AMF對(duì)土壤壓實(shí)脅迫下高羊茅生理的影響

徐 孟，郭紹霞

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)菌根生物技術(shù)研究所，山東 青島266109； 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院，山東 青島266109)

土壤壓實(shí)是城市土壤物理退化的主要形式和普遍存在的現(xiàn)象[1]，壓實(shí)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)體破壞、容重增加、孔隙度降低、滲水率下降[2]、穿透阻力增大，影響植物生理代謝活動(dòng)。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一種專性營(yíng)養(yǎng)共生真菌[3]。AMF能提高植物的抗旱性、抗病性[4]、耐鹽性[5]、耐低溫[6]、耐金屬脅迫[7]等，但關(guān)于AMF對(duì)城市壓實(shí)土壤環(huán)境下植物生理的研究報(bào)道甚少。

本研究采用PVC管為容器，人為夯實(shí)對(duì)土壤進(jìn)行壓實(shí)，模擬土壤壓實(shí)脅迫下接種叢枝菌根真菌對(duì)高羊茅(Festucaarundinacea)抗逆性生理調(diào)節(jié)物質(zhì)含量作比較研究，從而闡明接種叢枝菌根真菌對(duì)高羊茅適應(yīng)土壤壓實(shí)脅迫的生理機(jī)制，為菌根技術(shù)在壓實(shí)土壤綠化中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1　材料

供試菌種：摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae,Fm)和根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradice，Gi)兩種菌種均來(lái)自青島農(nóng)業(yè)大學(xué)菌根生物技術(shù)研究所，采用三葉草(Trifolum)擴(kuò)繁，接種劑含AMF孢子、菌絲片段、侵染根段。

供試植物：高羊茅“艾瑞3號(hào)”，英文名Arid Ⅲ。

供試土壤為棕壤，采自青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，基本性狀為：pH 6.91，速效磷含量11.73 mg·kg-1，速效鉀含量184.27 mg·kg-1,全氮含量85.09 mg·kg-1,全磷含量2.27 g·kg-1,全鉀含量497.07 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)含量1.84%，滅菌(121 ℃，2 h)。

1.2　試驗(yàn)方法

土壤處理：試驗(yàn)于2016年3月在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室進(jìn)行。土壤壓實(shí)梯度參照青島市城陽(yáng)區(qū)土壤壓實(shí)現(xiàn)狀[8]，設(shè)4個(gè)壓實(shí)梯度,分別為1.2、1.3、1.4和1.5 g·cm-3；每個(gè)壓實(shí)梯度分別接種摩西管柄囊霉、根內(nèi)球囊霉、摩西管柄囊霉和根內(nèi)球囊霉混合菌劑5 000接種勢(shì)[IP=N×W×K+S，IP為接種勢(shì)單位，N為單位長(zhǎng)度根段內(nèi)含有的泡囊數(shù)量，W為根重(g)，K為單位質(zhì)量根系長(zhǎng)度(cm)，S為單位質(zhì)量或體積接種劑內(nèi)孢子數(shù)量][9]，對(duì)照(CK)加等量滅菌接種物。即AMF(4)×壓實(shí)梯度(4)共16個(gè)處理，每個(gè)處理有6次重復(fù)，隨機(jī)排列。容器選用PVC管，管內(nèi)徑10 cm，高23 cm。根據(jù)土壤緊實(shí)度要求、容器體積及土壤含水量計(jì)算出每個(gè)處理所需的土壤重量，然后裝土，容重大的采用木夯錘擊壓實(shí)。每個(gè)處理土壤裝至離管邊3 cm處。每個(gè)PVC管內(nèi)播種50粒高羊茅種子[10]，保持土壤含水量為20%～30%。同年5月26月采樣測(cè)定。

1.3　測(cè)定指標(biāo)

抗氧化酶活性：超氧化物歧化物(superoxide dismutase,SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)活性均參考王學(xué)奎[11]的方法測(cè)定。抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)按照陳建勛和王曉峰[12]的方法進(jìn)行測(cè)定。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)：脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均參考王學(xué)奎[11]的方法測(cè)定。

質(zhì)膜系統(tǒng)：相對(duì)電導(dǎo)率(EC)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量均參考王學(xué)奎[11]的方法測(cè)定。

1.4　數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理

采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、繪圖，用DPS 7.05軟件進(jìn)行多重比較分析(LSD法)。

2　結(jié)果與分析

2.1　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅SOD、POD、CAT、APX、NR活性的影響

