叢枝菌根真菌對(duì)寧夏枸杞生長(zhǎng)和氮代謝的影響

趙 飛，唐 明，張好強(qiáng)

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

我國(guó)耕地土壤礦質(zhì)元素含量偏低，其中以N素缺乏最為突出。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)農(nóng)田氮肥施用量不斷增加，而利用率僅30%。氮肥過(guò)量施用在抑制植物生長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤氮素流失并造成水資源富營(yíng)養(yǎng)化及環(huán)境的破壞[1-2]。因此，探究提高植物氮素利用效率，對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和改善生態(tài)環(huán)境具有重要作用。

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能與大多數(shù)植物形成共生結(jié)構(gòu)，提高植物氮吸收能力[3]，改善植物氮營(yíng)養(yǎng)[4]，但其作用機(jī)制尚處于研究階段。H.Bückingetal[5]研究發(fā)現(xiàn)，AMF的根外菌絲能將NO3-還原形成NH4+并提供給宿主植物。Z.C.Jiangetal[6]研究發(fā)現(xiàn)，AMF能夠通過(guò)提高谷氨酰胺合成酶(GS)活性增強(qiáng)植株的氮同化能力。

寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)為茄科枸杞屬植物，能夠與多種AMF形成共生[7]。H.Q.Zhangetal[8]研究發(fā)現(xiàn)，AMF通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)K離子通道蛋白基因(LbKT1和LbSKOR)的表達(dá)促進(jìn)寧夏枸杞對(duì)土壤中K+的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)。韋素貞等[9]和W.T.Huetal[10]研究發(fā)現(xiàn)，AMF通過(guò)促進(jìn)光合作用及提高抗氧化酶活性調(diào)控寧夏枸杞應(yīng)對(duì)干旱脅迫。H.G.Liuetal[11]研究發(fā)現(xiàn)，AMF通過(guò)調(diào)節(jié)吲哚-3-乙酸(IAA)和葉片脫落酸(ABA)的含量以提高葉片水勢(shì)，從而提高寧夏枸杞的耐鹽能力。然而，AMF對(duì)寧夏枸杞氮代謝的影響尚不清楚。本研究采用盆栽法，探究不同氮處理下AMF對(duì)寧夏枸杞生長(zhǎng)、光合作用及氮代謝的影響，旨在為揭示AMF調(diào)控植物生長(zhǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

叢枝菌根真菌采用根內(nèi)根孢囊霉(RhizophagusirregularisBGC BJ09)，利用車前(Plantagoasiatica)作為宿主擴(kuò)繁后，將植物根系和培養(yǎng)基質(zhì)陰干磨碎后混合作為供試菌劑(20個(gè)·g-1孢子菌劑)。寧夏枸杞種子(寧杞一號(hào))表面消毒后育苗，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗作為供試植株。沙子洗凈后烘干，過(guò)1 mm篩后與蛭石1∶1混合，高壓蒸汽滅菌后作為供試基質(zhì)?；ㄅ?直徑×高=8 cm×9 cm)經(jīng)5%次氯酸鈉浸泡消毒后使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素：其一為AMF處理，分為接種(arbuscular mycorrhiza,AM)和不接種(non-mycorrhiza,NM)，其二為NH4NO3處理，共3個(gè)水平，N0(0 mmol·L-1)、N1(1 mmol·L-1)、N2(15 mmol·L-1)，共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)2盆，每盆3株寧夏枸杞幼苗。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 植株接種培養(yǎng) 每個(gè)花盆裝入350 g滅菌基質(zhì)，基質(zhì)中心填入50 g菌劑，對(duì)照組為400 g滅菌基質(zhì)。每周澆灌50 mL的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，30 d后停止?jié)补酄I(yíng)養(yǎng)液，并進(jìn)行氮處理，N0、N1、N2處理分別澆灌0、1、15 mmol NH4NO3溶液(研究發(fā)現(xiàn)NH4NO3濃度大于等于15 mmol NH4NO3時(shí)植物生長(zhǎng)受到限制，且生理指標(biāo)不再顯著變化[12-14])，每3 d澆灌1次，每盆50 mL，處理45 d。N1和N2累積施氮量分別為每50 cm2施0.018 g和0.27 g。(寧杞一號(hào)的最適氮肥用量為431～510 kg·hm-2，含氮量46%[15]，即施氮量每50 cm20.10～0.12 g)。植株育苗、接種和生長(zhǎng)均在溫室中進(jìn)行，溫室培養(yǎng)環(huán)境為：溫度25 ℃，相對(duì)濕度40%，光照16 h·d-1，光照強(qiáng)度2 000 lx。處理結(jié)束分為根、莖、葉3部分收樣。

1.3.2 生物量測(cè)定 將植株挖出，剪下地上部分，洗凈根系后吸干水分，分根、莖、葉三部分收樣。稱量時(shí)莖和葉合為地上部分進(jìn)行鮮質(zhì)量測(cè)定，于烘箱中70 ℃烘干至恒重后研磨成粉末。

