AM真菌對(duì)高溫脅迫下黑麥草生長(zhǎng)及生理影響*

趙炳碩 于森淼 盧彥如 劉帥卿 王光凱 王 洋

(1. 青州市楊集林場(chǎng)，山東 濰坊 262504; 2. 南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京 100038； 3. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與林學(xué)院，山東 青島 266109; 4. 山東經(jīng)緯潤(rùn)林發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 青島 266499; 5. 山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司地質(zhì)環(huán)境研究院，山東 濟(jì)南 250101)

高溫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境的不利因素[1]。當(dāng)處于高溫脅迫環(huán)境中時(shí)，植物體內(nèi)往往會(huì)產(chǎn)生一種熱激反應(yīng)，對(duì)不斷升高的溫度作出應(yīng)答[2]，使其具備抵御一定的致死熱高溫的耐性能力。當(dāng)然，不同的植物所能承受的極限高溫不同，在大多數(shù)情況下，溫帶植物更能適應(yīng)較高溫的環(huán)境、耐熱性更好[3]，高溫脅迫下強(qiáng)烈的陽光與植物光合作用相結(jié)合會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?，葉片萎蔫枯黃，抗逆性減弱，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致植物的死亡[4]。近年來，受到“溫室效應(yīng)”的影響，全球氣溫不斷升高，這使得整個(gè)農(nóng)林業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)植物的耐熱性也提出了更高的要求[5]。通過宋麗莉等人[6]對(duì)水稻的研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫會(huì)使水稻光合指標(biāo)中的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和蒸騰系數(shù)等降低，葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)中的初始熒光提高、最大光化學(xué)速率和PSII 的電子傳遞情況等降低，進(jìn)而影響其的生長(zhǎng)發(fā)育，所以植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中要嚴(yán)格的控制好溫度，以避免對(duì)植物造成不良影響。研究植物對(duì)高溫逆境的反應(yīng)，并找到有效的措施來抵御高溫對(duì)植物的危害，在環(huán)境重建和景觀建設(shè)中具有指導(dǎo)意義[7]。

叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是一類在土壤中分布廣泛的真菌，能與超過80%的高等植物形成共生關(guān)系，通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累等方式來促進(jìn)植物對(duì)礦物質(zhì)和水分的吸收利用，進(jìn)而能夠有效的促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育；同時(shí)，在脅迫條件下提升植株的光合能力和水分養(yǎng)分吸收利用效率，增強(qiáng)植株抵御脅迫的能力。葉振標(biāo)等人[8]利用楓香Liquidambar formosana幼苗，研究了叢枝菌根化楓香幼苗對(duì)鹽脅迫的生長(zhǎng)生理響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)AM 真菌能提高楓香幼苗的耐鹽性。此外，AM 真菌還可以顯著的提高植物對(duì)低溫和高溫的耐受性[9-10]。近年來，利用AM 真菌提高植物對(duì)溫度脅迫環(huán)境的適應(yīng)性已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。溫度脅迫下，AM 真菌提高植物抗性研究主要集中在枳Poncirus trifoliata、梨Pyrussp.等物種上[11-12]，韋潔敏[12]研究了AM 真菌對(duì)梨樹耐熱性的影響，發(fā)現(xiàn)AM 真菌能夠提高梨樹的樹勢(shì)、梨苗的存活率和梨樹根系的活力進(jìn)而增強(qiáng)梨樹耐熱性；Auge 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，枝菌根真菌能夠顯著地促進(jìn)枳實(shí)生苗的生長(zhǎng)量，當(dāng)植物處于較高的氣溫和葉片溫度下時(shí)，AM 真菌可以有效地增加蛋白質(zhì)含量、提高了SOD 和CAT 活性，根系的抗氧化活性也顯著提高，而關(guān)于園林植物的研究較少，主要集中在牡丹Paeonia suffruticosa、君遷子Diospyros lotus以及切花月季Rosa chinensis、切花菊花Chrysanthemun morifolium上[14-16]，郭紹霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)，接種AM 真菌后的牡丹根系活力會(huì)顯著提高，為細(xì)胞膜穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，葉綠素分解顯著降低，為整個(gè)植株增強(qiáng)耐高溫能力創(chuàng)造了條件，齊國(guó)輝[15]研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下接種AM真菌的君遷子的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素得到活化，并且分泌有活性的轉(zhuǎn)化酶，提高植株?duì)I養(yǎng)貯藏水平，孔佩佩[16]研究了高溫和低溫脅迫下AM 真菌對(duì)切花月季和切花菊花的影響，研究表明接種AM 真菌的切花月季和菊花在株高、根長(zhǎng)方面具有顯著的促進(jìn)作用，此外也能明顯促進(jìn)植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。馬博英[17]于2021 年研究表明，接種摩西管柄囊霉Funneliformic mosseae通過改變根系分泌物成分及球囊霉素、磷酸酶和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等，改善根系微環(huán)境，減輕脅迫損害，因此本研究選擇接種摩西管柄囊霉進(jìn)一步研究高溫脅迫下該菌種對(duì)黑麥草的具體影響。

