叢枝菌根對(duì)玉米葉片SPAD值及光合作用光響應(yīng)特征的影響

徐洪文+盧妍+朱先燦

摘要：為了研究叢枝菌根真菌對(duì)玉米光合作用光響應(yīng)特征的影響，以鄭單958為研究材料，測(cè)定接種與未接種菌根玉米葉片的SPAD值，并利用LI-6400光合作用系統(tǒng)測(cè)定光響應(yīng)曲線。結(jié)果表明：叢枝菌根通過提高玉米葉片相對(duì)葉綠素含量，改善其對(duì)弱光的利用能力及對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，進(jìn)而提高了光合效率。同時(shí)，由于蒸騰速率在菌根處理的條件下得到增強(qiáng)，也緩解了強(qiáng)光對(duì)植物細(xì)胞的傷害。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根；玉米；SPAD值；光響應(yīng)；蒸騰作用

中圖分類號(hào)： S513.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0119-03

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF） 是陸地植物根內(nèi)廣泛存在的一類內(nèi)生菌根真菌，超過80%的陸生植物均能和叢枝菌根形成相互依存、互惠互利的共生關(guān)系[1]。AMF作為植物根系與真菌形成的互惠共生體可通過不同方式、途徑改善植物代謝和土壤營(yíng)養(yǎng)狀況。首先，叢枝菌根不僅可以提高植物根部對(duì)土壤中碳、氮、硫、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，改善根際土壤條件，還可以提高植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素，尤其是磷元素的利用和轉(zhuǎn)化能力[2]。其次，叢枝菌根可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，并提高抗氧化保護(hù)酶的活性，以減輕離子自由基對(duì)細(xì)胞膜的傷害程度[3-6]。另外，叢枝菌根能夠影響根系的分泌活動(dòng)，提高植物的生物量積累和植株長(zhǎng)勢(shì)，以增強(qiáng)植物抗逆能力。因此，叢枝菌根共生在改善植物營(yíng)養(yǎng)和土壤肥力方面起著重要作用，對(duì)增加作物營(yíng)養(yǎng)利用、轉(zhuǎn)化，提高產(chǎn)量具有重要意義。

綜上所述，叢枝菌根真菌是通過影響植物的營(yíng)養(yǎng)生理來實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)狀況的改善，這個(gè)過程會(huì)不可避免地影響植物的光合作用。光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中物質(zhì)和能量的來源，是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)[7]。因此，十分有必要了解叢枝菌根真菌對(duì)植物光合特性的影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根能增加共生植物葉片中葉綠素含量并且對(duì)植物葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2 濃度等均有一定的影響，顯著提高了植物光合能力[8-9]。就目前而言，關(guān)于玉米葉片光響應(yīng)的研究主要集中在不同氮肥水平[10]、干旱環(huán)境脅迫[11]和作物栽培方式[12]等方面，而關(guān)于叢枝菌根對(duì)玉米的光響應(yīng)過程研究鮮有報(bào)道。因此研究叢枝菌根對(duì)玉米光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等的影響，探索光合作用對(duì)叢枝菌根的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)豐富陸生植物生態(tài)學(xué)理論，揭示作物抗逆與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控機(jī)理具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用鄭單958玉米為試驗(yàn)材料，種子購(gòu)自北京德農(nóng)種業(yè)有限公司。玉米種子經(jīng)過70%乙醇消毒2 min，1%次氯酸鈉溶液處理0.5 h，無菌水沖洗數(shù)次后，于27 ℃浸種2 d。采用扭形球囊霉為供試叢枝菌根真菌材料，購(gòu)自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所。接種叢枝菌根真菌的處理每盆土壤加30 g菌劑；對(duì)照處理每盆加入等質(zhì)量的無菌接種物。

1.2 測(cè)定方法

SPAD值測(cè)定：分別于葉片上、中、下葉脈兩側(cè)部位，在葉片邊緣和葉主脈之間測(cè)定。每個(gè)部位測(cè)定6個(gè)值，取平均值作為葉片的SPAD值。所選儀器為SPAD-502葉綠素含量測(cè)定儀（Konica Minolta，日本）。

光響應(yīng)曲線：于2015年9月15日上午09：00—12：00，應(yīng)用美國(guó)LI-COR LI-6400 型便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定葉片在不同光照度下的凈光合速率（Pn） 等參數(shù)。測(cè)定時(shí)采用Li640-02B 紅藍(lán)人工光源測(cè)量葉室，通過開放式氣路，設(shè)定溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol/mol（大氣CO2濃度），空氣相對(duì)濕度為50%～70%，設(shè)定光合有效輻射（PAR）梯度為0、25、50、100、150、200、300、400、500、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol/（m2·s），最大等待時(shí)間 200 s，最小等待時(shí)間120 s。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；采用SPSS 11.3軟件根據(jù)最小顯著差數(shù)法（LSD法）進(jìn)行差異性（α<0.05）分析；采用Origin Pro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 叢枝菌根對(duì)玉米葉綠素相對(duì)含量的影響