在一定范圍內(nèi)，隨著土壤容重的增加高羊茅葉片中的SOD、POD、APX值會(huì)有所增加，而CAT值則下降，NR則先升高后下降(表1)。接種AMF處理，高羊茅葉片的SOD、POD、CAT、APX、NR活性均顯著提高；同一種土壤壓實(shí)脅迫下，混合接種處理極顯著優(yōu)于未接種處理，其次是摩西管柄囊霉，CK處理最差。并且在1.3 g·cm-3的土壤容重和混合接種方式下這3種酶活性最強(qiáng)，SOD為708.67 U·g-1、POD為63.93 U·(min·g)-1、CAT為52.20 U·(min·g)-1、APX為1 031.40 U·(min·g)-1、NR為8.16 U·(min·g)-1。土壤壓實(shí)脅迫和AMF交互作用對(duì)高羊茅葉片SOD、APX、NR活性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但對(duì)POD、CAT活性沒(méi)有顯著影響(P>0.05)。

2.2　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

在一定范圍內(nèi)，土壤容重的增加使未接種處理的高羊茅葉片可溶性糖、蛋白質(zhì)含量和脯氨酸含量顯著升高(P<0.05)(圖1)。接種處理后顯著(P<0.05)提高高羊茅葉片可溶性糖、蛋白質(zhì)含量及降低脯氨酸含量。在1.5 g·cm-3的土壤容重下混合接種顯著(P<0.05)提高了高羊茅的可溶性糖含量和蛋白質(zhì)含量，與未接種處理相比，分別增加了36.03%、56.69%；而脯氨酸的含量則降低了62.42%。方差分析表明，土壤壓實(shí)脅迫和AMF對(duì)高羊茅脯氨酸含量影響極顯著(P<0.01)，對(duì)蛋白質(zhì)含量影響顯著(P<0.05)，而對(duì)可溶性糖含量沒(méi)有顯著性影響(P>0.05)。

2.3　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅質(zhì)膜系統(tǒng)的影響

隨著土壤壓實(shí)脅迫程度增大，高羊茅丙二醛的含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)(圖2)，在同一菌種作用下，丙二醛的含量隨土壤容重的增大而增加，容重為1.5 g·cm-3的處理脅迫下丙二醛的含量和相對(duì)電導(dǎo)率與容重為1.2 g·cm-3的處理差異顯著(P<0.05)，接種AMF降低了土壤壓實(shí)脅迫下高羊茅丙二醛的含量和相對(duì)電導(dǎo)率。方差分析表明，土壤壓實(shí)脅迫和AMF對(duì)高羊茅相對(duì)電導(dǎo)率影響顯著(P<0.05)，而對(duì)MDA含量影響不顯著(P>0.05)。

表1　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅SOD、POD、CAT、APX、NR活性的影響Table 1　Effect of arbuscular mycorrhizal fungi and soil compaction on superoxide dismutase activity, peroxidase activity, catalase activity, ascorbate peroxidase, and nitrate reductase activity in Festuca arundinacea

同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。*、**和ns分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著和0.05水平差異不顯著。Fm,摩西管柄囊霉;Gi,根內(nèi)球囊霉。下同。

Different lowercase letters with the same column indicate significant difference at the 0.05 levels. *, ** and ns indicate the significance at 0.05, 0.01 and no significance, Fm,Funneliformismosseae; Gi,Glomusintraradice, respectively; similarly for the following tables.

3　討論與結(jié)論

新陳代謝過(guò)程中或受到外界環(huán)境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的活性氧，這些多余的活性氧會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害，如植物細(xì)胞膜系統(tǒng)被破壞、抗氧化酶失活、信號(hào)傳遞受阻等[13-14]。吳亞維等[15]研究認(rèn)為緊實(shí)土壤中生姜(Zingiberofficinale)生長(zhǎng)較弱，易遭受土壤緊實(shí)脅迫，導(dǎo)致生姜保護(hù)酶活性增強(qiáng)?？赡苁且?yàn)橹参矬w內(nèi)抗氧化酶合成受細(xì)胞內(nèi)底物水平的控制，土壤壓實(shí)條件下，植株體內(nèi)H2O2含量顯著增加[16]，為清除高羊茅體內(nèi)過(guò)氧化物，抗氧化酶活性提高[14]。當(dāng)植物體內(nèi)產(chǎn)生并積累的過(guò)氧化物超出防御系統(tǒng)的清除能力會(huì)引起活性氧的積累，造成膜脂過(guò)氧化和膜系統(tǒng)的損壞，丙二醛及相對(duì)導(dǎo)率升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使植物細(xì)胞死亡[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤容重的增加高羊茅葉片中SOD、POD及APX活性升高，但CAT活性有所下降，且葉片中丙二醛及相對(duì)電導(dǎo)率升高，表明高羊茅在壓實(shí)脅迫下，植物體內(nèi)產(chǎn)生了過(guò)多的氧化物，并對(duì)高羊茅產(chǎn)生了一定的毒害。接種AMF處理的土壤壓實(shí)下高羊茅抗氧化酶活性有顯著影響，土壤壓實(shí)脅迫下接種都顯著提高了高羊茅葉片的SOD、POD、CAT、APX，并降低了相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量。該結(jié)果與接種AMF提高植物抗鹽性[18-19]、抗旱性[20]、耐低溫[21]等逆境表現(xiàn)一致,這表明接種AMF能有效提高土壤壓實(shí)脅迫下植物抗氧化酶活性，減輕土壤壓實(shí)脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的傷害?？赡苁侵参飳?duì)外源微生物侵入的應(yīng)激反應(yīng)，雖然AMF與植物是互惠共生體系，當(dāng)接種AMF后，大量的外源真菌侵染根系，導(dǎo)致抗氧化酶活性增加[22]。

