叢枝菌根真菌對NaCl脅迫下紫花苜蓿的生理指標 及光合參數(shù)的影響

張永志，高文俊，郭艷妮，郝鮮俊

(山西農(nóng)業(yè)大學 動物科技學院，山西 太谷 030801)

鹽漬化土壤是世界大面積存在的土壤類型，也是我國分布較為廣泛的土系之一。聯(lián)合國教科文組織調(diào)查結(jié)果顯示，世界約有95.44×107hm2的土壤為鹽漬化土壤，而我國就擁有3.67×107hm2的鹽漬化土壤。鹽漬土由于各類鹽含量過高，造成土壤板結(jié)、土壤肥力低下、植物生長困難及土壤可利用條件苛刻等問題[1-2]。由于鹽漬土在我國覆蓋面積較廣，地域跨度較大，鹽漬化土壤嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展與耕地的使用效率[3]。

對鹽漬土施用土壤改良劑是目前土壤改良常用的手段，如利用燃煤煙氣脫硫廢棄物對土壤進行改良，或者是在土壤改良劑中加入腐殖質(zhì)和有機肥等原料[4-6]，施用土壤改良劑后的土壤磷元素含量增加，植物的生長發(fā)育得到優(yōu)化，土壤養(yǎng)分的儲存量也逐步增加[5]。但是利用土壤改良劑進行土壤改良經(jīng)濟消耗較大[6-7]，且容易受到地理條件、生態(tài)環(huán)境和自然氣候等因素影響，因而利用微生物的手段進行土壤改良逐漸被研究人員所重視，利用微生物進行土壤改良主要包括硫氧化細菌、放線菌、光合細菌和叢枝菌根真菌(AMF)等。研究表明，AM真菌可與植物聯(lián)合共生，在植物根際土壤微環(huán)境中，通過AM真菌的作用，使宿主植物的耐鹽性和抗逆性得到有效提高，促進了宿主植物在貧瘠板結(jié)等條件下的生長發(fā)育[8]。微生物菌劑的使用可以增加土壤中的速效磷、速效鉀以及氮元素的含量，同時還可以降低土壤的pH和NaCl濃度，緩解各類不利因素對植物生長發(fā)育的抑制作用[9-10]，從而提高土壤的利用價值，創(chuàng)造土壤改良再利用的新方法。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是豆科苜蓿屬多年生草本植物,又名紫苜蓿、苜蓿。紫花苜蓿中苜一號(Medicagosativacv.Zhongmu No.1)根系生長發(fā)育優(yōu)良，并且根系較為粗大，入土程度較深，吸收營養(yǎng)能力顯著[11-12]。通過對紫花苜蓿品種中苜一號接種3種不同的AMF真菌，幼套球囊霉(Glomusetunicatum)、摩西球囊霉(Glomusmosseae)、根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradices)，以驗證在不同的NaCl濃度條件下，3種AM真菌對中苜一號的影響。通過試驗，論證AM真菌對紫花苜蓿的耐鹽機制，以及不同的AM真菌對中苜一號在鹽脅迫下生長的影響，為鹽漬土壤利用及中苜一號的推廣提供理論指導和實踐驗證。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理

AM真菌購買自北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所BGC菌種庫，包括幼套球囊霉(Glomusetunicatum，簡稱Ge) 編號BGC NM03F、摩西球囊霉(Glomusmosseae，簡稱Gm)編號BGC NM03D、根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradices，簡稱Gi)編號BGC JX04B。在溫室條件下(溫度20℃～25℃，相對濕度65%～80%)，利用玉米(Zeamays)種子進行菌根真菌擴繁，在玉米生長3個月后，將含有真菌孢子、根外菌絲和真菌侵染根段的土壤作為接種菌劑。

試驗所用的苜蓿種子為中國農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所的中苜一號。試驗時選取顆粒飽滿的種子，置于培養(yǎng)箱中過夜進行催芽處理，將催芽的種子進行播種?；|(zhì)為土壤和河沙混合物，混合比例為1∶3，在121℃進行蒸汽滅菌?；|(zhì)層分布為滅菌基質(zhì)、接種菌劑、滅菌基質(zhì)，接種菌劑每個盆栽20 g。

