干旱條件下接種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的影響

張亞敏,馬克明,曲來(lái)葉,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

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干旱條件下接種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的影響

張亞敏1,2,馬克明1,曲來(lái)葉1,2,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

為了探討岷江干旱河谷叢枝菌根真菌(AMF)對(duì)寄主植物幼苗根系的影響,通過(guò)接種購(gòu)買(mǎi)的AMF摩西球囊霉菌(Funneliformismosseae)到優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土灌木小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar．microphylla)幼苗,在重度、中度和輕度干旱條件下培養(yǎng)3個(gè)月,研究不同干旱條件下AMF對(duì)幼苗根系形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征、功能性狀的影響。方差分析結(jié)果表明：(1)3種干旱脅迫條件下,接菌均顯著增加了幼苗的根總長(zhǎng)、根表面積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)(P<0.001),在中度脅迫和輕度脅迫下,接菌顯著促進(jìn)根鮮重、根體積的增加(P<0.001),輕度脅迫條件下接菌幼苗的根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)最高并顯著高于其它處理,但接菌與未接菌的根平均直徑之間沒(méi)有顯著差異；(2)接菌幼苗根系趨向于叉狀分支結(jié)構(gòu),在重度脅迫時(shí),叉狀分支趨勢(shì)更顯著(P<0.001)；(3)接菌幼苗的根比例都顯著小于未接菌的,但幼苗比根長(zhǎng)不存在顯著差異。相關(guān)分析結(jié)果表明：菌根侵染率與根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.001),與拓?fù)渲笖?shù)、根比例呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)。研究表明,在干旱條件下,AMF雖然沒(méi)有提高生長(zhǎng)初期的根系的吸收效率,但接種AMF顯著影響幼苗根系形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)特征,更利于植物適應(yīng)干旱環(huán)境,并且AMF對(duì)幼苗根系的促生作用隨著干旱脅迫程度減輕而提高。

摩西球囊霉菌；根系形態(tài)；干旱脅迫；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；小馬鞍羊蹄甲

植物根系不僅為植物提供物理支持,并且是從土壤中吸收水分、養(yǎng)分,是為地上部分提供光合作用物質(zhì)基礎(chǔ)的重要器官[1]。根系的發(fā)育直接影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)、發(fā)育和生存[2]。有研究表明植物根系吸收水分、養(yǎng)分的能力更多的取決于根長(zhǎng)、根表面積,特別是植物細(xì)根(直徑≤2 mm),是植物吸收的活躍部位[3],比表面積大,在整個(gè)根系的總長(zhǎng)度和總表面積中占有主導(dǎo)地位[4]。根系的分支和構(gòu)型對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收也有關(guān)鍵作用[5]。

與植物其他器官相比,根系的發(fā)展具有更高的可塑性。根系形態(tài)是由內(nèi)在的基因因素和外在的生物、非生物環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[6],其變化是植物生理生態(tài)內(nèi)在變化的外在表現(xiàn)之一,因而其形態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著土壤性質(zhì)、水分條件、營(yíng)養(yǎng)狀況、不同真菌共生的改變而改變[1, 7],以達(dá)到生長(zhǎng)的最優(yōu)策略,所以在不同的生長(zhǎng)環(huán)境下根系具有非常強(qiáng)的生理和形態(tài)的可塑性[8]。通常情況下,根系主要受到土壤養(yǎng)分和土壤水分的影響。在干旱、半干旱區(qū),土壤含水量是植物生長(zhǎng)的主要限制因素。土壤水分通過(guò)影響植物生長(zhǎng)速率、生物量分配、土壤養(yǎng)分有效性、資源利用效率等等[9],最終影響植物的生理生態(tài)功能。一般來(lái)說(shuō),在干旱脅迫的條件下,根系會(huì)通過(guò)降低根系生物量、根長(zhǎng)、根體積,細(xì)化主根,顯著增加側(cè)根數(shù)目、根冠比等對(duì)策來(lái)緩解脅迫,在重度干旱脅迫時(shí)還會(huì)通過(guò)抑制細(xì)根生長(zhǎng)等變來(lái)適應(yīng)環(huán)境條件[10- 14]。相關(guān)研究表明叢枝菌根真菌(AMF)能夠顯著促進(jìn)寄主植物生長(zhǎng)和提高宿主植物抗旱性[15-16]。一方面,共生的菌絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)植物間接的吸收水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng),緩解環(huán)境脅迫；另一方面,根系也會(huì)通過(guò)形態(tài)改變以及空間構(gòu)型變化來(lái)促進(jìn)植物直接的吸收水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)[17-18]。

