外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松生長的影響

尹大川,祁金玉,鄧?yán)^峰,都 慧,鄧 勛(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,遼寧 沈陽 0866；2遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,遼寧 昌圖 2500；黑龍江省林科院森林保護(hù)研究所,黑龍江 哈爾濱 50040)

外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松生長的影響

尹大川1,2*,祁金玉1,2,鄧?yán)^峰1,2,都 慧1,鄧 勛3(1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,遼寧 沈陽 110866；2遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,遼寧 昌圖 112500；3黑龍江省林科院森林保護(hù)研究所,黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究外生菌根菌與外源 Ca2+是否可以協(xié)同對(duì)樟子松苗木生長的影響.本研究利用菌物學(xué)、生物化學(xué)和生態(tài)學(xué)等研究方法,通過對(duì)菌根化樟子松一年生苗木施加適當(dāng)濃度的外源Ca2+,并對(duì)苗木各部分各項(xiàng)生長和生理指標(biāo)進(jìn)行檢測.結(jié)果表明：(1)適當(dāng)濃度的外源Ca2+和外生菌根菌(ECMF)協(xié)同能夠更好的促進(jìn)樟子松苗木的生長.當(dāng)Ca≤20mmol/L時(shí),苗木高生長達(dá)到最大,為11.4cm和10.6cm,比對(duì)照高32.6%和23.3%.生物量與光合色素含量均高于不施Ca處理組.說明施用適當(dāng)濃度的外源Ca可以放大菌根對(duì)苗木的促生作用.(2)適當(dāng)濃度的外源Ca2+和外生菌根菌協(xié)同能夠更好的提升樟子松苗木的抗氧化能力.施Ca處理主要可以誘導(dǎo)苗木各部分CAT和POD活力上升,通過較高水平的抗氧化酶系,提高苗木質(zhì)量.(3)適當(dāng)濃度的外源 Ca2+和外生菌根菌協(xié)同能夠更好的提高樟子松細(xì)胞耐滲透能力.本研究中,外源 Ca2+,可以有效同外生菌根菌協(xié)同,增加苗木各部分的可溶性蛋白含量.通過主成分分析(PCA)表明,在各項(xiàng)滲透物質(zhì)指標(biāo)當(dāng)中,可溶性蛋白的貢獻(xiàn)率最大.表明外源Ca和外生菌根可以有效誘導(dǎo)植物提高體內(nèi)可溶性蛋白含量,提高抗逆性.(4)菌根苗通過施用適當(dāng)濃度的外源Ca2+達(dá)到加大壯苗的目的是可行的.綜合本研究的各項(xiàng)結(jié)果,不難看出,苗木的生長和生理指標(biāo)的變化一致,生長迅速且健壯的苗木,其體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)和細(xì)胞中滲透物質(zhì)的含量也相應(yīng)的增高.在育苗初期,在苗圃或大田施用外源 Ca2+(或鈣肥)與外生菌根菌協(xié)同以期達(dá)到更好的壯苗之效果,是可行的.

外生菌根菌；外源鈣；樟子松；促生；抗逆

樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)是我國北方主要的造林樹種,具有良好的耐旱、耐瘠薄等特點(diǎn).基于此,使其在我國北方,尤其是東北地區(qū)的植被恢復(fù)和園林綠化方面都發(fā)揮著重要的作用.而造林成功與否的關(guān)鍵因素是苗木的質(zhì)量.在眾多促進(jìn)樟子松生長和提高其抗逆性的方法當(dāng)中,引入植物根際有益微生物無疑是一種相對(duì)較好的方法,它有利于改善苗圃土壤微環(huán)境,可以有效促進(jìn)苗木的生長、增強(qiáng)苗木的抗逆性,并預(yù)防土傳病害的發(fā)生[1].

