合速率與葉綠素含量明顯升高。葉綠素含量的高低在一定程度上反映了植物光合能力的大小。AM真菌侵染后，宿主葉綠素含量增加，并伴隨著生物量的增加[3，6，8，21]。

僅用葉綠素含量的變化很難對光合性能的改變作出準(zhǔn)確的解釋。本研究中用葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)對摩西球囊菌侵染花生植株后的光合機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究?；诰ㄉ~片光吸收性能指數(shù)PI與實際光化學(xué)效率ΦPSⅡ顯著升高，說明摩西球囊霉侵染后光合機(jī)構(gòu)性能增強(qiáng)。菌根花生葉片光系統(tǒng)線性電子傳遞速率ETR與電子傳遞的量子產(chǎn)額ΦEo也顯著升高，單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)量RC/CSo增加，光化學(xué)猝滅系數(shù)qP升高，這也說明菌根花生葉片對光能的利用率增強(qiáng)。Pinior等在研究干旱脅迫下根內(nèi)球囊霉（Glomus intraradices）對月季的影響時發(fā)現(xiàn)，與AM共生的植株在水分脅迫下有更高的PI值，有較高的活性反應(yīng)中心數(shù)量，ΦEo也顯著升高，PSⅡ向PSⅠ電子傳遞加快[22]。Rathod等的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn). mosseae 可促進(jìn)侵染大豆在水份脅迫下的生長，大豆葉片熒光參數(shù)RC/ABS 和 ETo/ABS 都顯著升高，故認(rèn)為在AM菌存在時減少了反應(yīng)中心的失活[23]。姚娟等研究發(fā)現(xiàn)，菌根煙苗的PSⅡ?qū)嶋H光合效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、最大相對電子傳遞速率均高于無菌根煙苗[21]。歐靜等發(fā)現(xiàn)，桃葉杜鵑接菌苗的ETR、Fv/Fm和光化學(xué)猝滅 qP 均顯著提高[24]。以上參數(shù)反映出PSⅡ活性的變化，對PSⅠ活性鮮有研究。本研究中利用820 nm光吸收相對差值（ΔI/Io）代表PSⅠ的活性，發(fā)現(xiàn)與非菌根相比，菌根花生葉片PSⅠ活性顯著升高，促進(jìn)了電子由PSⅡ向PSⅠ的傳遞。另外，研究還發(fā)現(xiàn)菌根花生葉片與非菌根葉片之間的熒光差值ΔVt的變化在30 ms 附近，Ⅰ相降低，這說明AM真菌侵染使花生葉片電子傳遞速度加快，目前還未見這方面的研究報道。

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