SPAD值（SPAD readings） 通常被稱作葉色值（leaf color values），雖然SPAD值只能表示相對(duì)值的差異，但通過對(duì)不同農(nóng)作物的研究可知，SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，因此可以用SPAD 值來代表葉綠素的含量[13]。葉綠素含量是反映植物葉片光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)，葉片中葉綠素的含量不同會(huì)引起光合作用的差異。從圖1 可以看出，接種叢枝菌根后玉米葉片SPAD值提高了29.44%，這將有利于改善玉米的光合性能，促進(jìn)干物質(zhì)的積累。

2.2 叢枝菌根對(duì)光響應(yīng)特性的影響

2.2.1 光響應(yīng)曲線

植物葉片的光合作用是植物物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，光合速率的高低決定了光合能力的強(qiáng)弱，是植物生物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵[14-15]。從圖2可以看出，玉米葉片的凈光合速率隨光合有效輻射強(qiáng)度的增加而增加，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。在較高PAR[300～2 000 μmol/（m2·s）]下光合速率響應(yīng)曲線差異不大，菌根處理的光合速率僅提高0.05～0.10倍。在較低PAR[0～200 μmol/（m2·s）]下光合速率的光響應(yīng)曲線差別較大，菌根處理與對(duì)照處理相比較，其光合速率增加了0.08～1.25倍，說明叢枝菌根有效提高了玉米葉片利用弱光的能力。

2.2.2 胞間CO2濃度

胞間CO2濃度是外界CO2氣體進(jìn)入葉肉細(xì)胞過程中所受各種驅(qū)動(dòng)力和阻力以及葉片內(nèi)部光合作用和呼吸作用的最終平衡結(jié)果。由圖3可以看出，玉米的胞間CO2濃度均隨光照度增加而呈下降趨勢(shì)，并且菌根處理的胞間CO2濃度值始終低于對(duì)照處理。這可能是叢枝菌根提高了玉米中葉肉細(xì)胞光合活性或核酮糖二磷酸羧化酶的活性，從而提高了葉片中的光合速率，導(dǎo)致胞間CO2濃度降低[16]。

2.2.3 氣孔導(dǎo)度

由圖4可見，菌根處理玉米在光照度為 300 μmol/（m2·s） 處，氣孔導(dǎo)度值有1個(gè)峰值，為0.045 mol/（m2·s），在光照度為400～1 800 μmol/（m2·s）內(nèi)，氣孔導(dǎo)度值呈緩慢增加的趨勢(shì)。光照度為1 800 μmol/（m2·s） 時(shí)，達(dá)到第2個(gè)峰值，氣孔最大程度張開，氣孔阻力最小，之后隨著光照度的增加氣孔導(dǎo)度又開始減小。對(duì)照處理在光照度為 200 μmol/（m2·s） 處，氣孔導(dǎo)度值有1個(gè)峰值，為0.027 mol/（m2·s），光照度在800～1 400 μmol/（m2·s） 內(nèi)，氣孔導(dǎo)度值呈緩慢增加的趨勢(shì)。光照度為1 400 μmol/（m2·s）時(shí)，達(dá)到第2個(gè)峰值，氣孔最大程度張開，氣孔阻力最小，之后隨著光強(qiáng)的增加氣孔導(dǎo)度又開始減小。由圖4還可以看出，叢枝菌根接種的玉米具有較高的氣孔導(dǎo)度，并在較高濃度時(shí)才出現(xiàn)最大峰值，因此，叢枝菌根增強(qiáng)了玉米對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力。

2.2.4 蒸騰作用

由圖5可見，玉米葉片蒸騰速率隨著光合有效輻射強(qiáng)度的增加而增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。并且在不同光照度下叢枝菌根處理的玉米葉片蒸騰速率均高于對(duì)照處理。這種強(qiáng)蒸騰作用可減緩在高光照度下葉片表面溫度的急劇上升，使得葉片保持較適宜的溫度，有利于光合作用的順利進(jìn)行。

3 討論

葉綠素含量對(duì)植物光能利用、干物質(zhì)生產(chǎn)和積累，以及產(chǎn)量性狀的形成具有重要影響，因此，葉綠素含量一直是農(nóng)業(yè)科研人員研究的重點(diǎn)之一[17]。由于葉綠素計(jì)具有簡(jiǎn)單、快速和無損等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[18]。前人研究發(fā)現(xiàn)，菌根真菌接種能增強(qiáng)小麥、玉米、大豆等作物的葉綠素含量。本試驗(yàn)通過測(cè)定SPAD值再次證實(shí)菌根真菌處理顯著提高了玉米葉片葉綠素含量，提高了光合效率，進(jìn)而促進(jìn)總糖的合成，增加光合作用產(chǎn)物的積累。