外生菌根菌(ECMF)是森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的菌類之一,它與林木根系形成結(jié)構(gòu)致密的菌絲體或菌絲鞘,部分菌絲進(jìn)入根系皮層細(xì)胞間隙形成相互聯(lián)結(jié)的哈氏網(wǎng)[2].其在對(duì)寄主的影響方面,最直觀的表現(xiàn)就是對(duì)寄主生長和生理指標(biāo)的影響[3].如接種菌根的火炬松苗木鮮重增加 20%,對(duì)馬尾松苗接種Pt(Pisolithustinctorius)菌根苗和非菌根苗相比,干重、苗高和地徑均有明顯的提高[4].接種褐環(huán)乳牛肝菌可以使馬尾松葉綠素含量與可溶性糖含量增加[5].研究表明,接種外生菌根菌可以顯著提高白皮松葉綠素及營養(yǎng)物質(zhì)的含量,提高苗木的耐旱能力[6].

鈣元素是植物細(xì)胞的重要成分,也是植物受到外界環(huán)境脅迫的重要信號(hào)分子,在細(xì)胞信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中充當(dāng)?shù)诙攀沟慕巧?對(duì)細(xì)胞內(nèi)礦質(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)化合物具有重要的調(diào)節(jié)作用[7-9].在環(huán)境干旱的條件下,鈣離子可以參與脫落酸的跨膜傳遞,調(diào)節(jié)干旱脅迫導(dǎo)致的氣孔關(guān)閉,誘導(dǎo)基因表達(dá),從而增強(qiáng)植物的抗逆性[10].鈣離子在植物水分調(diào)節(jié)中,通過對(duì)質(zhì)膜水孔蛋白磷酸化作用,調(diào)節(jié)植物根細(xì)胞在外界高濃度離子滲透脅迫下的吸水活性[11].同時(shí),鈣離子還可以改善土壤的理化性質(zhì)和增加土壤的團(tuán)聚作用,對(duì)調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)發(fā)揮著良好的作用[12].

在前期的研究基礎(chǔ)上[13],本研究通過菌物學(xué)、植物生理學(xué)與生物化學(xué)方法,以東北遼西北半干旱地區(qū)的主要造林樹種樟子松為研究對(duì)象.通過室內(nèi)接種盆栽的方式,研究不同濃度的外源Ca2+和外生菌根協(xié)同作用對(duì)樟子松苗木生長和生理生化指標(biāo)的影響.為遼西北半干旱地區(qū)苗圃高質(zhì)量育苗與逆境造林改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料來源

樟子松種子由遼寧省固沙造林研究所惠贈(zèng),褐環(huán)乳牛肝菌(S.luteus)分離自遼寧省彰武縣章古臺(tái)實(shí)驗(yàn)林場樟子松人工林下.該地區(qū)自然條件為東經(jīng) 122°11′15″～122°30′00″,北緯 42°37′30″～42°50′00″之間,屬亞濕潤干旱區(qū),年降水量 450～550mm.年蒸發(fā)量1200～1450mm,年均溫5.7℃,最高35.2℃,最低-29.5℃,土壤為風(fēng)沙土.

1.2 前期準(zhǔn)備工作

種子處理：將供試種子用0.5%高錳酸鉀消毒30min,清水沖洗數(shù)次后,用滅菌濕紗布包裹保濕,在人工氣候箱中,置于 25℃下催芽,每天早晚用無菌水各沖洗一次,直至出芽.

無菌土制備：將草炭土、蛭石和河沙按2：1：1的比例配制混合土,置高溫高壓滅菌器中 121℃下滅菌2h,裝入營養(yǎng)缽(直徑15cm×高13cm)中.

播種：在2015年4月將經(jīng)催芽的樟子松種子播入營養(yǎng)缽中,每缽30顆種子,上覆2cm厚無菌土,澆透水后放入沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)大棚中培養(yǎng),待幼苗出土后,定苗至每缽 20株左右.進(jìn)行常規(guī)的日常管護(hù).