從生理和形態(tài)學(xué)的角度,植物可由自養(yǎng)的、可見(jiàn)的地上部分和異養(yǎng)的、不可見(jiàn)的地下部分組成。雖然目前人們更多地關(guān)注地上部分的變化,但地下部分的結(jié)構(gòu)及其變化對(duì)于植物與生態(tài)系統(tǒng)功能的影響和地上部分一樣重要[19]。前期的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AMF在岷江干旱河谷鄉(xiāng)土植被恢復(fù)過(guò)程中具有重要的正向作用[20- 22],但在該區(qū)域AMF共生對(duì)寄主植物根系的影響的研究還比較缺乏。本研究選擇岷江干旱河谷區(qū)域現(xiàn)存的多年生優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土灌木種小馬鞍羊蹄甲[9],對(duì)其幼苗的根系接種摩西球囊霉菌[23],在不同程度的干旱脅迫條件下,通過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季的培養(yǎng),探究小馬鞍羊蹄甲幼苗根系對(duì)水分脅迫和接種內(nèi)生菌根真菌的響應(yīng)和可塑性。本研究假設(shè)接種摩西球囊霉菌能夠顯著影響植物幼苗根系形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征、功能性狀,提高根系吸收效率。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)

控制試驗(yàn)在于2014年5月至9月中國(guó)科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站塑料大棚中完成。大棚頂部為塑料薄膜,四周為遮陰網(wǎng),棚內(nèi)溫濕度等條件與當(dāng)?shù)貧庀髼l件一致,年日照時(shí)數(shù)1373.8h左右,年均溫9.3℃左右,年降雨量825.2mm左右,年蒸發(fā)量968.7mm左右,十分干燥。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

植物 小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar．microphylla)無(wú)菌幼苗。屬于多年生豆科灌木,在四川省岷江干旱河谷區(qū)域廣泛分布。2013年在岷江干旱河谷核心區(qū)采集小馬鞍羊蹄甲的種子,選擇形態(tài)大小基本一致,表皮光滑,健康無(wú)蟲(chóng)害的種子曬干備用。2014年5月11 日,挑選飽滿(mǎn)種子,用20% 濃硫酸浸泡4h,蒸餾水沖洗干凈并浸泡24h,2014年5月12日,把種子均勻的播撒在滅菌土為基質(zhì)的育苗盤(pán)內(nèi),再覆蓋2—3mm滅菌土,噴灑足夠的蒸餾水,置于大棚中萌發(fā)。

菌種 摩西球囊霉菌(Funneliformismosseae)。菌種購(gòu)買(mǎi)于北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所微生物室,為高粱繁殖的土沙混合物,內(nèi)含供試菌種孢子、侵染根段和菌絲片段。Funneliformismosseae從新疆昭蘇新疆韭(Alliumcoeruleum)根圍分離,為2857 個(gè)孢子/20 L菌劑。置于4℃冰箱保存。

供試基質(zhì) 滅菌土。2014年5月取自岷江干旱河谷核心區(qū)渭門(mén)(四川省茂縣),過(guò)2mm篩充分混勻,進(jìn)行高壓蒸汽滅菌,設(shè)置溫度121℃、滅菌時(shí)間30min,滅菌2次。

表1 培養(yǎng)基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用析因設(shè)計(jì),有干旱脅迫和接菌處理兩個(gè)因素。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果,干旱脅迫設(shè)置3個(gè)水分梯度,重度脅迫(LW)、中度脅迫(MW)和輕度脅迫(HW),控制含水量分別為40%、60%、80%的田間持水量,即控制含水量分別為7.37%、11.06%、14.74%。接菌處理設(shè)置2種微生物處理,不接菌(NM)和接種摩西球囊霉菌(FM)。使用規(guī)格為20cm×25cm的塑料花盆,每盆套兩層塑料膜,然后裝入滅菌基質(zhì)4kg。待幼苗長(zhǎng)出3—6片葉子,2014年5月24日移植,在每個(gè)盆的中央挖一個(gè)洞,距土壤表面5cm,鋪灑10g菌種,然后將幼苗轉(zhuǎn)移至洞中,使植物根系與菌種充分接觸,壓實(shí)周?chē)寥馈Ｗ詈蟊韺痈采w0.1kg的蛭石,以防止水分蒸發(fā)過(guò)快。試驗(yàn)共6個(gè)處理,每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)。移植前期保證充足的水分供應(yīng),待幼苗定植長(zhǎng)勢(shì)良好,2014年6月11日開(kāi)始采用隔天稱(chēng)重法控制水分,每盆一株幼苗,控水持續(xù)至2014年9月21日,收割。

