艾蒿根系共生真菌與土壤理化因子的相關(guān)性分析

歐陽(yáng)瑞培，姚慶智，石俊庭，梁秀雪

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古東綠生態(tài)科技研究院有限公司，內(nèi)蒙古通遼028000）

艾蒿（Artemisia argyi）又名艾草，全草入藥，有散寒、止血、去濕、溫經(jīng)、止咳平喘和抗過(guò)敏等作用，被稱為草醫(yī)和草中鉆石[1]。艾蒿在我國(guó)分布甚廣，多生于路旁、林緣、山坡、灌叢及河湖濱草地，在我國(guó)南方有大面積的人工栽培。研究表明，艾蒿含有多種活性成分，如黃酮類和桉葉烷類等，合理地運(yùn)用可抑制細(xì)菌，具有抗氧化和提高免疫力等功效[2]。在公共場(chǎng)合使用艾草等中藥熏蒸，可以有效抑制新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）發(fā)生空氣飛沫或氣溶膠傳播，可能會(huì)對(duì)抗擊疫情、維護(hù)公共衛(wèi)生安全起到關(guān)鍵作用[3]。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是土壤中菌根真菌菌絲與高等植物營(yíng)養(yǎng)根系形成的一種聯(lián)合體[4]，是目前研究最廣泛，普遍關(guān)注度最高的根系共生真菌。它可以有效促進(jìn)宿主植物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)提高了宿主植物的耐受能力，在荒漠植被恢復(fù)及生態(tài)修復(fù)中具有重要作用[5]。

深色有隔內(nèi)生真菌（dark septate endophyte，DSE）也是指一類生長(zhǎng)在寄主植物根部且相比AMF可以在體外培養(yǎng)的共生真菌。菌絲普遍為深色且有明顯隔膜，一般定殖在植物根部細(xì)胞內(nèi)，產(chǎn)生胞間與胞內(nèi)菌絲、菌核[6]。這種衍生出的DSE黏質(zhì)菌絲有助于宿主在惡劣環(huán)境中保持水分和養(yǎng)分的吸收，從而保證植物在干旱環(huán)境中也能正常生長(zhǎng)[2]。

艾蒿分布特別廣泛，不同地區(qū)生長(zhǎng)情況不一樣。除根系共生真菌外，一般認(rèn)為環(huán)境和土壤養(yǎng)分等因素是造成艾蒿生長(zhǎng)不同的重要原因[7]。內(nèi)蒙古地區(qū)首次嘗試引入河南南陽(yáng)優(yōu)質(zhì)宛艾，與達(dá)拉特旗本地馴化蒙艾進(jìn)行人工栽培。將不同來(lái)源艾蒿移栽到同一個(gè)地區(qū)，它們的植株生長(zhǎng)有何差異，引種艾與野生艾又有何區(qū)別，很少有人進(jìn)行研究。有關(guān)艾蒿根系A(chǔ)MF和DSE侵染及定殖規(guī)律更是鮮有報(bào)道。本研究以內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗兩年生引種宛艾、馴化蒙艾和當(dāng)?shù)匾吧瑸檠芯繉?duì)象，旨在闡明不同艾蒿品種根系A(chǔ)MF和DSE定殖規(guī)律及其與土壤因子的交互關(guān)系，為充分利用共生真菌資源促進(jìn)艾蒿植物生長(zhǎng)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

采樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗（北緯40°15′，東經(jīng)110°05′），土壤為沙壤土，氣候干燥，近兩年降水量較少。分別于2018年8月和2019年8月進(jìn)行隨機(jī)取樣，取樣樣方為1 m×1 m，重復(fù)3次，每次重復(fù)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良艾蒿5株，去除表層落葉層，采集根樣和土樣。將根清潔并儲(chǔ)存在FAA固定劑中，根際土過(guò)1.7 mm篩除雜質(zhì)，放入通風(fēng)口處風(fēng)干備用。