菌劑制備：用直徑 5mm的無菌打孔器,切取在PDA平板培養(yǎng)基上培養(yǎng)好的ECMF(培養(yǎng)30d)菌餅,接種于盛有250mL PD液體培養(yǎng)基的三角瓶(500mL)中,每瓶接種 3片菌餅.置于搖床上(25℃、150r/min)振蕩培養(yǎng)30d.得到液體菌劑,使用前用攪碎機(jī)將菌絲體攪碎做勻漿處理.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在出苗 1個(gè)月后,采用打孔灌根的方式進(jìn)行ECMF接種處理,每盆接種ECMF菌劑50mL.每處理5次重復(fù).待形成菌根后添加CaCl2濃度處理,試驗(yàn)分別用3種不同CaCl2濃度處理(濃度為0、10、20mmol/L),在形成菌根1周后,均勻澆灌CaCl2溶液,每盆澆灌100mL.

1.4 相關(guān)指標(biāo)測定

1.4.1 苗木生長指標(biāo)測定 接菌處理之后,實(shí)行正常管護(hù).繼續(xù)生長 3個(gè)月(此時(shí)高生長已經(jīng)停止),取樣一次,每個(gè)處理隨機(jī)抽取生長健壯的樟子松苗木10株,每個(gè)處理3次重復(fù).用直尺和游標(biāo)卡尺測定苗木的苗高和地徑,用天平稱量苗木鮮重,然后將苗木放入105℃的烘箱中,烘干至恒重,稱量苗木的干重.隨機(jī)抽取樟子松細(xì)根20段,將其剪成1cm長度的根段,在光學(xué)顯微鏡下觀查每一根段的菌根數(shù).按下列公式計(jì)算菌根侵染率：

菌根侵染率(%)=外生菌根侵染的根段數(shù)/檢查的總根段數(shù)×100(%)

1.4.2 苗木抗氧化保護(hù)酶活力測定 CAT和POD粗酶液制備：準(zhǔn)確稱取樟子松針葉、根、莖各 0.1g,液氮研磨,按質(zhì)量體積比加入 pH7.0的50mmol/L冷磷酸緩沖液10mL,4℃、10 000r/min低溫離心 20min,上清液即為酶液[14].CAT和POD采用南京建成CAT和POD測定試劑盒測定.

SOD粗酶液制備：準(zhǔn)確稱取樟子松針葉、根、莖各0.1g,液氮研磨,按質(zhì)量體積比加入pH7.8的 50mmol/L 冷磷酸緩沖液10mL,4℃、10000r/min低溫離心20min,上清液即為酶液[14].SOD采用南京建成SOD測定試劑盒測定.

1.4.3 苗木滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)測定可溶性蛋白含量測定：準(zhǔn)確稱取樟子松針葉、根、莖各0.5g,加入10mL蒸餾水,冰浴研磨,吸取上清液,10000rpm/ min離心5min,留上清液.每個(gè)處理3次重復(fù).參照Christos[15],采用考馬斯亮藍(lán)G250法測定.

可溶性糖含量測定：準(zhǔn)確稱取樟子松針葉、根、莖各0.5g,用5mL蒸餾水研磨4000r/min離心15min,留上清液,取上清液l mL定容到100mL容量瓶,稀釋10倍.每個(gè)處理3次重復(fù).參照尹大川[16],采用蒽酮比色法測定.

游離脯氨酸含量測定：準(zhǔn)確稱取樟子松針葉、根、莖各0.5g放入試管中,加入5.0mL的3%磺基水楊酸溶液,將試管浸入沸水浴中提取15min,過濾.吸取濾液2.0mL于試管內(nèi).每個(gè)處理3次重復(fù).采用水合茚三酮比色法測定[17].

1.4.4 苗木光合色素含量測定：采用丙酮研磨法,參照William and Paul[18]方法.準(zhǔn)確稱取樟子松針葉 0.5g,加入 10mL丙酮,冰浴研磨,吸取上清液,10000r/min離心 5min,留上清液.在分光光度計(jì)上分別測定各處理在663nm和645nm處的光吸收值A(chǔ)663和A645.每個(gè)處理3次重復(fù).

1.5 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)用SPSS 13.0進(jìn)行單因素差異顯著性分析(ANOVA) P=0.05,并用 origin8.5繪圖,利用Canoco5.0對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA).