2.3 指標(biāo)測(cè)定及樣品分析

每一株幼苗按照根、莖、葉分別收獲,根系用蒸餾水清洗干凈,同時(shí)取部分土樣,所有樣品保存于冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。鮮重在萬(wàn)分之一分析天平(Mettler-Toledo AL204)上稱(chēng)量得到,根系用掃描儀(EPSON 11000XL)掃描后經(jīng)WinRhizo軟件處理分析得到根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)等指標(biāo)。最后植物樣品68℃烘箱中烘干至恒重,在萬(wàn)分之一分析天平(Mettler-Toledo AL204)上稱(chēng)量得到干重。其他相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下：根比例=根干重/植株總干重,比根長(zhǎng)=根長(zhǎng)/根干重,拓?fù)渲笖?shù)(TI)=lgA/lgM(A最長(zhǎng)根系通道最大路徑數(shù),M根系所有外部連接的總數(shù))

圖1 根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic view of topology of root system

Bouma和Fitter 等提出了根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩種典型結(jié)構(gòu)：魚(yú)尾形分支和叉狀分支(圖1),Ⅰ:魚(yú)尾形分支 (A=7,M=7)；Ⅱ:叉狀分支(A=4,M=8)[24]。典型的魚(yú)尾形分支TI = 1,叉狀分支 TI =0.5。根系分支由連續(xù)的連接組成,連接分為內(nèi)部連接和外部連接,兩個(gè)分支點(diǎn)之間為內(nèi)部連接,分支與分生組織之間為外部連接,兩個(gè)連續(xù)分支之間的長(zhǎng)度為連接長(zhǎng)度。有研究表明,植物根系的分支介于魚(yú)尾形分枝與叉狀分支之間,拓?fù)渲笖?shù)越接近1,根系越接近魚(yú)尾形分支；相反,拓?fù)渲笖?shù)越接近0.5,根系越接近叉狀分支。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)在SPSS 19.0軟件上完成,采用單因素方差分析、雙因素方差分析、LSD多重比較和相關(guān)分析,分析不同干旱脅迫程度時(shí)AMF接菌處理對(duì)幼苗根系的影響,顯著水平設(shè)置為α=0.05。方差分析前,所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn),以保證數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布和方差齊性。相關(guān)圖表制作在excel中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系形態(tài)特征

從圖2可以看出,隨著干旱脅迫程度從重度到輕度,未接菌幼苗根系的根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)之間均沒(méi)有顯著性差異；接種摩西球囊霉菌的幼苗根分枝數(shù)在輕度脅迫時(shí)顯著高于重度脅迫,根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)在輕度脅迫時(shí)都顯著高于中度脅迫和重度脅迫。3種干旱脅迫程度下,接菌幼苗的根總長(zhǎng)、根表面積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)均顯著高于未接菌幼苗,而接菌幼苗的根鮮重、根體積則僅在中度脅迫和輕度脅迫時(shí)顯著高于未接菌幼苗?！拜p度脅迫+接種摩西球囊霉菌”處理幼苗的根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)最高并顯著高于其它所有處理。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明接菌處理、水分梯度及兩者交互作用對(duì)幼苗的根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積都有顯著影響；根分枝數(shù)只受接菌處理的顯著影響；根尖數(shù)受到接菌處理及接菌與水分交互作用的顯著影響。值得注意的是小馬鞍羊蹄甲幼苗的根平均直徑只受水分影響,相同干旱脅迫條件下,接菌與未接菌幼苗根平均直徑?jīng)]有顯著影響(圖3)。

3.2 根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征

從圖4可以看出,隨著干旱脅迫程度從重度到輕度,接菌的和未接菌的小馬鞍羊蹄甲幼苗根系拓?fù)渲笖?shù)均沒(méi)有顯著性變化,即本研究所設(shè)定的水分條件的變化對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。但相同的干旱脅迫程度下,根系拓?fù)渲笖?shù)均表現(xiàn)為未接菌幼苗大于接菌幼苗,未接菌幼苗的拓?fù)渲笖?shù)介于0.75—0.80之間,趨向于魚(yú)尾形分支結(jié)構(gòu)；而接菌后幼苗的拓?fù)渲笖?shù)趨向于0.5,趨向于叉狀分支結(jié)構(gòu)發(fā)展。并且在重度脅迫和輕度脅迫時(shí),未接菌的幼苗根系拓?fù)渲笖?shù)顯著大于接菌的,接菌幼苗根系拓?fù)渲笖?shù)更接近0.5,叉狀分支結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)更加明顯。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,接菌處理對(duì)幼苗根系拓?fù)渲笖?shù)有顯著影響。

