AMF對間套作體系中植物-土壤-微生物相互作用的影響及機制*

賈琴宇，劉 靈**，黃庶識

(1.珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護教育部重點實驗室，廣西桂林 541006；2.廣西師范大學生命科學學院，廣西桂林 541006；3.廣西科學院，廣西海洋天然產(chǎn)物與組合生物合成化學重點實驗室，廣西南寧 530007)

0 引言

進入21世紀以來，隨著社會的飛速發(fā)展，人口過度增長、農(nóng)耕面積不斷縮小、土地退化等問題已然不可忽視。間套作種植作為緩解農(nóng)業(yè)發(fā)展壓力的一條生態(tài)型復合種植方式，通過錯行種植兩種及兩種以上的作物，充分利用農(nóng)田不同空間和時間的養(yǎng)分、水熱、光照等資源，增加土地的復種指數(shù)，提高作物經(jīng)濟產(chǎn)量[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代我國間套作種植面積達3 300萬hm2，間套作種植幾乎遍布我國每一個省份和地區(qū)[3]。有研究表明，棗樹、棉花間作增加35%的土地利用率，與棗樹、棉花單作相比，經(jīng)濟產(chǎn)量均提高30%以上[4]。作物、豆科間套作是廣泛應(yīng)用的種植模式，趙建華等[5]研究表明，蠶豆、大豆和豌豆分別與玉米間作的土地當量比均大于1，其中大豆、玉米間作時玉米平均生長速率(采樣期)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量最高，且玉米相對大豆的資源競爭力隨間作時間增加而逐漸升高。劉培等[6]研究表明，甜玉米、大豆間作體系中持續(xù)4年減量施氮(300 kg·hm-2)不影響土壤有機質(zhì)和全N、全P等養(yǎng)分含量，對甜玉米的產(chǎn)量穩(wěn)定性沒有顯著影響。小麥、蠶豆(下文簡稱麥豆)間作體系中[7]，小麥感染全蝕病菌導致小麥地上部干重減少31%，但補償性地增加蠶豆地上部干重(增加30.4%)，體系生物量保持穩(wěn)定。間套作可以減少土壤病蟲害的發(fā)生與傳播，有研究發(fā)現(xiàn),玉米根組織中的門布和苯并噻唑能顯著降低間作大豆疫霉孢子的萌發(fā)率和游動，使大豆疫霉根腐病的發(fā)生顯著降低[8]?？梢婇g套作是提高產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入、降低化肥和農(nóng)藥使用量的重要措施。

叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)可與陸地上90%以上的開花植物建立共生關(guān)系，形成叢枝菌根[9]。AMF增強植物吸收土壤水分和N、P等養(yǎng)分的能力，且能提高植物的抗逆性及作物產(chǎn)量品質(zhì)等[10-11]。在干旱條件下小麥接種根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagusintraradices，R.i)，植株莖和籽粒的N、P含量顯著增加，水分利用效率提高，小麥抗旱能力提高[12]。棉花和異形根孢囊霉(Rhizophagusirregularis)共生時，植物體內(nèi)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白家族基因的表達量和P含量顯著提高，促進棉花生長并大幅提高其產(chǎn)量[13]。辣椒、菜豆間作并接種土著AMF，兩種農(nóng)作物的生物量和N吸收量顯著提高，且N吸收量與AMF的侵染率呈極顯著正相關(guān)水平[14]。AMF侵染不同的植物根系形成共生菌絲網(wǎng)絡(luò)(Common Mycorrhizal Network，CMN)，可對養(yǎng)分等資源進行傳遞分配，調(diào)節(jié)植物間的競爭關(guān)系[15]。玉米、大豆(下簡稱玉豆)間作并接種AMF,一定程度上提高兩種作物的N吸收量和含量，降低二者根際土壤的堿解N含量，其中對間作玉米N和P吸收能力的增強效應(yīng)最大[16-17]?？梢姡珹MF在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(如間套作體系)中有很重要的作用。