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松苗木生長的影響

接菌的3個(gè)處理[Ca(0), Ca(10)和Ca(20)]的菌根侵染率均達(dá)到了65.0%以上(圖1),3個(gè)處理之間無顯著差異(P＞0.05).關(guān)于各處理之間無顯著差異原因可能是在培養(yǎng)初期,各條件比較一致,菌根真菌與苗木形成菌根的條件也是基本沒有差異.人工接種外生菌根真菌,當(dāng)菌根合成之后,如果外界環(huán)境(如水分、養(yǎng)分等)沒有巨大的變化時(shí),菌根的侵染率基本恒定.這個(gè)結(jié)果與課題組前期研究結(jié)果一致[14].表明人工接種褐環(huán)乳牛肝菌(S.luteus)與樟子松合成外生菌根接種成功(圖 2),在 Ca2+存在條件下不影響菌根的合成.

圖1 不同處理菌根侵染率Fig.1 Colonization rates of different treatments

與對(duì)照相比(即不施用 Ca),各處理組均可顯著促進(jìn)苗木的生長(圖3A).在苗高方面,生長4個(gè)月后(合成菌根后3個(gè)月),Ca(10)處理組苗高達(dá)到最大,為 11.4cm,與不施鈣處理組存在顯著差異(P≤0.05).Ca(20)處理組苗高達(dá)到 10.6cm,雖然高于對(duì)照,但低于 Ca(10)處理組,可能是高濃度的Ca2+對(duì)苗木的生長有一定的抑制作用,但本研究并未設(shè)計(jì)更高濃度的Ca2+處理,因此,無法得出確切的結(jié)論,具體原因有待進(jìn)一步研究探討.在地徑方面,施 Ca處理組的苗木地徑均高于對(duì)照(圖3B),分別為0.08和0.11cm,與對(duì)照組均達(dá)到顯著差異(P≤0.05)水平.值得說明的是,就苗高和地徑2個(gè)指標(biāo)來看,一般大田當(dāng)中的一年生實(shí)生苗根據(jù)地域的不同,苗高也會(huì)存在明顯的差異.在遼寧地區(qū),一年實(shí)生樟子松苗的苗高一般不超過12cm.但由于苗木是在室內(nèi)條件下培養(yǎng)的,外部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,比較利于苗木的生長,因此可能存在一定的徒長現(xiàn)象.但由于處理?xiàng)l件相同,該數(shù)據(jù)基本可以說明問題.

圖2 菌根合成情況(10×)Fig.2 Mycorrhizal synthesis conditions (10×)

在生物量方面,施鈣處理組無論是鮮重還是干重均高于對(duì)照(圖 3C、D).尤其在干重方面, Ca(20)處理組在干物質(zhì)積累方面雖然與 Ca(10)處理組無顯著差異(P＞0.05),但從數(shù)值上看卻高于 Ca(10)處理組,說明其干物質(zhì)積累、提高苗木質(zhì)量方面優(yōu)于Ca(10)處理組.

綜上所述,在苗木合成菌根后,適當(dāng)?shù)氖┯靡欢舛鹊腃a2+,可以有效促進(jìn)苗木的生長,這樣處理比單一接種菌根菌效果要理想.

圖3 不同處理苗木的生長指標(biāo)Fig.3 Growth parameters of different treatments

2.2 外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松苗木抗氧化酶活力的影響

各處理組均可顯著提高苗木的CAT和POD活力水平(圖4A-F).在CAT活力方面,苗木的根、莖、葉,各取樣部位在 CAT活力提升方面均對(duì)Ca2+有良好的響應(yīng).其中 Ca(10)處理組在苗木CAT達(dá)到最高水平,尤其是苗木莖部的CAT活力上升程度最高,為116.83U/mgprot(圖4B).苗木各部分Ca(10)處理組均為CAT最高值,且與其它兩種處理均存在顯著差異(P≤0.05).在POD活力方面,Ca(20)處理組對(duì)苗木根和莖的POD提升起很大的作用,對(duì)于葉部POD活力的提升作用不明顯.在 SOD活力提升方面,Ca2+主要提高莖和葉的SOD活力水平(圖4G-I),但與對(duì)照相比,提高的幅度均不大,有的甚至沒有達(dá)到顯著差異水平(P＞0.05).