1.3.3 菌根侵染率測(cè)定 采用臺(tái)盼藍(lán)染色法對(duì)樣品根系進(jìn)行染色，十字交叉法[16]測(cè)定AMF侵染率(包含叢枝、泡囊、孢子和菌絲侵染率)。

1.3.4 光合速率和葉綠素含量測(cè)定 收樣前使用便攜式光合儀(Li-6400,li-Cor,美國(guó))測(cè)定葉片光合速率。用95%乙醇通過(guò)葉片冷凍后50 ℃快速浸提法[17]測(cè)定葉綠素含量。

1.3.5 氮含量測(cè)定 采用H2SO4-H2O2消解法[18]結(jié)合凱氏定氮儀測(cè)定樣品全N含量，紫外分光光度法測(cè)定NO3-和NH4+含量[19]。

1.3.6 氮同化酶活性測(cè)定 采用離體法[20]測(cè)定葉片和根系硝酸還原酶(NR)活性，分光光度計(jì)法[21]測(cè)定葉片和根系谷氨酰胺合成酶(GS)活性。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理及分析 采用SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Duncan's法進(jìn)行多重性檢驗(yàn)。采用OriginPro9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)AMF侵染率的影響

AMF侵染僅出現(xiàn)在接種處理的植株根系。N0、N1和N2處理下總侵染率分別為29.32%、43.93%和62.81%(表1)。施氮顯著提高泡囊侵染率、孢子侵染率和總侵染率，且三者均隨施氮量的增加而增加。孢子侵染率變化最顯著，N2處理相比不施氮處理增加了217.08%。不同氮處理之間，叢枝侵染率和菌絲侵染率無(wú)顯著變化。

表1 施N對(duì)寧夏枸杞AMF侵染率的影響Table 1 Effect of nitrogen on AMF colonization rate of L.barbarum %

2.2 施氮和接種AMF對(duì)寧夏枸杞生長(zhǎng)的影響

接種植株在N1和N2濃度氮處理下，地上、地下部分鮮質(zhì)量及總鮮質(zhì)量均顯著高于不施氮植株(圖1)，其中N1處理下地上、地下部分鮮質(zhì)量及總鮮質(zhì)量分別增加32.1%、59.6%和41.51%，N2處理下地上、地下部分鮮質(zhì)量及總鮮質(zhì)量分別增加92.8%、34.3%和72.2%。

接種AMF顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)尤其是根系生長(zhǎng)。不同氮處理下接種植株地上部分鮮質(zhì)量、根系鮮質(zhì)量和總鮮質(zhì)量均顯著高于不接種植株，其中N0處理下，接種植株相較不接種植株分別增加了44.3%、170.4%和72.4%，N1處理下，三者分別增加了37.1%、137.8%和64.4%，N2處理下，三者分別增加了345.0%、206.3%和296.7%。

2.3 施氮和接種AMF對(duì)寧夏枸杞光合的影響

接種AMF顯著提高寧夏枸杞葉片凈光合速率和蒸騰速率。且凈光合速率隨施氮量升高而增加(表2)。接種植株凈光合速率在N0、N1和N2處理下分別比不接種植株提高了266.5%、50.3%和491.1%，接種植株蒸騰速率在N1和N2處理下分別比不接種植株提高了47.1%和108.3%。施氮提高接種植株葉綠素b含量。AMF顯著提高了葉綠素b和總?cè)~綠素含量，其中葉綠素b含量在N0、N1和N2處理下分別提高19.0%、41.7%和62.9%，總?cè)~綠素含量在N0和N2處理下分別提高25.4%和20.4%，葉綠素a含量?jī)HN0處理下提高28%。

表2 不同氮處理下AMF對(duì)寧夏枸杞光合速率、蒸騰速率和葉綠素含量的影響Table 2 Effects of AMF on photosynthetic rate,transpiration rate and chlorophyll content of L.barbarum under different nitrogen treatments

2.4 施氮和接種AMF對(duì)寧夏枸杞氮含量的影響

施氮和接種AMF均顯著提高葉片和根系全N含量(表3)。接種植株葉片全氮含量在N0、N1和N2處理下分別比不接種植株提高221.2%、61.6%和49.3%，根系全氮含量在N0和N2處理下分別比不接種植株提高129.8%和33.6%。

表3 不同氮處理下AMF對(duì)寧夏枸杞氮含量的影響Table 3 Effects of AMF on the nitrogen content of L.barbarum under different nitrogen treatments

施氮對(duì)寧夏枸杞NH4+和NO3-含量及其占全氮含量百分比均有顯著影響。N2處理下不接種植株根系NH4+含量相比N0處理提高176.8%，根系NH4+百分比提高66.7%，葉片NO3-百分比降低68.2%；接種植株葉片和根系NH4+含量相比N0處理分別提高107.7%和95.4%，根系NH4+百分比提高114.3%，葉片NH4+百分比和NO3-百分比分別降低70.8%和66.7%；接種AMF對(duì)寧夏枸杞NO3-含量無(wú)顯著影響。但N0處理下接種植株的葉片NH4+含量比不接種植株降低37.7%，N1處理下根系NO3-百分比比不接種植株降低45.2%。