多年生黑麥草Lolium perenne是早熟禾科黑麥草屬的一種常見的冷季型草本植物[18]，在城市生態(tài)建設(shè)、城市園林綠化和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等方面都發(fā)揮著很重要的作用[17]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過35 ℃時(shí)，多年生黑麥草的葉片就會(huì)處于萎篶狀態(tài)，生長(zhǎng)速度會(huì)明顯減緩甚至是停止生長(zhǎng)，若溫度繼續(xù)上升，受傷的葉片便無法恢復(fù)，最終會(huì)使得整株多年生黑麥草枯死[18]。為此，本實(shí)驗(yàn)以多年生黑麥草為研究對(duì)象，以8℃為顯著溫差，設(shè)置適溫（22℃）、高溫（30℃）、致死熱高溫（38℃）3 個(gè)溫度，研究不同溫度脅迫水平下接種AM 真菌與未接種AM 真菌的多年生黑麥草光合、葉綠素?zé)晒夂蜕L(zhǎng)指標(biāo)方面的差異，一方面可以明確高溫脅迫下AM 真菌與多年生黑麥草共生關(guān)系，另一方面為AM 真菌在多年生黑麥草方面的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以多年生黑麥草為材料，其種子保存于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林種質(zhì)資源利用與創(chuàng)新試驗(yàn)室。試驗(yàn)中用到的AM 真菌摩西管柄囊霉保存于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)菌根生物技術(shù)研究所，主要以菌根根段和孢子、白花車軸草根系以及基質(zhì)中的菌絲為接種物。

基質(zhì)由草炭、園土和河沙按照1 ∶1 ∶1 體積比混合而成，草炭和河沙由青島農(nóng)業(yè)大學(xué)統(tǒng)一采購(gòu)，園土由試驗(yàn)者在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)采集獲取，經(jīng)過篩滅菌（121 ℃，2 h）后備用

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 接種處理設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)接菌和溫度的雙因素控制試驗(yàn)，使未接種AM 真菌的多年生黑麥草作對(duì)照，接種AMF 的劑量為12000,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為根質(zhì)量（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。設(shè)置3 個(gè)溫度梯度，選擇生長(zhǎng)一致的多年生黑麥草，分別放入3 個(gè)設(shè)有相同光照強(qiáng)度、不同溫度的培養(yǎng)箱中，標(biāo)記為W1（22℃）、W2（30℃）、W3（38℃）。共有6 個(gè)不同處理，分別標(biāo)記為AW1（接種AM 真菌，22 ℃）、AW2（接種AM 真菌，30 ℃）、AW3（接 種AM 真 菌，38 ℃）、NW1（未接種AM 真菌，22℃）、NW2（未接種AM 真菌，30℃）、NW3（未接種AM 真菌，38℃），每個(gè)處理共有8 個(gè)重復(fù)，分別放入3 個(gè)培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。

1.2.2 播種 將種植基質(zhì)在121℃高溫蒸汽下滅菌2 h 后待用，種植于高×口徑為20 cm×20 cm 容器塑料盆，在底層鋪上紗布防漏，每盆稱取1 g 的多年生黑麥草種子均勻鋪在基質(zhì)表面，再用一層薄基質(zhì)覆蓋種子，最后將基質(zhì)澆透水后放光照培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)。

1.2.3 栽培管理?xiàng)l件 在培養(yǎng)期間控制光照條件為光照/黑暗=12 h/12 h，光照強(qiáng)度為10 000 lux，溫度控制在20～27 ℃范圍內(nèi)，濕度為70%，保證通風(fēng)良好。每3 d 澆一次水，定期觀察并記錄生長(zhǎng)情況，生長(zhǎng)30 d 后進(jìn)行不同溫度梯度處理(W1 為22 ℃、W2 為30 ℃、W3 為38 ℃)，溫度處理20 d 后對(duì)多年生黑麥草進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.4 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 主要包括株高、地上部分干質(zhì)量、地下部分干質(zhì)量。光合指標(biāo)的測(cè)定主要包括凈光合速率（A）、蒸騰速率（E）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）。

葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的測(cè)定：葉片進(jìn)行30 min 的暗處理，測(cè)定的指標(biāo)有初始熒光（F0）、暗適應(yīng)時(shí)最大熒光（Fm）、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和PS Ⅱ的電子傳遞情況（Fm/F0）。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)采用SPSS18.0 和進(jìn)行Origin8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