綜上所述,對(duì)于菌根化樟子松苗木,適當(dāng)施加Ca2+對(duì)苗木抗氧化保護(hù)酶的活力提高有很好的促進(jìn)作用,說明外源 Ca2+與外生菌根菌協(xié)同可以有效提高苗木的抗氧化能力與相關(guān)抗逆性.

圖4 不同處理苗木的抗氧化酶活性Fig.4 Activities of antioxidant enzyme of different treatments

2.3 外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松苗木細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

可溶性蛋白是一種重要的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),它與植物細(xì)胞的襯質(zhì)勢有很大關(guān)聯(lián).可溶性蛋白的含量升高可以有效降低細(xì)胞的襯質(zhì)勢,可以有效維持植物細(xì)胞處于較低的水勢,抵抗水分脅迫帶來的傷害.因此,可以將苗木可溶性蛋白含量的高低作為苗木抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)之一.在苗木可溶性蛋白含量方面,施加外源 Ca2+對(duì)苗木可溶性蛋白含量主要影響在于苗木的葉部(圖 5C).尤其是 Ca(10)處理組,可溶性蛋白含量與另外兩個(gè)處理的含量均存在顯著差異(P≤0.05).對(duì)于苗木的根和莖則影響不大,含量提升并不明顯.

可溶性糖是調(diào)節(jié)滲透脅迫的小分子物質(zhì),在植物抗逆性調(diào)節(jié)當(dāng)中,其原理與可溶性蛋白類似.與對(duì)照相比,各處理組均可顯著提高苗木可溶性糖含量(圖 5D-F).尤其對(duì)于苗木的莖部,兩個(gè)施用外源 Ca2+處理組與對(duì)照組相比均達(dá)到顯著差異(P≤0.05)水平,二者可溶性糖含量分別達(dá)到128.44和113.77μg/g.其次是苗木根部,與對(duì)照相比,Ca(10)處理組可溶性糖含量達(dá)到 120.03μg/g,與對(duì)照達(dá)到顯著差異(P≤0.05)水平.而對(duì)于葉部可溶性糖含量,外源Ca2+的提升作用并不明顯.

圖5 不同處理苗木的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Fig.5 Content of osmotic adjustment substances of seedlings

脯氨酸是植物細(xì)胞質(zhì)中一種游離氨基酸,具有很高的水溶性.它可以保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng),維持胞內(nèi)酶的結(jié)構(gòu),減少細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解,脯氨酸含量的增高能夠降低植物細(xì)胞的滲透勢,防止細(xì)胞脫水.本研究當(dāng)中,對(duì)于苗木游離脯氨酸含量,各處理主要影響苗木根和葉部的脯氨酸含量.尤其以根部最為明顯(圖5G-I).與對(duì)照相比,兩種施加外源Ca的處理組游離脯氨酸含量均與對(duì)照組達(dá)到顯著差異(P≤0.05)水平.而對(duì)于莖部,結(jié)果卻恰恰相反,具體原因不明,需要進(jìn)一步研究.

2.4 外源鈣與外生菌根協(xié)同對(duì)樟子松苗木光合色素含量的影響

光合色素含量的高低,直接決定著植物生長的好壞.本研究中,與對(duì)照相比,各施加外源Ca處理組均可以有效提高苗木針葉當(dāng)中葉綠素含量(圖6).其中Ca(10)處理組無論對(duì)苗木葉綠素a還是葉綠素 b的提高程度均顯著高于其他處理組.以上結(jié)果表明,在苗木合成菌根以后,適當(dāng)施用低濃度的外源Ca2+,可以有效促進(jìn)苗木的生長,提高苗木質(zhì)量.