圖2 不同干旱脅迫和接菌處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗根系形態(tài)特征Fig.2 Root morphology of B. faberi seedlings under different drought tress and inoculationNM: 不接菌no microorganism,FM: 接種摩西球囊霉菌Funneliformis mosseae,LW: 重度脅迫low water,MW: 中度脅迫middle water, HW: 輕度脅迫high water;**表示影響極顯著,*表示影響顯著,n.s.表示影響不顯著

圖3 不同干旱脅迫和接菌處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗根平均直徑Fig.3 Root average diameter of B. faberi seedlings under different drought stress and inoculationNM: 不接菌no microorganism,FM: 接種摩西球囊霉菌Funneliformis mosseae,LW: 重度脅迫low water,MW: 中度脅迫middle water, HW: 輕度脅迫high water;**表示影響極顯著,*表示影響顯著,n.s.表示影響不顯著

圖4 不同干旱脅迫和接菌處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的拓?fù)渲笖?shù)Fig.4 Root topological index of B. faberi seedlings under different drought stress and inoculationNM: 不接菌no microorganism,FM: 接種摩西球囊霉菌Funneliformis mosseae,LW: 重度脅迫low water,MW: 中度脅迫middle water, HW: 輕度脅迫high water;**表示影響極顯著,*表示影響顯著,n.s.表示影響不顯著

3.3 根系功能性狀特征

從圖5可以看出,隨著干旱脅迫程度從重度到輕度,未接菌幼苗的根比例逐漸減小,并且在重度脅迫時(shí)顯著高于輕度脅迫時(shí)；接菌幼苗的根比例則在重度脅迫時(shí)顯著高于中度和輕度脅迫。相同干旱脅迫程度下,未接菌幼苗的根比例都顯著大于接菌幼苗。重度脅迫和中度脅迫時(shí),未接菌幼苗的比根長(zhǎng)小于接菌幼苗；輕度脅迫時(shí),未接菌幼苗的比根長(zhǎng)大于接菌幼苗。但是所有處理中幼苗比根長(zhǎng)不存在顯著性差異。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,接菌處理、水分梯度對(duì)根比例有顯著影響,但接菌處理、水分梯度以及兩者交互作用對(duì)比根長(zhǎng)都沒(méi)有顯著影響。

圖5 不同干旱脅迫和接菌處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的功能性指標(biāo)Fig.5 Root functional index of B. faberi seedlings under different drought stress and inoculationA:root fraction、B:specific root lengthA:根比例、B:比根長(zhǎng); NM: 不接菌no microorganism,FM: 接種摩西球囊霉菌Funneliformis mosseae,LW: 重度脅迫low water,MW: 中度脅迫middle water, HW: 輕度脅迫high water;**表示影響極顯著,*表示影響顯著,n.s.表示影響不顯著

3.4 菌根侵染率與根系各指標(biāo)的相關(guān)性分析

將菌根侵染率和幼苗根系各指標(biāo)進(jìn)行pearson相關(guān)分析,通過(guò)分析結(jié)果(表2)可知：菌根侵染率與根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)在0.05水平上呈極顯著正相關(guān),其中與根尖數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大r=0.650；與拓?fù)渲笖?shù)、根比例在0.05水平上呈極顯著負(fù)相關(guān)；與根平均直徑、比根長(zhǎng)呈正相關(guān),但未達(dá)到顯著水平。