對(duì)不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草的生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定（表1 和圖1），表明溫度對(duì)多年生黑麥草的株高、地上部分干質(zhì)量、地下部分干質(zhì)量和根冠比的影響顯著（P＜0.05）。在22℃和30℃下，AM 處理組的多年生黑麥草的株高要比未接種處理組植株分別增加了13.1%和18.6%（P＜0.05）。表明在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，接種AM 真菌的多年生黑麥草的株高比沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草的株高受到溫度的影響較小。

圖1 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Figure1 Effects of AM fungi on growth indices of Lolium perenne under different temperature stress

表1 溫度及接菌對(duì)多年生黑麥草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table1 the effects of temperature and inoculation with AM fungi to the growth index of Lolium perenne

在22℃下，AM 處理組的多年生黑麥草的地上部分干質(zhì)量比未接種處理組的植株增加了13.6%（P＜0.05），地下部分干質(zhì)量增加了2.7%（P＜0.05），根冠比降低了6.5%（P＜0.05）。試驗(yàn)結(jié)果表明在一定的溫度范圍內(nèi)接種AM 真菌能夠有效的緩解高溫脅迫對(duì)多年生黑麥草生長(zhǎng)發(fā)育帶來的影響，其中在株高、地上部分干質(zhì)量和地下部分干質(zhì)量都有顯著的緩解作用，而在根冠比方面沒有起到促進(jìn)作用。從總體分析，隨著溫度的升高對(duì)多年生黑麥草的不良影響逐漸加劇，而AM處理組受到的影響相對(duì)較小。

2.2 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草光合參數(shù)的影響

對(duì)不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草光合參數(shù)進(jìn)行測(cè)定（表2 和圖2），結(jié)果表明，溫度對(duì)多年生黑麥草的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度影響顯著（P＜0.05）。

圖2 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草光合指標(biāo)的影響Figure2 Effects of AM fungi on photosynthetic indices of Lolium perenne under different temperature stress

表2 溫度及接菌對(duì)多年生黑麥草光合參數(shù)的影響Table2 The effects of temperature and inoculation with AM fungi to the photosynthetic index of Lolium perenne

在22℃和30℃條件下，接種AM 真菌的多年生黑麥草的光合速率比未接種的植株分別增加了54.7%和10.6%，但是在38℃下呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，接種AM真菌的多年生黑麥草的光合速率會(huì)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，未接種組植株的光合速率也大致表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。

在22℃和30℃條件下，接種AM 真菌的多年生黑麥草的蒸騰速率比未接種的植株分別增加了54.2%和26.7%，但是在38℃下呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這說明隨著溫度的升高，接種AM 真菌的多年生黑麥草的蒸騰速率會(huì)表現(xiàn)為先降低然后逐漸升高的趨勢(shì)，未接種AM 真菌的多年生黑麥草在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)為隨著溫度的升高而逐漸升高的趨勢(shì)。

在22℃和30℃條件下，AM 處理組的多年生黑麥草的氣孔導(dǎo)度比未接種組植株分別增加了110.9%和27.58%（P＜0.05），但是在38℃下接種AM 真菌的黑麥草低于未接種的。這說明隨著溫度的升高，接種AM 真菌的多年生黑麥草的氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)出先降低然后增加的趨勢(shì)；而沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草氣孔導(dǎo)度則呈現(xiàn)出隨著溫度的升高而逐漸增加的趨勢(shì)。

在不同溫度條件下，AM 處理組的多年生黑麥草的胞間CO2濃度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為接種AM 真菌的低于未接種的。隨著溫度的升高，接種AM 真菌的多年生黑麥草的胞間CO2濃度隨著溫度的升高先增加后降低；沒有接種AM真菌的多年生黑麥草也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。

2.3 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

對(duì)不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測(cè)定（表3 和圖3），結(jié)果表明，溫度對(duì)多年生黑麥草的初始熒光、暗適應(yīng)時(shí)最大熒光、PS Ⅱ的電子傳遞情況和最大光化學(xué)效率影響顯著（P＜0.05）。在22℃下，AM 處理組的多年生黑麥草的初始熒光F0 比未接種處理組多年生黑麥草增加18.2%（P＜0.05）。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，接種了AM 真菌的多年生黑麥草的F0 會(huì)表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，未接種AM 真菌的多年生黑麥草的F0 也表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)。

圖3 不同溫度脅迫下AM 真菌對(duì)多年生黑麥草熒光指標(biāo)的影響Figure3 Effects of AM fungi on fluorescence indices of Lolium perenne under different temperature stress