1.2 測(cè)定方法

參照醋酸墨水-蘇丹Ⅳ復(fù)染方法[8]對(duì)根樣染色，侵染率和侵染強(qiáng)度測(cè)定采用了根樣觀測(cè)法和菌根侵染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[9]，土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定[10]，土壤含水量采用烘干法測(cè)定[11]；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外援稀釋熱法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同艾蒿根系兩種共生真菌的定殖結(jié)構(gòu)

由圖1可知，AMF在不同艾蒿植物根內(nèi)均能觀察到菌絲、菌絲圈和泡囊，泡囊結(jié)構(gòu)多以圓形、橢圓形和不規(guī)則泡囊為主，而叢枝結(jié)構(gòu)具有差異。與馴化蒙艾共生形成的叢枝大部分是疆南星型（arum-type）；與引種宛艾共生形成的叢枝為疆南星型及重樓型（paris-type）；與野生艾形成的叢枝為疆南星型、重樓型和中間型（intermediate-type）。疆南星型菌根沿著細(xì)胞間隙延伸生長(zhǎng)，產(chǎn)生大量胞間菌絲，并在菌絲端部產(chǎn)生泡囊、在細(xì)胞壁與質(zhì)膜間發(fā)育產(chǎn)生叢枝；重樓型菌根的菌絲通常在皮層內(nèi)部細(xì)胞內(nèi)圈卷，并多與發(fā)育的叢枝纏繞在一起；中間型菌根有發(fā)育于細(xì)胞內(nèi)的卷曲狀菌絲，也有在細(xì)胞間隙中伸展的胞間菌絲。

圖1 艾蒿AMF真菌共生結(jié)構(gòu)

DSE侵染到不同艾蒿植物根內(nèi)，在植物根際表皮和維管束組織中形成胞間和胞內(nèi)有隔菌絲和微菌核等結(jié)構(gòu)特征。如圖2所示，馴化蒙艾與DSE真菌共生微菌核顏色較深，多為條帶狀；引種宛艾與DSE真菌共生微菌核較多，多呈腦狀、零散狀；野生艾與DSE真菌共生微菌核較多，且橫隔較明顯。

圖2 艾蒿DSE共生結(jié)構(gòu)

2.2 不同艾蒿根系兩種真菌的定殖率

由表1可知，AMF定殖主要由菌絲、泡囊和叢枝3部分構(gòu)成，且3種結(jié)構(gòu)可同時(shí)存在于同一視野中，泡囊與菌絲定殖率遠(yuǎn)高于叢枝。在3種艾蒿中，馴化蒙艾的AMF總定殖率、叢枝定殖率和菌絲定殖率最高，分別為78.44%、2.00%和59.63%。DSE定殖主要由菌絲和微菌核兩部分構(gòu)成，且菌絲遠(yuǎn)高于微菌核定殖率。引種宛艾微菌核的定殖率最高，為4.22%，遠(yuǎn)高于其他兩種艾草，DSE總定殖率最高，為33.75%，野生艾AMF泡囊定殖率最高，為45.65%，DSE定殖強(qiáng)度最高，為42.46%。

表1 不同艾蒿根系A(chǔ)MF和DSE定殖率單位：%

2.3 不同艾蒿根際土壤理化因子分析

由表2可知，馴化蒙艾土壤含水量和堿解氮含量分別為4.45%和42.10 mg/kg，均高于其他兩種艾蒿生長(zhǎng)條件下的土壤含水量和堿解氮含量，而引種宛艾pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷含量均高于其他兩種艾蒿，分別為8.35、14.40 g/kg、4.70 mg/kg。

表2 不同艾蒿植物根際土壤性質(zhì)

2.4 不同艾蒿根系A(chǔ)MF定殖率、DSE定殖率與土壤理化因子的相關(guān)性分析

由表3可知，通過(guò)對(duì)AM與DSE侵染情況的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，AMF泡囊侵染率與DSE微菌核侵染率和DSE總侵染率呈顯著負(fù)相關(guān)。AMF菌絲侵染率與DSE總侵染率呈極顯著負(fù)相關(guān)；與DSE菌絲侵染率呈顯著負(fù)相關(guān)。AMF侵染率與DSE菌絲侵染率、DSE微菌核侵染率和DSE總侵染率均呈顯著負(fù)相關(guān)。AMF叢枝侵染率不與DSE菌絲侵染率、DSE微菌核侵染率、整個(gè)根系DSE定殖強(qiáng)度和DSE總侵染率呈任何顯著相關(guān)性。