圖6 不同處理苗木光合色素含量Fig.6 photosynthetic pigment of different treatments

3 討論

苗木質(zhì)量的高低最直觀的指標(biāo)就是生長指標(biāo),它可以直接評(píng)價(jià)苗木生長的好壞程度.對(duì)于樟子松接種其高效外生菌根菌,可以有效促進(jìn)其生長,這早已是學(xué)界所承認(rèn)的研究定論.關(guān)于外生菌根促進(jìn)苗木生長的研究也非常的多.吳小芹研究發(fā)現(xiàn),接種外生菌根菌可以有效增強(qiáng)松苗水分和養(yǎng)分的吸收,從而增強(qiáng)松苗的生長勢,可以有效地抵抗松枯梢病[19].與此同時(shí),菌根促進(jìn)植物生長的重要機(jī)制之一就是促進(jìn)樹木對(duì)營養(yǎng)元素的吸收[20-21].而鈣元素是植物細(xì)胞的重要成分,也是植物受到外界環(huán)境脅迫的重要信號(hào)分子.鈣離子在植物水分調(diào)節(jié)中,通過對(duì)質(zhì)膜水孔蛋白磷酸化作用,調(diào)節(jié)植物根細(xì)胞在外界高濃度離子滲透脅迫下的吸水活性,從而使植物可以有效抵御滲透脅迫,度過難關(guān)[11].因此,在本研究當(dāng)中,施加外源鈣Ca2+能夠與外生菌根菌協(xié)同,加大原有的菌根對(duì)植物的促進(jìn)作用.有研究表明,適當(dāng)增加Ca2+能有效同叢枝菌根發(fā)生協(xié)同增效作用,促進(jìn)玉米生長.但在高鈣體系,當(dāng)施入Ca2+＞20mmol/L時(shí),玉米地上部分和根系部分氮磷鉀累積量隨著外源鈣濃度增加而減少,說明高鈣對(duì)氮、磷和鉀的有拮抗關(guān)系[22].在本研究結(jié)果當(dāng)中也出現(xiàn)了雖無顯著差異(P＞0.05),但 Ca(20)處理組苗高數(shù)值上低于Ca(10)處理組苗高的情況.但是由于本研究所限,該結(jié)論需要進(jìn)一步進(jìn)行研究驗(yàn)證.苗木的生長質(zhì)量是決定造林成功與否的主要因素.在本研究中,接種外生菌根菌后再施加外源 Ca2+,可以有效放大外生菌根對(duì)苗木的促生作用,加快苗木的生長.與此同時(shí),苗木的可溶性蛋白含量升高,光合效率增大,抗氧化酶活性增強(qiáng),生長和生理指標(biāo)的變化一致,說明適當(dāng)濃度的外源 Ca2+和外生菌根菌協(xié)同能夠更好地加速苗木的形態(tài)建成,提高苗木的生長勢.

圖7 苗木抗氧化酶PCA分析Fig.7 PCA of antioxidant enzyme

通過合成菌根施加外源 Ca2+后,對(duì)苗木抗氧化酶的觀察發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,經(jīng)外源 Ca2+處理后的苗木表現(xiàn)出更高的酶活性.在菌根化之后,適當(dāng)濃度的外源 Ca2+能更好地將菌根的功能適當(dāng)放大.CAT、POD和SOD是植物體內(nèi)主要的抗氧化環(huán)境脅迫的酶系,通過它們的變化程度可以反映植物的抗逆性[23].在本研究當(dāng)中,對(duì)于適當(dāng)濃度的外源 Ca2+添加,能夠更好地聯(lián)合外生菌根菌誘導(dǎo)苗木產(chǎn)生更高水平的CAT和POD,尤其是 Ca(10)處理組表現(xiàn)尤為突出.而SOD沒有達(dá)到顯著差異(P＞0.05)水平可以說明“濃度要適當(dāng)”.主成分分析(PCA)結(jié)果表明,施Ca處理主要可以誘導(dǎo)苗木各部分CAT和POD活力上升(圖7),使得CAT和POD在保護(hù)酶體系的變化上,對(duì)苗木的貢獻(xiàn)率最大,提高苗木的抗逆性.

