根內(nèi)生真菌印度梨形孢侵染對(duì)黑麥草氣體交換和生長(zhǎng)發(fā)育的影響

吳 ， ， ， *

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖北 荊州434025； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 湖北 荊州434025)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)與植物根系共生，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆性具有很大的影響，但AMF菌根真菌在實(shí)際生產(chǎn)上的應(yīng)用受到很大的限制，因?yàn)锳MF的繁殖需與植物共生才能進(jìn)行。AMF菌根真菌的這種特性，使得它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)大規(guī)模繁殖變得困難。印度梨形孢(Piriformosporaindica)是從印度拉賈斯坦邦沙漠植物根際分離的一種植物內(nèi)生真菌[1]，它不屬于AMF，但具有AMF菌根真菌所具有的功能，如增加植物對(duì)鹽脅迫[2-3]和干旱脅迫[4-5]的抗性，提高植物對(duì)病原菌的抗性[6-7]，促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收[8-9]，促進(jìn)植物早開花[10-11]。印度梨形孢具有AMF菌根真菌所不具備的兩個(gè)特點(diǎn)：其一為印度梨形孢可以非活體培養(yǎng)[12-13]，其二為印度梨形孢能夠侵染很多植物。AMF菌根真菌不能侵染的擬南芥[14-15]，但印度梨形孢也能侵染[16-18]。正因?yàn)樗哂羞@樣的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以把它當(dāng)做生物肥料、生物保護(hù)劑、植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑使用[19]，因此，它將在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景[20]。在我國(guó)，對(duì)印度梨形孢開展的研究較少[21-24]，主要集中于棉花、水稻、玉米等大田作物[21,25-26]，而以草業(yè)植物為試驗(yàn)材料的研究則更少[24,27]。到目前為止，尚未有印度梨形孢對(duì)黑麥草(Loliumperenne)生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究。為了更好地在草業(yè)科學(xué)上利用這種有益內(nèi)生真菌，本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)，在黑麥草栽培基質(zhì)中接種印度梨形孢，分析印度梨形孢對(duì)黑麥草氣體交換和生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

1 材料與方法

1.1 黑麥草的培養(yǎng)與印度梨形孢的接種

本研究采用基因組已經(jīng)測(cè)序的印度梨形孢菌株(DSM 11827)。該菌株由德國(guó)耶拿大學(xué)Ralf Oelmüller 教授提供。黑麥草(LoliumperenneL.)種子購(gòu)自山東鄆城泰禾種業(yè)有限公司。將農(nóng)資市場(chǎng)上購(gòu)買的園藝育苗培養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行高壓滅菌，然后將其裝入塑料盆(口徑15 cm)，每盆裝入培養(yǎng)基質(zhì)1千克。將黑麥草種子均勻地播入盆內(nèi)。待黑麥草長(zhǎng)出2片葉子時(shí)，進(jìn)行間苗，每盆保留5株。間苗4天后進(jìn)行印度梨形孢接種：每盆接種10 mL印度梨形孢菌絲懸浮液(10 g·L-1)，對(duì)照組則接種10 mL滅活的印度梨形孢菌絲懸浮液。接種組和對(duì)照組各20盆。盆栽盆放在露天盆栽場(chǎng)，根據(jù)培養(yǎng)基質(zhì)的水分情況進(jìn)行水分管理：春季不下雨時(shí)每2天澆水1次，夏季不下雨時(shí)每天上午澆水1次。

1.2 氣體交換和葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定

選擇黑麥草完全展開的葉片，以光合儀(LI-6400XT，Li-Cor，美國(guó))進(jìn)行氣體交換測(cè)定。在晴朗的上午9:30-12:00進(jìn)行測(cè)定，采用人工光源，其光強(qiáng)設(shè)置為800 μmol·m-2·s-1。每盆含有5株黑麥草，測(cè)定時(shí)隨機(jī)選取3株，每株只選取1個(gè)葉片，每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)定2次。因此接種和未接種印度梨形孢的處理，各測(cè)定60個(gè)葉片。葉綠素?zé)晒獠捎?PAM葉綠素?zé)晒鈨x (JUNIOR-PAM, Walz, Heinz Walz GmbH, 德國(guó))在已測(cè)定氣體交換的葉片上測(cè)定葉綠素?zé)晒飧鲄?shù)[28]。

1.3 生物量和分蘗數(shù)的測(cè)定

將黑麥草植株從培養(yǎng)基質(zhì)中取出，用自來(lái)水清洗其根系直至干凈，然后帶回實(shí)驗(yàn)室。用鋒利的小刀將黑麥草植株從根莖結(jié)合處分離，分別放入信封中，做好標(biāo)記后放入恒溫烘箱中(75℃)烘烤12 h 。待冷卻后取出，然后利用分析天平稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素分析，比較印度梨形孢接種組和對(duì)照組之間各生理參數(shù)的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 印度梨形孢接種對(duì)黑麥草氣體交換的影響

印度梨形孢接種對(duì)黑麥草氣體交換產(chǎn)生了很大的影響。從圖1可知，印度梨形孢接種顯著提高了黑麥草的凈光合速率和蒸騰速率(圖1A，P<0.05)，也顯著地增加氣孔導(dǎo)度和水分虧缺(圖 1B，P<0.05)，顯著地降低胞間二氧化碳濃度(圖1C，P<0.05)。