表3 溫度及接菌對(duì)多年生黑麥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table3 the effects of temperature and inoculation with AM fungi to the fluorescence index of Lolium perenne

在22℃和30℃條件下，AM 處理組的多年生黑麥草的暗適應(yīng)時(shí)最大熒光Fm 比未接種處理組的多年生黑麥草降低13%和增加9.1%（P＜0.05），但是在38℃下呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。隨著溫度的升高，接種AM 真菌的多年生黑麥草的Fm 會(huì)表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草會(huì)表現(xiàn)為先降低后升高的變化趨勢(shì)。

在22℃和30℃條件下，AM 處理組的多年生黑麥草的最大光化學(xué)效率Fv/Fm 比未接種處理組的多年生黑麥草降低10.2%和增加10.4%（P＜0.05），但是在38℃下呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在一定溫度范圍內(nèi)，接種AM 真菌的多年生黑麥草的Fv/Fm 隨著溫度的升高表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草表現(xiàn)為隨著溫度的升高先降低后升高的變化趨勢(shì)。

在22℃和30℃條件下，AM 處理組的多年生黑麥草的PSII 電子傳遞情況Fm/F0 比未接種處理組的多年生黑麥草降低了17.4%和增加了15.5%（P＜0.05），但是在38℃下呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在一定的溫度范圍內(nèi)，接種了AM 真菌的多年生黑麥草的Fm/F0 隨著溫度的升高表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草表現(xiàn)為隨著溫度的升高先降低后升高的變化趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

生長(zhǎng)指標(biāo)能夠直觀的反應(yīng)植物的生長(zhǎng)狀況，本試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高多年生黑麥草的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)都受到了不同程度的影響，這可能是由于高溫對(duì)多年生黑麥草的根系造成了一定的傷害，影響對(duì)土壤中的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，而接種了AM 真菌的多年生黑麥草受到高溫的影響較小，在株高、地上部分干質(zhì)量和地下部分干質(zhì)量等方面都要比沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草數(shù)據(jù)高，這可能是因?yàn)锳M 真菌能夠活化土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素，改善多年生黑麥草的營(yíng)養(yǎng)狀況，促進(jìn)水分代謝，增強(qiáng)抗逆性所致，這與張偉珍等[19]在箭筈豌豆Vicia sativa上的研究結(jié)論一致。

光合作用是植物進(jìn)行正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，能夠在一定條件下將水和CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，為植物的各項(xiàng)生命活動(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，所以植物的光合能力強(qiáng)弱對(duì)它的抗逆性有著十分重要的影響。本試驗(yàn)表明，在不同水平的高溫脅迫下，多年生黑麥草的各項(xiàng)光合指標(biāo)都有一定程度的降低，經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)主要原因可能是部分葉片氣孔關(guān)閉以及部分葉肉細(xì)胞的光合活性降低。接種AM 真菌的多年生黑麥草與未接種AM 真菌的多年生黑麥草相比，前者在光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度要明顯高于后者，這說明接種AM 真菌后多年生黑麥草葉片中的葉綠體結(jié)構(gòu)和光合器官受到的傷害有了顯著的降低和緩解。除此之外，接種AM真菌能夠通過提高多年生黑麥草葉肉細(xì)胞的光合活性，進(jìn)而提高多年生黑麥草的光合能力，而胞間CO2濃度要低于未接種AM 真菌的多年生黑麥草，可能是由于光合器官在高溫下受到傷害和光合活性的下降，導(dǎo)致CO2的利用率下降，使得CO2濃度升高。這與陳笑瑩等[20]在玉米Zea mays上的研究一致。

植物的葉綠素?zé)晒饽軌虮容^準(zhǔn)確和迅速地反映光合生理狀況，這也已經(jīng)成為大多數(shù)學(xué)者研究光合生理的重要途徑。本試驗(yàn)表明，高溫脅迫下，接種AM 真菌的多年生黑麥草F0 要高于沒有接種AM 真菌的多年生黑麥草，而Fv/Fm、Fm 和Fm/F0 主要表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，這與翟秀明等[21]在茶樹Camellia sinensis上的研究不一致，這可能是由于接種AM 真菌在草本植物和木本植物表現(xiàn)出的效果不一致造成的。

接種AM 真菌能在一定溫度范圍內(nèi)顯著的改變多年生黑麥草的生長(zhǎng)指標(biāo)、光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)，反映了其能夠在一定程度上減輕高溫脅迫對(duì)多年生黑麥草造成的傷害，進(jìn)而促進(jìn)多年生黑麥草更好的適應(yīng)環(huán)境和生長(zhǎng)發(fā)育。因此，在栽培多年生黑麥草時(shí)可以適當(dāng)接種AM 真菌以提高多年生黑麥草的產(chǎn)量和品質(zhì)。