表2 菌根侵染率與小馬鞍羊蹄甲幼苗根系指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

4 討論

4.1 形態(tài)特征方面

叢枝菌根真菌能夠通過(guò)改變寄主植物的根系形態(tài)特征,提高植物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而促進(jìn)寄主植物的生長(zhǎng)發(fā)育,提高寄主植物的抗逆性[14, 25]。摩西球囊霉菌與小馬鞍羊蹄甲幼苗根系形成良好的共生關(guān)系[20],在相同的干旱脅迫程度下,接菌AMF的幼苗的根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)都顯著大于未接菌的。本研究在保水性差、養(yǎng)分含量低的培養(yǎng)基質(zhì)(表1)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)接種AMF確實(shí)改變了宿主植物的根系形態(tài),促進(jìn)了根系碳水化合物積累,擴(kuò)大了根系吸收范圍,增加了根系與土壤的接觸面,顯著促進(jìn)了根系的生長(zhǎng),增強(qiáng)了植物的抗旱性,這與前人的研究結(jié)論相似[14-15,26-28],也與我們之前的假設(shè)一致,其中根尖數(shù)與AM真菌侵染情況相關(guān)性最大。并且AMF對(duì)小馬鞍羊蹄甲根系的促生作用隨著干旱脅迫程度減輕而提高。但是本研究中接菌與未接菌幼苗的根平均直徑之間沒(méi)有顯著差異,這與前人對(duì)青岡櫟、三葉鬼針草、香樟幼苗的研究發(fā)現(xiàn)根平均直徑減小,整個(gè)根系形態(tài)趨向于伸長(zhǎng)發(fā)展等研究結(jié)果并不一致[29- 31],這可能與不同植物物種的遺傳特性有關(guān)[6, 32]。接菌促進(jìn)了小馬鞍羊蹄甲幼苗根總長(zhǎng),其中細(xì)根(直徑≤2mm)的增加說(shuō)明在干旱脅迫的環(huán)境,小馬鞍羊蹄甲幼苗由于與AMF共生,產(chǎn)生了更多的細(xì)根,通過(guò)增加吸收活躍的細(xì)根長(zhǎng)度和根尖數(shù)量,更好的促進(jìn)了根系的水分、養(yǎng)分吸收,進(jìn)而減小了干旱脅迫危害。在本研究中,由于與AMF共生也同樣促進(jìn)了幼苗小根(2mm<直徑≤5mm)的發(fā)展,即接種AMF同等程度地促進(jìn)了幼苗的各個(gè)分級(jí)的根系的增加,使得各等級(jí)根系的分配比例關(guān)系在接菌與未接菌之間沒(méi)有顯著差異,進(jìn)而導(dǎo)致了根平均直徑?jīng)]有顯著差異,接菌處理沒(méi)有改變根系的生長(zhǎng)分配策略。

圖6 不同干旱脅迫和接菌處理的小馬鞍羊蹄甲幼苗各等級(jí)根長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例Fig.6 The ratio of root length of different classes of B. faberi seedlings under different drought stress and inoculationA:小細(xì)根總長(zhǎng)度比例、B:大細(xì)根總長(zhǎng)度比例、C:小根總長(zhǎng)度比例;NM: no microorganism不接菌, FM: Funneliformis mosseae接種摩西球囊霉菌,LW: low water重度脅迫,MW: middle water中度脅迫, HW: high water輕度脅迫。**表示影響極顯著,*表示影響顯著,n.s.表示影響不顯著

4.2 結(jié)構(gòu)特征方面

接種AMF不僅對(duì)根系形態(tài)特征有顯著影響,而且對(duì)根系構(gòu)型也有顯著影響[1, 28]。根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異表現(xiàn)了植物在對(duì)干旱環(huán)境適應(yīng)上生態(tài)生理差異性以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收與根系延伸策略的差異[33]。根系的拓?fù)湫再|(zhì)直接影響到植物根系吸收效率和根系構(gòu)建過(guò)程中所需的碳量[34]。魚(yú)尾分支結(jié)構(gòu)次級(jí)分支少,重疊小,內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)小,叉狀分支結(jié)構(gòu)與之相反,從而在相同單位碳的投入下,魚(yú)尾分支的根系分布范圍大于叉狀分支,所以魚(yú)尾分支的根系在相同單位碳投入水平下,能夠獲取更多的水分和養(yǎng)分[34-35],達(dá)到更高的植物生長(zhǎng)效率。本研究中未接菌的小馬鞍羊蹄甲根系在3種干旱情況下都趨向于魚(yú)尾形分支結(jié)構(gòu),與前人對(duì)胡楊的研究結(jié)果一致：干旱貧瘠的土壤環(huán)境中幼苗根系趨向魚(yú)尾分支結(jié)構(gòu),特別是在水分較低時(shí),幼苗主要發(fā)展主根,幾乎無(wú)側(cè)根,這種策略更有利于植物生長(zhǎng)[36]。而在有AMF共生時(shí),小馬鞍羊蹄甲幼苗根系拓?fù)渲笖?shù)減小,水分最低的重度脅迫時(shí)顯著減小,根系向叉狀分支結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)顯著。以上結(jié)論說(shuō)明從結(jié)構(gòu)特征方面,幼苗與AMF共生顯著影響根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這也與我們之前的假設(shè)一致。但值得注意的是叉狀分支結(jié)構(gòu)并沒(méi)有提高小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的吸收效率。

