叢枝菌根對玉米葉片SPAD值及光合作用光響應特征的影響

徐洪文+盧妍+朱先燦

摘要：為了研究叢枝菌根真菌對玉米光合作用光響應特征的影響，以鄭單958為研究材料，測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)測定光響應曲線。結果表明：叢枝菌根通過提高玉米葉片相對葉綠素含量，改善其對弱光的利用能力及對強光的適應能力，進而提高了光合效率。同時，由于蒸騰速率在菌根處理的條件下得到增強，也緩解了強光對植物細胞的傷害。

關鍵詞：叢枝菌根；玉米；SPAD值；光響應；蒸騰作用

中圖分類號： S513.01 文獻標志碼： A

文章編號：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養(yǎng)狀況。首先，叢枝菌根不僅可以提高植物根部對土壤中碳、氮、硫、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，改善根際土壤條件，還可以提高植物對營養(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，并提高抗氧化保護酶的活性，以減輕離子自由基對細胞膜的傷害程度[3-6]。另外，叢枝菌根能夠影響根系的分泌活動，提高植物的生物量積累和植株長勢，以增強植物抗逆能力。因此，叢枝菌根共生在改善植物營養(yǎng)和土壤肥力方面起著重要作用，對增加作物營養(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養(yǎng)生理來實現(xiàn)生長狀況的改善，這個過程會不可避免地影響植物的光合作用。光合作用是植物生長發(fā)育過程中物質(zhì)和能量的來源，是植物生長發(fā)育的基礎[7]。因此，十分有必要了解叢枝菌根真菌對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植物葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間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，關于玉米葉片光響應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，而關于叢枝菌根對玉米的光響應過程研究鮮有報道。因此研究叢枝菌根對玉米光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等的影響，探索光合作用對叢枝菌根的響應機制，對豐富陸生植物生態(tài)學理論，揭示作物抗逆與營養(yǎng)調(diào)控機理具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用鄭單958玉米為試驗材料，種子購自北京德農(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，購自北京市農(nóng)林科學院植物營養(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；對照處理每盆加入等質(zhì)量的無菌接種物。

1.2 測定方法

SPAD值測定：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定。每個部位測定6個值，取平均值作為葉片的SPAD值。所選儀器為SPAD-502葉綠素含量測定儀（Konica Minolta，日本）。

光響應曲線：于2015年9月15日上午09：00—12：00，應用美國LI-COR LI-6400 型便攜式光合作用測定系統(tǒng)，測定葉片在不同光照度下的凈光合速率（Pn） 等參數(shù)。測定時采用Li640-02B 紅藍人工光源測量葉室，通過開放式氣路，設定溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol/mol（大氣CO2濃度），空氣相對濕度為50%～70%，設定光合有效輻射（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），最大等待時間 200 s，最小等待時間120 s。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2003統(tǒng)計計算標準差；采用SPSS 11.3軟件根據(jù)最小顯著差數(shù)法（LSD法）進行差異性（α<0.05）分析；采用Origin Pro 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 叢枝菌根對玉米葉綠素相對含量的影響

SPAD值（SPAD readings） 通常被稱作葉色值（leaf color values），雖然SPAD值只能表示相對值的差異，但通過對不同農(nóng)作物的研究可知，SPAD值與葉綠素含量的相關性達到了極顯著水平，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重要指標，葉片中葉綠素的含量不同會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，促進干物質(zhì)的積累。

2.2 叢枝菌根對光響應特性的影響

2.2.1 光響應曲線

植物葉片的光合作用是植物物質(zhì)生產(chǎn)的基礎，光合速率的高低決定了光合能力的強弱，是植物生物產(chǎn)量形成的關鍵[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度的增加而增加，兩者呈明顯的正相關關系。在較高PAR[300～2 000 μmol/（m2·s）]下光合速率響應曲線差異不大，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曲線差別較大，菌根處理與對照處理相比較，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氣體進入葉肉細胞過程中所受各種驅(qū)動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，并且菌根處理的胞間CO2濃度值始終低于對照處理。這可能是叢枝菌根提高了玉米中葉肉細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，導致胞間CO2濃度降低[16]。

2.2.3 氣孔導度

由圖4可見，菌根處理玉米在光照度為 300 μmol/（m2·s） 處，氣孔導度值有1個峰值，為0.045 mol/（m2·s），在光照度為400～1 800 μmol/（m2·s）內(nèi)，氣孔導度值呈緩慢增加的趨勢。光照度為1 800 μmol/（m2·s） 時，達到第2個峰值，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度又開始減小。對照處理在光照度為 200 μmol/（m2·s） 處，氣孔導度值有1個峰值，為0.027 mol/（m2·s），光照度在800～1 400 μmol/（m2·s） 內(nèi)，氣孔導度值呈緩慢增加的趨勢。光照度為1 400 μmol/（m2·s）時，達到第2個峰值，氣孔最大程度張開，氣孔阻力最小，之后隨著光強的增加氣孔導度又開始減小。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度，并在較高濃度時才出現(xiàn)最大峰值，因此，叢枝菌根增強了玉米對強光的適應能力。

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度的增加而增加，兩者呈正相關關系。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照處理。這種強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行。

3 討論

葉綠素含量對植物光能利用、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之一[17]。由于葉綠素計具有簡單、快速和無損等優(yōu)點，已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛應用[18]。前人研究發(fā)現(xiàn)，菌根真菌接種能增強小麥、玉米、大豆等作物的葉綠素含量。本試驗通過測定SPAD值再次證實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，進而促進總糖的合成，增加光合作用產(chǎn)物的積累。

光對光合作用主要有3個方面的作用：提供同化力形成所需要的能量；活化光合作用的關鍵酶和促進氣孔開放；調(diào)節(jié)光合機構的發(fā)育等[19]。本試驗研究發(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，還增強了玉米對強光的適應能力，可見接種菌根真菌能促進玉米將更多光能用于光化學反應，顯著提高植株碳水化合物的積累[20]。同時，為了避免葉片受強光刺激可能對植物葉片葉綠體結構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]。

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