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽的方式，在山西農(nóng)業(yè)大學草學實驗室進行，苜蓿種子出苗后，進行間苗定株，每個盆栽20株，間苗后生長兩周開始進行不同NaCl濃度的脅迫處理。由于較高的NaCl濃度會對植株造成損傷，在進行脅迫時，NaCl濃度采取逐日遞增的方式，每日遞增50 mmol/L，直至最終試驗濃度。試驗的NaCl濃度設為0、50、100、150、200 mmol/L 5個梯度，每組4次重復。鹽脅迫30 d時，進行光合特性的測定，待苜蓿收獲后進行其他相應指標的測定。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1 菌根侵染率 采用Phillips和Hayman染色法及根段頻率法。

1.3.2 光合特性的測定 在鹽脅迫處理30 d時，用CI-340光合儀，測定胞間二氧化碳濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)。測定時間為上午10∶00～12∶00。

1.3.3 生理生化指標的測定 脯氨酸含量測定用Bates等[13]的方法；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0以及Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度NaCl脅迫下AM真菌對中苜一號侵染的影響

在不同濃度NaCl脅迫下，3種不同的AM真菌菌種對中苜一號的侵染率不同(圖1)，隨著鹽濃度的不斷升高，AM真菌對中苜一號的侵染率逐漸降低。Ge在0、50、100、150 mmol/L濃度下，對中苜一號的的侵染率極顯著低于Gm和Gi對紫花苜蓿的侵染率(P<0.01)，在200 mmol/L濃度下，Ge和Gi對紫花苜蓿的侵染率無顯著差異(P>0.05)，均顯著低于Gm對紫花苜蓿的侵染率(P<0.05)，AM真菌對宿主植物的親和力不同，侵染率可能受到宿主植物的抗脅迫能力和新陳代謝能力的影響。而Gm，Gi和Ge對中苜一號的侵染率變化基本一致，但對同一鹽濃度下的紫花苜蓿的侵染率不相同，表明AM真菌與宿主植物之間具有雙向選擇性。

圖1 鹽脅迫下AMF對紫花苜蓿侵染率的影響Fig.1 Effects of AMF on the infection rate of Medicago sativa under Salt Stress

2.2 不同濃度NaCl脅迫下接種AM真菌對中苜一號生理生長的影響

2.2.1 不同濃度NaCl脅迫下接種AM真菌對中苜一號脯氨酸含量的影響 在不同濃度NaCl脅迫下，中苜一號的地上部分與地下部分的脯氨酸含量均呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，且未表現(xiàn)出下降的趨勢(表1)，在200 mmol/L NaCl處理下，中苜一號的脯氨酸含量達到最高，試驗表明中苜一號的滲透調(diào)節(jié)機制在高濃度的鹽處理下仍未失去作用。接種不同AM真菌的中苜一號的脯氨酸在各個濃度的鹽處理下均極顯著低于未進行接種的空白對照組(P<0.01)，表明中苜一號在接種AM真菌后，有效的緩解了鹽脅迫對其造成的傷害。接種Gm的中苜一號的脯氨酸含量在0、50、100、150、200 mmol/L NaCl處理下均顯著低于接種Ge、Gi的中苜一號的脯氨酸含量(P<0.05)，植物的抗逆性越強，植物體內(nèi)的脯氨酸含量越低，抗逆性越弱，植物體內(nèi)的脯氨酸含量越高。變化趨勢表明，AM真菌雖然有效的緩解了鹽脅迫對中苜一號的損傷，提高了中苜一號的抗逆性，但是，由于宿主植物與AM真菌之間的雙向選擇性，不同的AM真菌對中苜一號的抗逆性影響不同(表1)。

表1 接種AM真菌與NaCl脅迫處理下紫花苜蓿的脯氨酸含量

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同

2.2.2 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號可溶性蛋白含量的影響 不同濃度的NaCl對中苜一號的可溶性蛋白含量有顯著的影響(表2)，中苜一號在受到鹽脅迫時，接種AM真菌與未接種AM真菌的可溶性蛋白含量在0、50、100、150、200 mmol/L NaCl處理下都呈現(xiàn)出上升的趨勢，地上部分的變化與地下部分的變化相一致，且隨著NaCl濃度的增加，可溶性蛋白含量不斷增加。接種AM真菌的中苜一號的可溶性蛋白含量顯著高于未接種AM真菌的中苜一號(P<0.05)。