表3 AMF和DSE定殖結(jié)構(gòu)侵染率與土壤理化因子相關(guān)性分析

AMF叢枝侵染率與土壤含水量和堿解氮含量呈顯著正相關(guān)；AMF泡囊侵染率與堿解氮含量呈顯著正相關(guān)；AMF總侵染率和菌絲侵染率與土壤堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)；AMF總侵染率與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)。DSE菌絲侵染率與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，與堿解氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；微菌核侵染率與土壤堿解氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)。與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；而土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量則與整個(gè)根系DSE定殖強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)。DSE總侵染率與堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

2.5 土壤理化因子的主成分分析

由表4可知，基于累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于70%，特征值大于1的原則，第1和第2主成分的方差總貢獻(xiàn)率為74.826%，達(dá)到要求。第1主成分貢獻(xiàn)率高達(dá)46.633%，主要由pH值和堿解氮組成，分別為0.911和0.767；第2主成分貢獻(xiàn)率為28.196%，最高的含水量為0.874。兩個(gè)中第1主成分貢獻(xiàn)值最高，所占比重最多。pH值、堿解氮和含水量為影響艾蒿AMF和DSE侵染的主要環(huán)境對(duì)象。

表4 土壤理化因子PCA分析

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)不同來(lái)源艾蒿植物AMF、DSE及根際土壤理化因子試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同艾蒿根系與AMF真菌和DSE均能共生，形成典型結(jié)構(gòu)。二者在艾蒿根中均具有較高侵染率，AMF、DSE平均侵染率分別為75.22%～78.44%、27.22%～33.75%，3種艾蒿中馴化蒙艾AMF侵染率最高，引種宛艾DSE侵染率最高。土壤理化因子與AMF和DSE侵染率呈不同程度的相關(guān)性，間接影響根內(nèi)AMF真菌和DSE的定殖，與石汝杰等[12]、王少杰等[13]的研究結(jié)果一致。此外，AMF典型結(jié)構(gòu)與DSE典型結(jié)構(gòu)侵染率亦存在顯著的相關(guān)性。AMF侵染率與土壤速效氮含量呈極顯著正相關(guān)，當(dāng)AMF真菌處于肥力良好環(huán)境中時(shí)，會(huì)形成較多泡囊以及叢枝吸收養(yǎng)分；當(dāng)野外土壤肥力較低時(shí)，AMF真菌會(huì)形成較少的泡囊和菌絲圈吸收和儲(chǔ)存能量，與張淑容等[14]的研究結(jié)果一致。DSE菌絲定殖率與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，野生條件下含水量較低，與2018年天氣干旱、降水量小有關(guān)；當(dāng)肥力較好時(shí)，艾蒿可通過(guò)根部直接從土壤里吸取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，DSE促生效果不顯著，DSE菌絲定殖較少。主成分分析表明，影響AMF和DSE真菌侵染情況的土壤因子，主要由pH值、堿解氮和含水量組成。同時(shí)土壤肥沃程度適宜也有利于艾蒿植物根系中AMF和DSE生長(zhǎng)發(fā)育；在一定養(yǎng)分范圍內(nèi)，較高肥力會(huì)加快孢子萌發(fā)，使得菌絲侵入根細(xì)胞。同時(shí)，AMF真菌和DSE真菌可與其他微生物協(xié)同作用，改善艾蒿植物根圍土壤養(yǎng)分，促進(jìn)艾蒿營(yíng)養(yǎng)吸收，提高艾蒿的成活率。本試驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)內(nèi)蒙古地區(qū)艾蒿AMF和DSE定殖情況及其與土壤理化因子的交互關(guān)聯(lián)，為利用真菌資源提高艾草品質(zhì)提供理論依據(jù)。