1 AMF在間套作體系中的作用

1.1 AMF對植物根系特征的影響

根系是植物吸收水分和營養(yǎng)的重要器官，其形態(tài)特征影響植物地上部的生長發(fā)育。AMF與植物共生改變根系特征，擴展根系吸收水分和養(yǎng)分的范圍；AMF菌絲比植物根系細長且菌絲內(nèi)部無橫隔，有助于植物攝取更多的水養(yǎng)分，促進植物生長發(fā)育[18]。接種AMF可使麥豆間作體系中的小麥比根長和根密度顯著增加[19]，玉米、綠豆間作體系中玉米的根長、直徑、體積及面積顯著增加并達到最大[20]。玉豆間作系統(tǒng)中，大豆單接AMF處理的總根長、根表面積分別顯著增加68%、77%，玉米根系也有相似的增加效應(yīng)，兩作物的根部N、P含量均顯著增加[21]。干旱環(huán)境中接種AMF能顯著增加香蕉幼苗的根數(shù)、根干重，同時增加三葉橙的主根和一級、二級、三級側(cè)根的根毛密度、長度(除主根外)和直徑，擴大水分吸收范圍，提高植物耐旱能力[22-23]?？梢?，AMF通過改變宿主植物根系特征，影響著植物的生長發(fā)育。

1.2 AMF對植物根際微生物的影響

土壤微生物是土壤養(yǎng)分活化、傳輸、循環(huán)等的重要參與者，微生物數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu)的變化引起土壤肥力改變。AMF侵染植物對其根際微生物群落結(jié)構(gòu)及功能等產(chǎn)生影響：AMF的菌絲及分泌物促進或抑制一些微生物生長，AMF也能通過分泌球囊霉素、影響植物根系生長及形態(tài)等改變土壤微環(huán)境，間接影響植物根際微生物群落[24-25]。同時，土壤微生物也影響AMF的繁殖，二者的相互作用影響植物的生長發(fā)育。

1.2.1 AMF與土壤細菌

AMF能與一些微生物如根際促生細菌(Plant Grow Promoting Rhizobacteria，PGPR)等相互促進，改變土壤環(huán)境，有利于宿主生長發(fā)育。其中能夠與AMF產(chǎn)生協(xié)同增效作用的PGPR多為假單胞菌屬和芽孢桿菌屬[26-27]。在模擬干旱條件下，雙接種AMF和熒光假單胞菌并通過菌絲網(wǎng)絡(luò)向小米(間作豌豆)傳輸水分，增加其莖和根的N、P含量，提高小米抗旱能力[28]。根瘤菌(Rhizobium)是一類在土壤中常見的革蘭氏陰性菌，能夠與豆科植物和極少數(shù)非豆科植物共生。麥豆間作雙接種AMF和根瘤菌處理的根瘤數(shù)明顯大于單接根瘤菌或不接種處理，植物P吸收量顯著提高[29]。玉米、紫花苜蓿間作系統(tǒng)中，AMF、根瘤菌雙接種處理的紫花苜蓿結(jié)瘤數(shù)和玉米根系A(chǔ)MF的侵染率最高，玉米生物量和P含量相比玉米單作均顯著增加30%以上[30]。玉豆間作體系中,雙接種處理的大豆的AMF的侵染率和根瘤數(shù)均達到最大，大豆固N效率提高，且向玉米的N轉(zhuǎn)移量增加，最終表現(xiàn)出間作的產(chǎn)量優(yōu)勢[31]。蠶豆雙接種根瘤菌和AMF處理，與不接種處理對比，其葉面積比、豆莢和籽粒的重量等生產(chǎn)力參數(shù)顯著提高[32]?？梢婋p接種AMF和根瘤菌能夠協(xié)同促進作物生長，提高間作體系的產(chǎn)量。

AMF的接種影響植物根際細菌數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，促進作物生長。川梨三葉草間作體系中，川梨接種AMF后其根際土壤細菌和固氮菌數(shù)量增加，土壤有機質(zhì)、全K和堿解N含量顯著提高，且這3種養(yǎng)分含量與細菌、固氮菌數(shù)量呈顯著或極顯著相關(guān)[33]。金橘、大豆(下簡稱金豆)間作并接種AMF處理中，金橘根際土壤的細菌群落物種數(shù)大幅提高，土壤有機C含量和植株鮮重顯著增加[34]。Cd污染土壤中蘿卜套種黑麥草并外施納米氫氧化鎂條件下，黑麥草接種摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae，F(xiàn).m)處理的土壤細菌數(shù)量顯著增加，土壤Cd含量下降，土壤環(huán)境得以改善[35]。研究發(fā)現(xiàn)AMF孢子周圍能富集一些特定的微生物群落(稱孢子相關(guān)細菌)，如放線菌屬、芽孢桿菌屬和根瘤菌屬等。這些微生物可提高植物對土壤N、P養(yǎng)分利用率，并通過產(chǎn)生抗生素、鐵載體等提高植物抗病性，與AMF共同促進植物生長[36]。