2.5 施氮和接種AMF對(duì)寧夏枸杞氮同化酶活性的影響

施氮顯著提高寧夏枸杞植株根系NR活性、葉片NR活性和GS活性(圖2)，其中根系NR和葉片GS活性均隨施氮量增加而上升。N1處理下不接種植株葉片NR、根系NR和葉片GS活性相比N0處理分別提高35.5%、23.1%和62.5%；接種植株三者分別提高21.3%、15.0%和33.3%；N2處理下不接種植株根系NR和葉片GS活性相比N0處理分別提高38.1%和87.5%，接種植株二者分別提高48.6%和44.4%。

AMF顯著提高寧夏枸杞植株根系NR及葉片GS活性。接種植株根系NR活性在N0和N2處理下比不接種植株分別提高15.8%和24.5%，葉片GS活性在N0、N1和N2處理下比不接種植株分別提高68.8%、38.5%和30.0%，接種植株N2處理下根系GS活性比不接種植株降低40.6%。

3 結(jié)論與討論

AMF在促進(jìn)宿主植物根系發(fā)育增強(qiáng)對(duì)氮素吸收的同時(shí)，通過(guò)根外菌絲吸收氮素并轉(zhuǎn)運(yùn)給宿主植物[22]。因此在土壤氮素充足時(shí)，接種AMF能夠提高植物氮含量，保證葉片氮需求，并促進(jìn)光合作用[23]。本研究表明，施氮能夠提高AMF對(duì)寧夏枸杞的侵染率，且隨施氮量增加而升高。雖有研究發(fā)現(xiàn)氮處理抑制AMF侵染[24]，但本研究使用的氮處理濃度尚未達(dá)到抑制AMF生長(zhǎng)的濃度。AMF能夠提高植物光合速率并促進(jìn)植物生長(zhǎng)。劉愛(ài)榮等[25]發(fā)現(xiàn)接種Glomusmossea-2能夠提高黃瓜葉片光合能力和生物量。袁麗環(huán)等[26]發(fā)現(xiàn)接種G.mosseae和Acaulosporadelicata能夠提高翅果油樹(shù)幼苗葉綠素含量和光利用率。Y.Bietal[27]研究發(fā)現(xiàn)接種Funneliformismosseae能夠顯著提高西伯利亞杏的生物量，凈光合速率和蒸騰速率。本研究發(fā)現(xiàn)接種R.irregularis能夠顯著提高寧夏枸杞蒸騰速率、葉綠素含量、光合速率及全N含量，促進(jìn)其地上和地下部分生物量的積累，與前人研究結(jié)果一致。但也有研究表明，接種R.irregularis對(duì)紅地球葡萄的根系生物量和光合速率[28]、加拿大一枝黃花生物量[29]以及正常供水下刺槐光合速率[30]的影響均不顯著。這可能是因?yàn)橥痪N對(duì)不同植物的促生效果不同。

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，AMF能夠緩解土壤氮素?fù)p失。T.R.Cavagnaroetal[31]研究發(fā)現(xiàn)，AMF能夠通過(guò)攔截土壤氮素等營(yíng)養(yǎng)防止因降雨造成的土壤養(yǎng)分缺失。AMF自身也能夠通過(guò)根外菌絲吸收土壤中各種形態(tài)的氮素[32]，并促進(jìn)植物無(wú)機(jī)氮同化為不易流失的有機(jī)形式，減少氮流失[33]。本研究中，3種氮處理下接種AMF能夠顯著提高寧夏枸杞全氮含量，這與L.C.Jach-smithetal[34]的研究結(jié)果一致，表明N缺乏時(shí)植物更依賴AMF轉(zhuǎn)運(yùn)氮素，而N充足時(shí)則更傾向于根系直接吸收。陳丹明等[35]研究發(fā)現(xiàn)AMF能夠提高牡丹葉片NR活性。Y.Khanetal[36]研究也發(fā)現(xiàn)AMF能夠提高羊草多種氮同化酶活性，說(shuō)明接種AMF有利于植物氮同化過(guò)程。本研究中接種AMF降低了寧夏枸杞植株NH4+含量，提高了植株根系NR活性及葉片GS活性，表明接種AMF能夠緩解NH4+的毒害作用，且在氮同化尤其是葉片NH4+的同化方面具有促進(jìn)作用。綜上所述，接種AMF能夠促進(jìn)寧夏枸杞的生長(zhǎng)和氮利用效率。應(yīng)用AMF在促進(jìn)作物生長(zhǎng)和緩解因氮流失造成的環(huán)境污染方面都有一定意義，這對(duì)于應(yīng)對(duì)目前由于氮肥使用過(guò)量引發(fā)的氮素過(guò)飽和及土地營(yíng)養(yǎng)不均衡問(wèn)題提供了解決思路。