試驗表明在鹽脅迫下接種不同AM真菌均能夠有效的提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力，增加植物的抗逆性，在一定程度上緩解鹽脅迫對植物體造成的損害。接種Gm的中苜一號的可溶性蛋白含量顯著高于接種Ge、Gi的植株(P<0.05)，而接種Ge、Gi的中苜一號可溶性蛋白含量則差異不顯著，表明Gm菌種對中苜一號的作用在各個濃度的鹽處理下都要優(yōu)于Ge和Gi菌種對中苜一號的作用。

表2 接種AM真菌與NaCl脅迫處理下紫花苜蓿的可溶性蛋白含量

2.2.3 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號可溶性糖含量的影響 隨著NaCl濃度的不斷增加，接種AM真菌與未接種AM真菌的中苜一號的可溶性糖含量也隨之增加(表3)，中苜一號地上部分的可溶性糖的變化趨勢與地下部分的變化趨勢相一致，未接種AM真菌的中苜一號可溶性糖含量在0、50、100、150、200 mmol/L NaCl脅迫處理下顯著低于接種AM真菌的中苜一號(P<0.05)。接種Gm的中苜一號可溶性糖的含量要高于接種Ge和Gi的含量，且Gm顯著高于Ge和Gi(P<0.05)，而Ge和Gi之間差異不顯著，3種不同的AMF 菌種都能有效的增加中苜一號的可溶性糖的含量，由于宿主植物與AM真菌之間的選擇性導致了接種不同AM真菌后中苜一號可溶性糖含量的差異。

表3 接種AMF與鹽脅迫處理下紫花苜蓿的可溶性糖含量

2.3 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號抗氧化系統(tǒng)的影響

2.3.1 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號超氧化物歧化酶(SOD)的影響 植物體在受到鹽脅迫時，隨著NaCl濃度的不斷增加，接種AM真菌與未接種AM真菌的中苜一號SOD活性均呈現(xiàn)出上升的變化趨勢(表4)，且隨著NaCl濃度的增加，SOD活性不斷增加，各個鹽濃度之間差異顯著(P<0.05)。在NaCl脅迫條件下，接種AM真菌的植物SOD活性顯著高于未接種的植株。接種Gm的中苜一號SOD活性高于接種Ge和Gi的植株，且差異顯著(P<0.05)，而Ge和Gi之間差異不顯著。中苜一號地下部分的SOD活性的變化與地上部分變化相一致，且地上部分的SOD含量高于地下部分。

表4 接種AM真菌與NaCl脅迫處理下紫花苜蓿的SOD活性

2.3.2 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號過氧化物酶(POD)的影響 隨著NaCl濃度的增加，中苜一號的POD活性在接種AM真菌與未接種AM真菌下都呈現(xiàn)出上升的變化趨勢(表5)，地下部分與地上部分的變化一致。在NaCl脅迫條件下，接種AM真菌的中苜一號的POD活性顯著高于未接種的植株，相同濃度NaCl脅迫下，接種Gm的中苜一號的POD活性顯著高于接種Ge和Gi的POD活性(P<0.01)，而Ge和Gi之間差異不顯著。

表5 接種AM真菌及NaCl脅迫處理下紫花苜蓿的POD活性

2.3.2 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號丙二醛(MDA)含量的影響 隨著NaCl濃度的增加，中苜一號的MDA含量也隨著鹽濃度的增加而增加(表6)，在各個鹽濃度處理下，接種AM真菌的紫花苜蓿MDA含量顯著低于未接種的植株(P<0.05)，相同NaCl濃度脅迫下，接種Gm的植物體內(nèi)MDA含量顯著低于接種Ge、Gi的植株(P<0.05)，而Ge和Gi之間差異不顯著。地下部分與地上部分變化一致，且地下部分的MDA含量高于地上部分，說明植物在受到鹽脅迫時，根部受到的脅迫程度大于地上部分。