1.2.2 AMF與土壤真菌

AMF侵染植物根系，能與一些有益真菌相互促進或抑制某些病原真菌的生長[37]。如麥豆間作和水稻、西瓜間作體系中，接種AMF顯著降低蠶豆和西瓜根際土壤的尖孢鐮刀菌數(shù)量和真菌數(shù)量，使植物枯萎病的發(fā)病率減少[38-39]。在番茄、黃瓜間作體系中，雙接種AMF和尖孢鐮刀菌處理降低尖孢鐮刀菌的孢子發(fā)芽率，這可能由于雙接種增加番茄根系分泌物中的檸檬酸和綠原酸含量所導致[40]。在番茄分別與韭菜、羅勒間作體系中也發(fā)現(xiàn)，接種AMF抑制番茄根際的尖孢鐮刀菌生長，使番茄枯萎病的病情嚴重程度分別下降70%和63%[41]。接種AMF能通過改變土壤真菌數(shù)量來影響土壤環(huán)境，如在干旱條件下的金豆間作體系[42]和西瓜連作土壤中間作胡椒的處理[43]中，接種AMF使土壤真菌的數(shù)量減少，細菌和放線菌數(shù)量增加，土壤質(zhì)量得以改善，促進植物生長。

1.2.3 AMF與土壤放線菌

AMF與土壤放線菌互作的研究相對較少。接種AMF能夠通過改變土壤放線菌等微生物組成來改善土壤環(huán)境。如采煤沉陷區(qū)中間作種植向日葵和蠶豆，接種AMF處理增加0-20 cm土層的放線菌和真菌數(shù)量，其中對放線菌數(shù)量的增加效應(yīng)最大，比不接種處理增加826%[44]。馬鈴薯連作土壤中間作蠶豆或玉米，接種AMF處理均使馬鈴薯根際土壤放線菌比例上升[45]。此外，接種AMF可與辣椒和茄子根際的共生放線菌(渾圓鏈霉菌、珊瑚鏈霉菌等)相互促進侵染，提高植物根系活力、光合性能，降低植株灰霉病的病情指數(shù)[46]。

1.3 AMF對土壤結(jié)構(gòu)和肥力的影響

AMF菌絲分泌的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Glomalin-Related Soil Protein，GRSP)具有“超級膠水”功效，能增加土壤團聚體的數(shù)量并提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使土壤保持良好的通氣性和保水能力[47]。玉米與蠶豆、鷹嘴豆、大豆或油菜間作，通過增加AMF生物量間接促進土壤團聚體(>2 mm)形成[48]。玉豆間作接種AMF增加作物根系土壤的菌絲密度和GRSP含量，有利于土壤水穩(wěn)性團聚體形成，顯著降低土壤滲漏、地表徑流水中各形態(tài)N濃度，提高土壤保肥能力[49]。GRSP是土壤C固定及循環(huán)的重要參與者，土壤總C、N含量的4%到5%由GRSP的C、N含量貢獻；GRSP有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可減少土壤CO2排放和C損失[50]。在農(nóng)田、半干旱生態(tài)系統(tǒng)或采煤沉陷區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)中，植物和AMF共生均可顯著提高土壤有機C含量，促進土壤C固定[51-52]。有研究表明，AMF在低P和中性pH土壤中對土壤酶活性的增加效應(yīng)最強，能間接提高土壤養(yǎng)分的可利用性[53]。在玉米-番薯間作體系中接種AMF處理，能顯著增加土壤蛋白酶、脲酶、纖維二糖水解酶等活性，顯著降低土壤銨態(tài)N含量[54]。

1.4 AMF對植物養(yǎng)分吸收的影響

AMF通過改變根系特征、土壤養(yǎng)分及土壤微環(huán)境等影響植物養(yǎng)分吸收及生長發(fā)育。玉豆間作-施無機氮-接種AMF處理，大豆地上部及根部N吸收量均顯著提高54%以上[55]。玉米與大麥或箭筈豌豆間作體系中，特定的AMF分類群能提高玉米地上部Mn、Fe和Zn濃度，起主要作用的是虛擬種(Virtual taxa，VT)VTX00113，VT與具許多編碼轉(zhuǎn)運蛋白基因的AMF(R.irregularis/intraradices)類群相關(guān)[56]。蒔蘿、菜豆間作接種F.m處理，蒔蘿的P、K、Fe和Zn濃度分別提高40，524，57和1.0 μg·kg-1DW[57]。