4.3 功能性指標(biāo)方面

本研究結(jié)果表明,干旱脅迫時(shí)接種AMF能顯著促進(jìn)幼苗根系生物量積累,但是也顯著減少幼苗根系生物量占總生物量的比例(根比例),AMF改變了幼苗的生物量分配,使幼苗有更高比例的物質(zhì)用于地上部分的生長(zhǎng),與前人研究結(jié)論相似[22]。已有研究表明植物根系吸收水分和養(yǎng)分的能力更多的取決于根長(zhǎng)而不是生物量[1]。比根長(zhǎng)可以表征根系收益和花費(fèi)的關(guān)系,具有較大比根長(zhǎng)的植物在根系生物量投入方面比具有較小比根長(zhǎng)的植物更具有效率[37]。在干旱脅迫下,植物會(huì)通過(guò)提高比根長(zhǎng)、根冠比等來(lái)適應(yīng)環(huán)境,當(dāng)有菌根共生時(shí),植物則會(huì)通過(guò)菌絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少自身消耗[38]。從功能性指標(biāo)方面看,接菌與未接菌幼苗的比根長(zhǎng)沒(méi)有顯著差異,所以接種摩西球囊霉菌沒(méi)有直接提高小馬鞍羊蹄甲幼苗根系吸收效率,反而可能更多的得益于菌絲網(wǎng)絡(luò)對(duì)吸收的促進(jìn),這一點(diǎn)與我們之前的假設(shè)并不一致。

綜上所述,干旱脅迫條件下,接種摩西球囊霉菌顯著影響了幼苗根系形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征,但對(duì)根平均直徑和比根長(zhǎng)等功能性指標(biāo)沒(méi)有顯著影響,沒(méi)有提高根系吸收效率。前期的研究發(fā)現(xiàn)AMF能夠顯著提高葉面積、光合速率等,顯著促進(jìn)地上部分生長(zhǎng)和光合作用[20]。由此推測(cè)在生長(zhǎng)的初期,接種摩西球囊霉菌顯著促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲根系生長(zhǎng)可能是源于地上光合作用顯著增加,進(jìn)而提高了初級(jí)生產(chǎn)力,增加了碳水化合物分配到根系的量,提高了根鮮重、根總長(zhǎng)、根表面積、根體積、根分枝數(shù)、根尖數(shù)；而根系生長(zhǎng)的增加進(jìn)一步促進(jìn)幼苗水分、養(yǎng)分吸收,最終在干旱貧瘠的條件下促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育,緩解干旱脅迫?？傮w來(lái)說(shuō),AMF的共生確實(shí)可以改善根系形態(tài)和結(jié)構(gòu),有利于植物適應(yīng)干旱環(huán)境,加速植被恢復(fù),這對(duì)干旱河谷區(qū)生態(tài)恢復(fù)也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

致謝：中國(guó)科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站提供溫室大棚,北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所微生物室提供菌種,特此致謝。

[1] Hodge A, Berta G, Doussan C, Merchan F, Crespi M. Plant root growth, architecture and function. Plant and Soil, 2009, 321(1/2): 153- 187.

[2] 單立山. 西北典型荒漠植物根系形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能及抗旱生理研究[D]. 蘭州: 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

[3] Finér L, Ohashi M, Noguchi K, Hirano Y. Factors causing variation in fine root biomass in forest ecosystems. Forest Ecology and Management, 2011, 261(2): 265- 277.

[4] 席本野, 王燁, 賈黎明, 司婧, 向地奎. 寬窄行栽植模式下三倍體毛白楊根系分布特征及其與根系吸水的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 47- 57.

[5] Dannowski M, Block A. Fractal geometry and root system structures of heterogeneous plant communities. Plant and Soil, 2005, 272(1/2): 61- 76.

[6] Malamy J E. Intrinsic and environmental response pathways that regulate root system architecture. Plant, Cell and Environment, 2005, 28(1): 67- 77.

[7] Atkinson D, Black K E, Forbes P J, Hooker J E, Baddeley J A, Watson C A. The influence of arbuscular mycorrhizal colonization and environment on root development in soil. European Journal of Soil Science, 2003, 54(4): 751- 757.

[8] Hodge A. Plastic plants and patchy soils. Journal of Experimental Botany, 2006, 57(2): 401- 411.

[9] 宋成軍. 岷江干旱河谷植被恢復(fù)機(jī)制研究——以小馬鞍羊蹄甲為例[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2009.

[10] 丁紅, 張智猛, 戴良香, 康濤, 慈敦偉, 宋文武. 干旱脅迫對(duì)花生根系生長(zhǎng)發(fā)育和生理特性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(6): 1586- 1592.

[11] 郭數(shù)進(jìn), 楊凱敏, 霍瑾, 周永航, 王燕平, 李貴全. 干旱脅迫對(duì)大豆鼓粒期葉片光合能力和根系生長(zhǎng)的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(5): 1419- 1425.

[12] 李文嬈, 張歲岐, 丁圣彥, 山侖. 干旱脅迫下紫花苜蓿根系形態(tài)變化及與水分利用的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(19): 5140- 5150.