表6 接種AM真菌及鹽脅迫處理下紫花苜蓿的MDA含量

2.4 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號光合特性的影響

隨著NaCl濃度的升高，中苜一號的光合速率(Pn),蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)呈下降趨勢，胞間二氧化碳濃度(Ci)呈上升趨勢。未接種AM真菌的中苜一號的Pn顯著低于接種AM真菌的Pn(P<0.05)，接種Gm的Pn顯著高于接種Ge和Gi(P<0.05)，且Ge和Gi二者之間差異不顯著。接種Gm的則在0和50 mmol/L NaCl脅迫下，Pn差異不顯著，但在100、150和200 mmol/L的NaCl脅迫下差異顯著(P<0.05)，接種Gm可以使植物耐受低鹽脅迫,降低鹽脅迫對植物造成的傷害；接種Ge和Gi以及未接種AM真菌的植物的Pn在各個濃度之間差異顯著(P<0.05)。在50 mmol/L處理下，接種Gm，Ge和Gi的中苜一號的Pn分別為14.22，12.95和13.0 μmol/(m2·g)，分別小于0 mmol/L處理時的15.24，14.04，14.11 μmol/(m2·g)，但是高于未接種AMF的0 mmol/L處理下的12.47 μmol/(m2·g)，此變化趨勢表明在50 mmol/L NaCl處理下，AM真菌對NaCl的影響大于鹽脅迫對植物的影響；當鹽濃度增加到在100 mmol/L時，接種Gm，Ge和Gi的Pn分別為12.21，10.86和10.47 μmol/(m2·g)，低于未接種AM真菌的12.47 μmol/(m2·g)，表明此時的鹽濃度對植物的影響大于接種AM真菌對植物的影響，植物在此鹽濃度下遭受到鹽脅迫的損害。

不同的NaCl濃度下，Tr與Gs的變化規(guī)律相同(表7)，都是隨著NaCl濃度的增加而減弱，同時各個NaCl濃度之間差異顯著，接種AM真菌的中苜一號的Tr和Gs顯著高于未接種的中苜一號(P<0.05)，而接種Gm的顯著高于接種Ge和Gi(P<0.05)，Ge和Gi之間差異不顯著。Ci的含量隨著NaCl濃度的增加而增加，且接種AM真菌的中苜一號的Ci含量顯著低于未接種AM真菌的中苜一號(P<0.05)。接種不同AMF的中苜一號0和50 mmol/L NaCl處理下，Ci之間差異不顯著，與100、150、200 mmol/L則鹽處理下差異顯著(P<0.05)。

表7 接種AM真菌及NaCl脅迫處理下紫花苜蓿的光合參數(shù)

3 討論

3.1 不同NaCl濃度下AM真菌對中苜一號根系侵染的影響

侵染率是AM真菌與宿主植物親和力的體現(xiàn)，AM真菌與宿主植物之間存在著雙向的選擇性，兩者之間親和力較好，則侵染率較高，兩者之間親和力較低，則侵染率較低。從試驗結(jié)果可以看出，Gm與Gi對紫花苜蓿的侵染率要高于Ge對紫花苜蓿的侵染率，這表明Gm與Gi和紫花苜蓿的親和力要相對好于Ge對紫花苜蓿的親和力，通過對比在不同NaCl濃度條件下的AM真菌對紫花苜蓿的侵染率可以看出，侵染率隨著NaCl濃度的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢，并且各個NaCl濃度之間的侵染率差異顯著。研究表明，相對于受到鹽脅迫的植株，未受到鹽脅迫的植株更容易與AM真菌形成共生體[15]，楊海霞等[16]在利用AM真菌對高羊茅進行接種時，亦發(fā)現(xiàn)摩西球囊霉能夠顯著的提高高羊茅的耐鹽性。

由于植物受到鹽脅迫而導致AM真菌與植物共生體的菌絲分支受到影響[17]，叢枝數(shù)及泡囊數(shù)也相對減少[18]，因而AM真菌的侵染能力下降，使得AM真菌對植物抗逆性的影響減弱，植物體受到鹽分的傷害程度增加,與張義飛等[19]研究不同濃度鹽脅迫下AM真菌對羊草生長的影響結(jié)果相一致，AM真菌對牧草的侵染率受到鹽脅迫的影響。