光對(duì)光合作用主要有3個(gè)方面的作用：提供同化力形成所需要的能量；活化光合作用的關(guān)鍵酶和促進(jìn)氣孔開放；調(diào)節(jié)光合機(jī)構(gòu)的發(fā)育等[19]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌不僅有效提高了玉米葉片利用弱光的能力，還增強(qiáng)了玉米對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，可見接種菌根真菌能促進(jìn)玉米將更多光能用于光化學(xué)反應(yīng)，顯著提高植株碳水化合物的積累[20]。同時(shí)，為了避免葉片受強(qiáng)光刺激可能對(duì)植物葉片葉綠體結(jié)構(gòu)及光合器官造成傷害，叢枝菌根真菌還顯著提高了玉米的蒸騰速率，使葉片保持較適宜的溫度，從而有利于光合作用的順利進(jìn)行[21]。另外，接種叢枝菌根真菌的玉米葉片光合速率的升高伴隨著胞間CO2濃度的升高，說明玉米光合作用的主要限制因素可能來自非氣孔因素[22]。

參考文獻(xiàn)：

[1]田 野，張會(huì)慧，孟祥英，等. 鎘（Cd）污染土壤接種叢枝菌根真菌（Glomus mosseae）對(duì)黑麥草生長(zhǎng)和光合的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2013，21（1）：135-141.

[2]趙第錕，張瑞萍，任麗軒，等. 旱作水稻西瓜間叢枝菌根菌絲橋誘導(dǎo)水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)及對(duì)磷吸收的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2012，49（2）：339-346.

[3]郭紹霞，劉潤(rùn)進(jìn). 叢枝菌根真菌（Glomus mosseae）對(duì)鹽脅迫下牡丹滲透調(diào)節(jié)的影響[J]. 植物生理學(xué)通訊，2010，46（10）：1007-1012.

[4]吳強(qiáng)盛，夏仁學(xué). 水分脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)枳實(shí)生苗生長(zhǎng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響[J]. 植物生理與分子生物學(xué)，2004，30（5）：583-588.

[5]韓 冰，賀超興，郭世榮，等. 叢枝菌根真菌對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2004，31（12）：2492-2497.

[6]賀忠群，賀超興，張志斌，等. 叢枝菌根真菌對(duì)番茄滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2007，34（1）：147-152.

[7]吳愛姣，徐偉洲，郭亞力，等. 不同水肥條件下達(dá)烏里胡枝子的光合-光響應(yīng)曲線特征[J]. 草地學(xué)報(bào)，2015，23（4）：785-792.

[8]宋 微，吳小芹. 外生菌根真菌對(duì) NL-895楊光合作用的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2011，31（7）：1474-1478.

[9]劉愛榮，陳雙臣，劉燕英，等. 叢枝菌根真菌對(duì)低溫下黃瓜幼苗光合生理和抗氧化酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，12（7）：3497-3503.

[10]王 帥，韓曉日，戰(zhàn)秀梅，等. 不同氮肥水平下玉米光響應(yīng)曲線模型的比較[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014，20（6）：1403-1412.

[11]吳 瑋，景元書，馬玉平，等. 干旱環(huán)境下夏玉米各生育時(shí)期光響應(yīng)特征[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（6）：723-730.

[12]焦念元，趙 春，寧堂原，等. 玉米-花生間作對(duì)作物產(chǎn)量和光合作用光響應(yīng)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19（5）：981-985.

[13]童淑媛，宋鳳斌，徐洪文.玉米不同葉位葉片SPAD值的變化及其與生物量的相關(guān)性[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2008，22（6）：869-874.

[14]徐偉偉，王國(guó)祥，劉金娥，等. 淹水對(duì)互花米草光合色素含量及快速光響應(yīng)曲線的影響[J]. 海洋環(huán)境科學(xué)，2011，30（6）：761-764.

[15]朱先燦，宋鳳斌，徐洪文. 低溫脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)玉米光合特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（2）：470-475.

[16]石貴玉，康 浩，宜麗娜，等. NaCl脅迫對(duì)互花米草細(xì)胞膜和光響應(yīng)曲線特征參數(shù)的影響[J]. 廣西植物，2012，32（1）：101-106. [HJ1.65mm]

[17]謝曉金，申雙和，李映雪，等. 高溫脅迫下水稻紅邊特征及SPAD和LAI的監(jiān)測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（3）：183-190.

[18]姜繼萍，楊京平，楊正超，等. 不同氮素水平下水稻葉片及相鄰葉位SPAD值變化特征[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2012，38（2）：166-174.

[19]黃志玲，姜 英，郝 海，等. 不同光照強(qiáng)度對(duì)紅錐光響應(yīng)曲線的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（8）：30-33.

[20]陳笑瑩，宋鳳斌，朱先燦，等. 低溫脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)玉米幼苗形態(tài)、生長(zhǎng)和光合的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2014，29（增刊1）：155-161.

[21]遲麗華，宋鳳斌. 松嫩平原4種植物光合作用光響應(yīng)特性的研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（2）：119-122，138.

[22]閆 明，鐘章成. 鋁脅迫對(duì)接種叢枝菌根真菌樟樹幼苗光合作用的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2008，28（9）：1816-1822.