土壤壓實(shí)后會(huì)使其容重增加、滲透率下降、蓄水力下降、有效水含量下降，不利于植物生長(zhǎng)。當(dāng)植物生長(zhǎng)受到抑制，會(huì)通過(guò)降低細(xì)胞的滲透勢(shì)來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境，這一現(xiàn)象稱作滲透調(diào)節(jié)[23]。滲透物質(zhì)分為兩種，一種是無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)離子，如K+、Mg2+等；另一種是有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性糖、游離氨基酸、甜菜堿等。劉爽和吳永波[24]認(rèn)為土壤壓實(shí)會(huì)增大樹(shù)木脯氨酸含量。Pedrol等[25]研究認(rèn)為，植物受到脅迫時(shí)，游離脯氨酸和可溶性蛋白同時(shí)增加。張顯強(qiáng)等[26]認(rèn)為，脅迫進(jìn)一步加強(qiáng)則會(huì)使可溶性糖積累，植物通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，減少滲透勢(shì)，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)酶類(lèi)活動(dòng)，維持了細(xì)胞的正常功能[27]。本研究中，隨著土壤容重的增加，高羊茅葉片的脯氨酸含量、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈顯著增加。接種AMF處理的高羊茅葉片中可溶性糖含量極顯著增加，蛋白質(zhì)含量顯著增加而脯氨酸含量極顯著降低。脯氨酸含量能反映植物受脅迫的強(qiáng)弱。賀學(xué)禮等[28]認(rèn)為干旱脅迫下接種AMF降低了民勤絹蒿(Seriphidiumminchunense)葉片脯氨酸含量。柏曉玲等[21]認(rèn)為AMF提高鹽脅迫下黃瓜(Cucumissativus)幼苗可溶性蛋白、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，提高植物抗鹽性。表明接種AMF能緩解水分脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。本研究中，土壤壓實(shí)脅迫下高羊茅滲透物質(zhì)含量顯著增加，接種AMF處理高羊茅葉片可溶性糖、蛋白質(zhì)含量升高脯氨酸含量顯著下降。這與柳潔等[29]研究結(jié)果一致，表明接種AMF能提高植物抗壓實(shí)脅迫性。

圖1　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig. 1　Effect of arbuscular mycorrhizal fungi and soil compaction on osmotic adjustment substances of Festuca arundinacea

圖2　AMF和土壤壓實(shí)脅迫對(duì)高羊茅質(zhì)膜系統(tǒng)的影響Fig. 2　Effect of arbuscular mycorrhizal fungi and soil compaction on plasmid membrane system of Festuca arundinacea

硝酸還原酶(NR)是植物體內(nèi)控制硝酸鹽同化的關(guān)鍵酶，硝酸還原酶活性高低控制著這一同化過(guò)程，同時(shí)影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成[30]。斯琴巴特爾和吳紅英[31]研究認(rèn)為干旱、鹽和鹽堿逆境下玉米(Zeamays)幼苗葉片硝酸還原酶活性顯著下降。陳丹明等[32]認(rèn)為接種AMF有利于提高牡丹(Paeoniasuffruticosa)幼苗的葉綠素含量、硝酸還原酶、可溶性糖及可溶性蛋白的含量，增強(qiáng)牡丹幼苗生理活性和抗逆性。本研究中硝酸還原酶活性受到土壤壓實(shí)的影響，隨著土壤容重的增大，高羊茅葉片中硝酸還原酶活性降低而接種AMF處理的硝酸還原酶活性顯著高于未接種處理。

接種AMF增強(qiáng)高羊茅葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶活性降低氧化脅迫造成的傷害。本研究結(jié)果顯示，AMF與土壤容重的交互作用可極顯著或顯著影響高羊茅葉片SOD、APX、NR、蛋白質(zhì)含量、相對(duì)電導(dǎo)率，說(shuō)明接種AMF尤其是混合接種處理能在一定程度上改善高羊茅的抗壓實(shí)能力，而AMF與土壤容重的交互作用仍需要進(jìn)一步深入研究。本研究探索和揭示AMF通過(guò)介導(dǎo)植物生理生化代謝途徑來(lái)提高高羊茅抗土壤壓實(shí)脅迫，對(duì)AMF在壓實(shí)土壤中的應(yīng)用有重要意義。