3.2 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中苜一號的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量都隨著NaCl濃度的增加而增加，且未呈現(xiàn)出下降的變化趨勢。研究表明，植物體內(nèi)的脯氨酸和可溶性蛋白的含量受到NaCl濃度的影響，NaCl濃度越高，植物體內(nèi)的脯氨酸和可溶性蛋白含量亦會隨之增加[20]，當NaCl濃度超過植物所能耐受的最高鹽濃度時，由于植物受到鹽離子的傷害，其細胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞[21]，植物基本生理代謝能力也遭到破壞[22]，植物體內(nèi)的脯氨酸和可溶性蛋白含量會出現(xiàn)下降的變化趨勢。中苜一號在最高的鹽濃度處理下，其脯氨酸、可溶性蛋白以及可溶性糖含量表現(xiàn)為上升的變化趨勢，說表明中苜一號具有較強的耐鹽能力，能夠在高濃度的鹽脅迫環(huán)境中維持生長發(fā)育。

試驗結(jié)果還表明，接種AM真菌后的中苜一號在脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量均顯著高于未接種AM真菌的空白對照組，且接種AM真菌與未接種AM真菌的植物的變化趨勢相同，說明AM真菌對中苜一號在NaCl脅迫處理下的影響與植物自身的生長調(diào)節(jié)機制有關，在不同的NaCl濃度下，AM真菌均有效的發(fā)揮作用，以滿足植物為維持生長發(fā)育和抗鹽脅迫的需要而積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這與陸爽等[23]人的研究結(jié)果一致。由于接種的AM真菌菌種不同，接種AM真菌處理后中苜一號的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量也不相同[24-25]。因此，在鹽漬化土壤種植植物時，仍需要根據(jù)不同的植物種類選擇與之匹配的最佳AM真菌菌種，以提高植物的抗逆性，緩解植物的生長發(fā)育中受到的損傷。

3.3 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號抗氧化系統(tǒng)的影響

植物受到鹽脅迫時，MDA含量增加隨著膜脂過氧化程度的增加而增加[26]。植物為了改變鹽環(huán)境對植株體造成的損傷，不斷增加抗氧化系統(tǒng)酶活性，SOD和POD等抗氧化酶活性增加，減弱膜脂過氧化作用，從而減輕鹽離子對植株造成的損傷。試驗結(jié)果表明，5個鹽梯度的處理下，接種AM真菌的中苜一號的SOD和POD活性逐漸增加，這與王繼華等[27]研究結(jié)果一致，柱花草和苜蓿在熱脅迫和冷脅迫時，SOD和POD增活性加。SOD在植物抵抗鹽脅迫的過程中，起防止、中斷膜脂過氧化，對細胞膜系統(tǒng)損傷起保護作用。植物在受到逆境脅迫時，產(chǎn)生的氧自由基數(shù)量增加，SOD 的活性也增加，以便清除氧自由基，減少膜脂過氧化作用[28]。同樣的POD活性的變化與SOD在鹽脅迫環(huán)境下的變化一致。

3.4 不同NaCl濃度下接種AM真菌對中苜一號光合特性的影響

由于高濃度的鹽環(huán)境會導致植物的水分流失，因而在NaCl脅迫狀態(tài)下對植物的光合特性影響較大。植物由于自身的調(diào)節(jié)作用，在失水狀態(tài)下會關閉氣孔以減少水分的蒸騰，由于葉片氣孔的關閉，其氣體交換率減弱，相對應也導致其光合作用的的減弱[29-30]。試驗發(fā)現(xiàn)，在對中苜一號進行NaCl脅迫時，其Pn，Tr和Gs等光合特性都發(fā)生了變化，Pn，Tr和Gs等在不同NaCl濃度條件下都呈現(xiàn)出下降的趨勢，且隨著NaCl濃度的增加而下降，接種AM真菌的植物的Pn，Tr和Gs顯著高于未接種AM真菌的植物。Ci則隨著NaCl濃度的增加而增加，且接種AM真菌的中苜一號的Ci含量顯著低于未接種AM真菌的中苜一號。a其變化趨勢證明了AM真菌對植物的生長期間的光合特性有著顯著的影響，接種的AM真菌菌種不同也會呈現(xiàn)出不同的作用。

4 結(jié)論

NaCl脅迫顯著影響了AM真菌對紫花苜蓿中苜一號根系的侵染，且隨著NaCl濃度的增加，侵染率逐漸下降。不同的NaCl濃度脅迫下，AM真菌均有效的促進中苜一號的SOD活性、POD活性、丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量的增加。接種AM真菌后，中苜一號的Pn，Tr和Gs隨著NaCl濃度的增加而下降，Ci則隨著NaCl濃度的增加而增加，AM真菌對中苜一號生長期間的光合特性有著顯著的影響。