[13] 馬富舉, 李丹丹, 蔡劍, 姜東, 曹衛(wèi)星, 戴廷波. 干旱脅迫對(duì)小麥幼苗根系生長(zhǎng)和葉片光合作用的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(3): 724- 730.

[14] 王如巖, 于水強(qiáng), 張金池, 周垂帆, 陳莉莎. 干旱脅迫下接種菌根真菌對(duì)滇柏和楸樹(shù)幼苗根系的影響. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 36(6): 23- 27.

[15] Birhane E, Sterck F J, Fetene M, Bongers F, Kuyper T W. Arbuscular mycorrhizal fungi enhance photosynthesis, water use efficiency, and growth of frankincense seedlings under pulsed water availability conditions. Oecologia, 2012, 169(4): 895- 904.

[16] 張中峰, 張金池, 黃玉清, 楊慧, 羅亞進(jìn), 羅艾瀅. 叢枝菌根真菌對(duì)植物耐旱性的影響研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(6): 1607- 1612.

[17] Smith S E, Smith F A. Roles of arbuscular mycorrhizas in plant nutrition and growth: new paradigms from cellular to ecosystem scales. Annual Review of Plant Biology, 2011, 62(1): 227- 250.

[18] Smith S E, Facelli E, Pope S, Smith F A. Plant performance in stressful environments: interpreting new and established knowledge of the roles of arbuscular mycorrhizas. Plant and Soil, 2010, 326(1/2): 3- 20.

[19] Kardol P, Wardle D A. How understanding aboveground-belowground linkages can assist restoration ecology. Trends in Ecology & Evolution, 2010, 25(11): 670- 679.

[20] 張亞敏, 馬克明, 李芳蘭, 曲來(lái)葉. 干旱脅迫條件下AMF促進(jìn)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(11), doi: 10.5846/stxb201506291320.

[21] 王冰冰, 曲來(lái)葉, 宋成軍, 宮淵波. 岷江干旱河谷優(yōu)勢(shì)灌叢對(duì)土壤微生物群落組成的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(8): 2481- 2493.

[22] 宋成軍, 曲來(lái)葉, 馬克明, 傅伯杰, 陳羚. AM真菌和磷對(duì)小馬安羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6121- 6128.

[23] 陳云, 曲來(lái)葉, 馬克明, 楊曦雨. 岷江干旱河谷小馬鞍羊蹄甲根圍叢枝菌根真菌群落的研究. 菌物學(xué)報(bào), 2016, 35(1): 39- 51.

[24] Fitter A H, Stickland T R. Architectural analysis of plant root systems 2. Influence of nutrient supply on architecture in contrasting plant species. New Phytologist, 1991, 118(3): 383- 389.

[25] 黃京華, 劉青, 李曉輝, 曾任森, 駱世明. 叢枝菌根真菌誘導(dǎo)玉米根系形態(tài)變化及其機(jī)理. 玉米科學(xué), 2013, 21(3): 131- 135, 139- 139.

[26] Wu Q S, Zou Y N, He X H, Luo P. Arbuscular mycorrhizal fungi can alter some root characters and physiological status in trifoliate orange (PoncirustrifoliataL. Raf.) seedlings. Plant Growth Regulation, 2011, 65(2): 273- 278.

[27] Wu Q S, Zou Y N, He X H. Contributions of arbuscular mycorrhizal fungi to growth, photosynthesis, root morphology and ionic balance of citrus seedlings under salt stress. Acta Physiologiae Plantarum, 2010, 32(2): 297- 304.

[28] 曾富蘭. 叢枝菌根真菌誘導(dǎo)黃花蒿(ArtemisiaannuaL.)根系形態(tài)變化及變化的生理機(jī)制[D]. 南寧: 廣西大學(xué), 2014.

[29] 張中峰, 張金池, 黃玉清, 郭曉平, 楊慧, 鄧艷. 水分脅迫和接種菌根真菌對(duì)青岡櫟根系形態(tài)的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 34(5): 1198- 1204.

[30] 王寧, 秦艷. AM真菌對(duì)宿主植物三葉鬼針草根系形態(tài)的影響. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(1): 13- 4, 26- 26.

[31] 何躍軍, 鐘章成. 水分脅迫和接種叢枝菌根對(duì)香樟幼苗根系形態(tài)特征的影響. 西南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 34(4): 33- 39.

[32] Yang H S, Zhang Q, Dai Y J, Liu Q, Tang J J, Bian X M, Chen X. Effects of arbuscular mycorrhizal fungi on plant growth depend on root system: a meta-analysis. Plant and Soil, 2015, 389(1/2): 361- 374.