圖8 苗木滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)PCA分析Fig.8 PCA of osmotic adjustment substances

可溶性蛋白和糖是植物細(xì)胞內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可溶性蛋白具有較強(qiáng)的親水性,它能明顯增強(qiáng)細(xì)胞的持水力,而可溶性蛋白含量的增加可以束縛更多的水分,減少外界條件下脅迫對(duì)細(xì)胞致死的機(jī)會(huì)[24],可溶性糖可以提高細(xì)胞液濃度,降低水勢,增加保水能力,可以起到與可溶性蛋白對(duì)細(xì)胞相似的保護(hù)效果[25-26].本研究當(dāng)中,施加適當(dāng)濃度的外源Ca2+,可以有效和外生菌根協(xié)同,增加苗木各部分的可溶性蛋白含量.PCA分析表明,各滲透物質(zhì)可以有效的被分散開來,在處理之后的各項(xiàng)指標(biāo)當(dāng)中,貢獻(xiàn)率最大的是可溶性蛋白含量(圖 8).這與苗木生長狀況的結(jié)果是一致的,蛋白含量升高,苗木細(xì)胞滲透性和保水能力有所增強(qiáng),可以有效抵御外界脅迫,提高苗木抗脅迫能力,降低苗木的死亡率.研究表明,脯氨酸的積累需要碳水化合物,而糖是提供碳骨架來源[27].本研究當(dāng)中,除了莖部之外,其它各部分可溶性糖和脯氨酸的變化趨勢基本上是一致的.關(guān)于游離脯氨酸含量與植物抗逆性的關(guān)系在科學(xué)界尚有爭論.大量研究表明,植物體內(nèi)游離脯氨酸含量與植物耐脅迫的能力呈正相關(guān)[28],有的與植物耐脅迫的能力呈負(fù)相關(guān)[29-30].本研究當(dāng)中,在不同的部位,脯氨酸含量呈現(xiàn)不同,這種“反?！钡默F(xiàn)象還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究.

本研究利用打孔灌根接種外生菌根真菌處理一年生樟子松苗木,在合成菌根一個(gè)月后施用適當(dāng)濃度的外源 Ca2+.苗木的生長勢和體內(nèi)生理抗性指標(biāo)的變化是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的,生長強(qiáng)壯的苗木,其體內(nèi)生理活性應(yīng)該相應(yīng)增強(qiáng).綜合本研究的各項(xiàng)結(jié)果,不難看出,苗木的生長和生理指標(biāo)的變化一致,生長迅速且健壯的苗木,其體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)和細(xì)胞中滲透物質(zhì)的含量也相應(yīng)的增高.在育苗初期,在苗圃或大田施用外源 Ca2+(或鈣肥)與外生菌根協(xié)同達(dá)到更好的壯苗之效果,是可行的.當(dāng)然,我們僅僅是通過盆栽試驗(yàn)做了一個(gè)初步的嘗試,在苗圃當(dāng)中的大面積施用還沒有進(jìn)行,具體結(jié)果不得而知.在苗圃和大田當(dāng)中,各種限制因素遠(yuǎn)比盆栽復(fù)雜.比如,土壤環(huán)境.本研究采用無菌土壤進(jìn)行盆栽試驗(yàn),目的是為了保證接種的菌根盡可能種類單一,而事實(shí)上,苗木是在大棚環(huán)境培養(yǎng)的,不可能不受到土壤微生物的影響,但由于之前對(duì)土壤進(jìn)行了滅菌處理,相關(guān)微生物重新組建菌落需要時(shí)間,況且我們的實(shí)驗(yàn)周期僅為4個(gè)月,因此即使土壤微生物存在一定影響,由于苗木培養(yǎng)時(shí)間和培養(yǎng)條件均一致,所以本文的試驗(yàn)結(jié)果可以說明問題.本文僅研究了外生菌根菌對(duì)干旱-半干旱區(qū)樟子松的生長和生理影響,需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)土壤的生態(tài)環(huán)境改良效果的研究,完善外生菌根真菌對(duì)干旱-半干旱區(qū)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)功能.綜上所述,本研究結(jié)果可以為今后進(jìn)一步研究提供數(shù)據(jù)借鑒,同時(shí)也可以為遼西北半干旱地區(qū)苗圃高質(zhì)量育苗與逆境造林改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù).