圖1 印度梨形孢侵染對(duì)黑麥草氣體交換的影響Fig.1 Effect of infection of P.indica on gasexchange in leaves of L.perenne

印度梨形孢侵染顯著提高熒光參數(shù)Y(II)和qP(圖 2A，P<0.05)，也顯著提高熒光參數(shù)qL(圖 2B，P<0.05)，同時(shí)，印度梨形孢侵染降低黑麥草的熒光參數(shù)NPQ，但降低的幅度并不顯著(圖 2B)。印度梨形孢侵染對(duì)三個(gè)熒光參數(shù)YNO、YNPQ和ETR則沒有顯著影響(圖 2C和D)。

圖2 印孢侵染對(duì)黑麥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effect of infection of P.indica on fluorescence parameters in leaves of L.perenne

2.2 印度梨形孢接種對(duì)黑麥草水分和光能利用效率的影響

印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染顯著降低其水分利用效率(water use efficiency, WUE)(圖3A，P<0.05)，而顯著提高其光能利用效率(light use efficiency, LUE)(圖3B，P<0.05)。

圖3 印孢侵染對(duì)黑麥草水分利用效率(WUE)和光能利用效率(LUE)的影響Fig.3 Effect of infection of P.indica on WUE and LUE of L.perenne

2.3 印度梨形孢接種對(duì)黑麥草生物量累積和分蘗數(shù)的影響

印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染增加了黑麥草根系、地上部分以及總生物量，但這種變化并不顯著(圖4A)；同時(shí)減少了黑麥草的分蘗數(shù)，但變化也不顯著(圖 4B)。

3 討論

印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染，提高了黑麥草的凈光合速率(圖 1A)。這種提高與印度梨形孢提高黑麥草的光合機(jī)制有關(guān)。雖然印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染并沒有顯著改變熒光參數(shù)NPQ、YNO、YNPQ和ETR(圖2B、C和D)，但顯著提高了熒光參數(shù)Y(II)和qP(圖2A)。熒光參數(shù)Y(II)代表光系統(tǒng)II光化學(xué)量子產(chǎn)量，qP則代表光化學(xué)淬滅[29]，這兩個(gè)參數(shù)的顯著提高，說(shuō)明印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染提高了黑麥草葉片對(duì)所吸收的光能的轉(zhuǎn)化，更多的吸收光能用于驅(qū)動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)，從而提高了黑麥草對(duì)光能的利用效率(圖3B)。光能利用效率的提高，對(duì)于提高植物單位時(shí)間內(nèi)生物量的累積具有重要意義。印度梨形孢侵染黑麥草可以提高其根系、地上部分以及總生物量(圖4A)，應(yīng)該與其光能利用效率的提高具有很大關(guān)系。而印度梨形孢如何促進(jìn)光能利用效率，尤其是關(guān)于它對(duì)色素的生物合成以及光反應(yīng)中心多種蛋白生物合成的影響，則需要更進(jìn)一步研究。

圖4 印度梨形孢侵染對(duì)黑麥草生物量(A)和分蘗 (B)的影響Fig.4 Effect of infection of P.indica on biomass (A) and tiller number (B) of L.perenne

印度梨形孢提高黑麥草光合速率，可能與印度梨形孢促進(jìn)黑麥草對(duì)營(yíng)養(yǎng)吸收有關(guān)。在印度梨形孢中，已經(jīng)分離了一種磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PiPT[8]。這種磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠幫助寄主植物加強(qiáng)對(duì)磷酸鹽的吸收，從而促進(jìn)寄主植物的生長(zhǎng)[9]。此外，印度梨形孢還能促進(jìn)氮在杉木葉片中分配比例(作者未發(fā)表數(shù)據(jù))，這種促進(jìn)作用可直接影響到光合作用過(guò)程中最重要酶Rubisco的數(shù)量，因?yàn)?Rubisco占葉片總蛋白的 20%～25%[30]，占葉片可溶性蛋白的 60%[31]。

印度梨形孢對(duì)黑麥草的侵染可促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng)與生物量的累積(圖4A)，這與其他研究的結(jié)果一致[22,32]，其促進(jìn)作用可使黑麥草總生物量增加10.87%，與對(duì)照相比，沒有顯著性差異，其原因在于印度梨形孢作為一種共生內(nèi)生真菌，它的生長(zhǎng)發(fā)育需寄主植物供給大量的碳水化合物，因此印度梨形孢與黑麥草共生則大量消耗黑麥草通過(guò)光合作用固定的碳水化合物。通過(guò)這種消耗作用印度梨形孢與鴨嘴花(Adhatodavasica)共生能顯著促進(jìn)鴨嘴花生長(zhǎng)，而在黑麥草上表現(xiàn)更明顯[33]。內(nèi)生菌Neotyphochium coenaphalum 可以促進(jìn)高羊茅(Festuraarundinace)的分蘗[24]，但內(nèi)生真菌印度梨形孢侵染黑麥草并沒有增加其分蘗(圖4B)，這可能與內(nèi)生真菌-寄主植物之間的內(nèi)在關(guān)系有關(guān)。

4 結(jié)論

黑麥草受到印度梨形孢的侵染后，光系統(tǒng)機(jī)制發(fā)生改變，提高了光能利用效率，使其凈光合速率顯著提高，最終引起黑麥草的總生物量增加。因此，印度梨形孢可用于提高黑麥草產(chǎn)量。