[33] Oppelt A L, Kurth W, Godbold D L. Topology, scaling relations and Leonardo′s rule in root systems from African tree species. Tree Physiology, 2001, 21(2/3): 117- 128.

[34] 單立山, 李毅, 任偉, 蘇世平, 董秋蓮, 耿東梅. 河西走廊中部?jī)煞N荒漠植物根系構(gòu)型特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(1): 25- 31.

[35] 單立山, 李毅, 董秋蓮, 耿東梅. 紅砂根系構(gòu)型對(duì)干旱的生態(tài)適應(yīng). 中國(guó)沙漠, 2012, 32(5): 1283- 1290.

[36] 呂爽, 張現(xiàn)慧, 張楠, 夏延國(guó), 井家林, 李景文. 胡楊幼苗根系生長(zhǎng)與構(gòu)型對(duì)土壤水分的響應(yīng). 西北植物學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 1005- 1012.

[37] 黃冬. 湖北省21個(gè)典型樹(shù)種細(xì)根形態(tài)結(jié)構(gòu)比較研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

[38] Johnson D, Martin F, Cairney J W G, Anderson I C. The importance of individuals: intraspecific diversity of mycorrhizal plants and fungi in ecosystems. New Phytologist, 2012, 194(3): 614- 628.

Inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi enhances the root system ofBauhiniafaberivar.microphyllaseedlings under drought stress conditions

ZHANG Yamin1,2, MA Keming1, QU Laiye1,2,*

1ResearchcenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can develop a symbiotic relationship with the roots of most terrestrial plants, which can improve the drought tolerance of the host plants. Based on our previous studies, AMF play a critical role in promoting native plant growth in the arid valley of the Minjiang River, China. Furthermore, the effects of AMF on root growth are as important as their effects on aboverground growth. To understand how plant roots respond to AMF under different drought stress conditions, we designed a completely randomized full factorial pot experiment in a greenhouse in the arid valley of the Minjiang River. We added one common AMF (Funneliformismosseae, FM) to the roots of seedlings from a dominant native shrub (Bauhiniafaberivar.microphylla), using three different drought stress conditions. Continuous drought stress was induced by watering the seedlings with distilled water at one-day intervals for three months at low (40%), medium (60%), and high levels (80%) of the field capacity. At the end of the experiment, we harvested the seedlings, and cleaned their roots with distilled water. We subsequently measured the root fresh weight, scanned the roots with a root scanner (EPSON 11000XL), and obtained variables such as root length, root surface area, root volume, root forks, and number of root tips with WinRhizo. We subsequently analyzed the root architecture and the functional characteristics of theB.faberiseedlings to address the relationship between root development and AMF presence under different levels of drought stress. We used one-way ANOVAs, two-way ANOVAs, LSD fitting methods, and Pearson′s correlations for our statistical analyses. Inoculation of FM significantly increased the total root length, root surface area, root forks, and the number of root tips under all three drought stress conditions (P< 0.001). In addition, under medium and high soil water content, it significantly increased root fresh weight and root volume (P< 0.001). More specifically, high soil water conditions resulted in the significantly highest root fresh weight, total root length, root surface area, root volume, and number of root tips after FM addition. Nonetheless, there was no significant difference in average root diameter between inoculated and non-inoculated seedlings. Inoculated seedlings tended to develop a dichotomous branching style, which was more profound at low (40% of field capacity) soil water content (P< 0.001). Furthermore, the root fractions of inoculated seedlings were significantly smaller than the non-inoculated seedlings (P< 0.001). However, there was no significant difference in specific root length among all the treatments. Root fresh weight, root length, root surface area, root volume, root forks, and number of root tips correlated significantly and positively with colonization rate (P<0.001). In contrast, topological index and root fraction were significantly and negatively correlated with colonization rate (P<0.001). Overall, we found that, although AMF did not improve the root absorption efficiency in the initial growth period ofB.faberi, AMF presence significantly affected seedling root morphology and root functional characteristics. These latter effects enhancedB.faberiseedling growth, which allowed the plants to adapt to drought conditions. Finally, the positive effects of AMF on root growth increased with improving water conditions.

Funneliformismosseae;drought stress; root morphology; topology of root system；Bauhiniafaberivar.microphylla

國(guó)家自然科學(xué)基金(31170581)

2016- 01- 28; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201601280209

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lyqu@rcees.ac.cn

張亞敏,馬克明,曲來(lái)葉.干旱條件下接種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2611- 2619.

Zhang Y M, Ma K M, Qu L Y.Inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi enhances the root system ofBauhiniafaberivar.microphyllaseedlings under drought stress conditions.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2611- 2619.