4 結(jié)論

4.1 適當(dāng)濃度的外源Ca2+(Ca2+≤20mmol/L)和外生菌根協(xié)同能夠更好的促進(jìn)樟子松苗木的生長.

4.2 適當(dāng)濃度的外源 Ca2+(Ca2+≤20mmol/L)和外生菌根協(xié)同能夠更好的提升樟子松苗木的過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶活性,更好得抵御環(huán)境脅迫帶來的活性氧(ROS)積累.

4.3 適當(dāng)濃度的外源 Ca2+(Ca2+≤20mmol/L)和外生菌根協(xié)同能夠更好的提高樟子松細(xì)胞可溶性糖、蛋白和游離脯氨酸含量,提升細(xì)胞的耐滲透能力.

4.4 菌根苗通過施用適當(dāng)濃度的外源Ca2+達(dá)到加大壯苗的目的是可行的.

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Effects of Ectomycorrhizal cooperating with exogenous calcium on Pinussylvestris var. mongolica growth.

YINDa-chuan1,2*, QI Jin-yu1,2, DENG Ji-feng1,2, DU Hui1, DENG Xun3(1.College of Forestry, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2.Research Station of Liaohe-River Plain Forest Ecosystem, Changtu 112500, China；3.Forestry Protection Institute of Heilongjiang Forestry Academy, Harbin 150040, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2295～2304

This study aimed to test whether ectomycorrhizal fungi and exogenous Ca2+have collaboratively influence on the growth trait of Pinus sylvestris var. mongolica seedlings. During our study, several research methods like mycology, biochemistry, and ecology were used. And the appropriate concentration of exogenous Ca2+was applied to one-year-old mycorrhizal seedlings, then the growth and physiological traits of various parts of seedlings were tested. The results indicated that: (1)Appropriate concentration of exogenous Ca2+associated with ECMF could better promote the growth of P. sylvestris var. mongolica seedlings. When Ca concentration≤20mmol/L, the plants height reached to the maximum, which were 11.4cm and 10.6cmseparately,andwere 32.6% and 23.3% higher than control, which treated without applying Ca concentration. Both of biomass and photosynthetic pigment contents were higher than the treatments without applying Ca concentration. The results above showed that an appropriate concentration of exogenous Ca could magnify the effect of mycorrhizal on growth of seedlings. (2) Appropriate concentration of exogenous Ca2+associated with ECMF could better promote the antioxidant ability of P. sylvestris var. mongolica seedlings. By applying exogenous Ca2+, the CAT and POD activities in every part of seedlings were increased, and the quality of seedlings were improved due to the high levels of antioxidant enzyme system. (3) Appropriate concentration of exogenous Ca2+associated with ECMF could better promote the resistance to penetration of P. sylvestris var. mongolica seedlings. In the paper, by using exogenous Ca2+together with ECMF could effectively increase the content of soluble protein of P. sylvestris var. mongolica seedlings. The PCA analysis indicated that, the soluble protein have the greatest contribution among all osmolytes indicators. The result also showed that exogenous Ca2+and ECMF could lead to the increasement of content of soluble protein in plants, and their stress resistance was improved as well. (4) It is possible to achieve the goal of promoting the growth and physiological traits of seedlings by applying the appropriate concentration of exogenous Ca2+. In conclusion, apparently, the variation trends of growth and physiological traits were similar, the internal antioxidant enzyme system and osmolytes content were higher in the rapid growth and strong seedlings. In the early seedling stage, by applying the appropriate concentration of exogenous Ca2+(or calcium fertilizer) associated with ECMF in the greenhouse or field would obtain better strong seedling results, and this method is feasible.

ectomycorrhizal fungi；exogenous Ca2+；Pinus sylvestris var. Mongolica；growth；resistance

X173,Q89

A

1000-6923(2017)06-2295-10

尹大川(1987-),男,黑龍江齊齊哈爾人,講師,博士,研究方向?yàn)樯直Ｗo(hù)學(xué)與環(huán)境微生物學(xué).發(fā)表論文9篇.

2016-11-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31670649,31200484);沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才啟動(dòng)項(xiàng)目(2015年度)

* 責(zé)任作者, 講師, yindachuan@126.com