菌根植物間形成的共生菌絲網(wǎng)絡(luò)(CMN)，影響植物生長發(fā)育和植物種內(nèi)、種間關(guān)系。玉豆間作體系中，玉米相對大豆具有競爭優(yōu)勢，接種幼套近明球囊霉(Claroideoglomusetunicatum，C.e)后,玉米相對大豆的種間競爭和N素營養(yǎng)競爭能力達到最大[58]。駿棗、小麥間作體系中，CMN能明顯提高小麥P含量和吸收P素能力[59]。有學者采用量子點追蹤技術(shù)研究證明，AMF可增加胡蘿卜根系中P的分配量，降低自身貯藏的分配量，并通過CMN將P從豐富區(qū)轉(zhuǎn)移到匱乏區(qū)[60]。在玉米、狗尾草間作體系中接種AMF顯著增強玉米生長和養(yǎng)分攝取能力，表明AMF可能抑制狗尾草(雜草)生長，對間作系統(tǒng)雜草控制具有生態(tài)意義[61]。有研究表明，間作體系中AMF也能通過降低優(yōu)勢植物的競爭力，調(diào)節(jié)種間關(guān)系，維持植物群落的相對平衡[62]。

1.5 AMF對植物抗逆性的影響

與AMF共生增加植物對土壤水分、養(yǎng)分等的利用率，改善土壤環(huán)境，提高植物對逆境的抵抗能力。在干旱條件下，木豆通過液壓方式將底層水提升至干燥的表土，表層的小米通過CMN利用液壓水，存活率提高[63]。重金屬污染環(huán)境中，向日葵、香蔥間作并接種AMF處理，可顯著增強向日葵吸收重金屬(Cu、Pb和Ni等)能力，改善土壤環(huán)境，明顯提高香蔥的吸P水平和平均產(chǎn)量[64]。有研究表明，在鹽脅迫條件下，接種AMF可以促進宿主植物對N、P、Zn等礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，減少植物體內(nèi)Na+和Cl-的積累，阻止了由于鹽離子含量過高而影響植物生長的代謝途徑[65-66]。在Cd污染土壤中間作番茄和黑麥草[67]，混合接種AMF(F.m、C.e、R.i)處理，可降低番茄根、莖、葉和果實中的Cd濃度，通過透射電鏡觀察到其根尖細胞及液泡均較為完好，能觀察到細胞核，且無任何雜質(zhì)，說明該處理減輕重金屬對番茄根尖細胞的傷害。

2 展望

AMF能夠與大多數(shù)植物建立共生關(guān)系。本文闡述AMF對間套作體系中植物-土壤-微生物相互作用的影響及其機制，即AMF能夠通過改變宿主植物根系特征(擴大根系吸收水、養(yǎng)分范圍等)，影響宿主根際微生物組成及群落結(jié)構(gòu)(如抑制一些植物病原菌的生長，或與一些根際有益微生物協(xié)同促進植物生長等)；也能通過分泌球囊霉素、影響根際土壤酶活性等改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，最終增強植物養(yǎng)分吸收、生長發(fā)育及抗逆性。此外，菌根植物間通過共生菌絲網(wǎng)絡(luò)傳遞分配養(yǎng)分等資源，調(diào)節(jié)了植物種間關(guān)系。不過，AMF影響農(nóng)作物生長的機制還需進一步探索和完善，合理利用AMF將對作物的生長和產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。

目前關(guān)于AMF對間套作體系作物生長的研究以室內(nèi)(如盆栽)試驗居多，而田間試驗相比室內(nèi)研究其環(huán)境因素更加復雜，研究成果也更具實際意義和應(yīng)用價值。考慮到AMF對植物生長的作用受到諸多環(huán)境因素影響，應(yīng)結(jié)合室內(nèi)試驗的成果，大力開展AMF對間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究，開發(fā)優(yōu)良AMF種質(zhì)資源，量化和深入研究AMF對作物種間關(guān)系的調(diào)控，篩選出高效高產(chǎn)的AMF-間套作體系。此外，應(yīng)繼續(xù)研究探索AMF的純培養(yǎng)技術(shù)，早日實現(xiàn)AMF在農(nóng)業(yè)中的大范圍應(yīng)用。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的流動和循環(huán)對作物的生長和產(chǎn)量具有重要意義，而土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、傳輸過程中的重要一環(huán)。今后應(yīng)將傳統(tǒng)生物學手段和現(xiàn)代分子技術(shù)相結(jié)合，更深入地探究AMF對農(nóng)田土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響及其機制，全面掌握植物-土壤-微生物間養(yǎng)分的動態(tài)平衡等互作機理。此外，自然環(huán)境中AMF與多種土壤微生物共存并協(xié)同作用，故應(yīng)開展AMF與有益微生物如根瘤菌、解磷真菌、土著AMF或多種AMF混合接種等更加綜合全面的農(nóng)田間套作試驗研究，以期為進一步發(fā)揮AMF對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)提供依據(jù)。