不同水分處理下雙接種叢枝菌根真菌和根瘤菌對疏葉駱駝刺生長及氮素轉(zhuǎn)移的影響

高文禮,陳曉楠,伊力努爾·艾力,馬曉東

新疆師范大學生命科學學院 新疆特殊環(huán)境物種保護與調(diào)控生物學實驗室,烏魯木齊 830054

疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)是豆科駱駝刺屬的多年生草本植物,生長于干旱、半干旱荒漠地區(qū),憑借自身極強的抗干旱、抗鹽堿、適應性強等特點,在塔里木盆地南緣的綠洲—荒漠過渡帶上大面積分布[1]。成年駱駝刺的根系可達地下數(shù)十米吸收水分和養(yǎng)分[2],因此可在蒸發(fā)強烈的塔里木河流域自然生長,對于防風固沙及涵養(yǎng)水源等方面具有非常重要的作用；同時,疏葉駱駝刺含有豐富的蛋白質(zhì),是一種優(yōu)良的飼料,在畜牧生產(chǎn)中占有一定的地位[3]；另外,疏葉駱駝刺與根瘤菌共生形成根瘤,使疏葉駱駝刺可以直接將大氣中游離的氮固定下來,是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以,疏葉駱駝刺具有極高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。

土壤微生物是植物生長過程中重要的影響因子。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)可以與陸地絕大多數(shù)的維管植物形成互利共生的叢枝菌根共生體[4—5],其根外菌絲能擴大根系吸收范圍,促進寄主植物對水分、養(yǎng)分的吸收,增加寄主植物的抗逆性[6]。叢枝菌根真菌的根外菌絲可以同時侵染不同植物,在土壤生態(tài)群落中形成龐大的地下菌根網(wǎng)絡,通過叢枝菌根網(wǎng)絡的介導,不同植物之間可以進行氮、磷等養(yǎng)分以及水分的交流,調(diào)節(jié)植物之間的營養(yǎng)流動[7]。根瘤菌(Rhizobium)是土壤中普遍存在的一種革蘭氏陰性細菌,可與豆科植物根系形成互利共生結(jié)構(gòu)—根瘤,幫助植物將空氣中游離的氮轉(zhuǎn)化為可以吸收利用的銨態(tài)氮[8],對于植物初期定植以及整個生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)來說,都具有重要的意義。

疏葉駱駝刺可同時被叢枝菌根真菌和根瘤菌侵染,形成AMF-疏葉駱駝刺-根瘤的三重共生體。三重共生體結(jié)構(gòu)中,三者相互作用又相互影響。AMF的根外菌絲,可以深入根系到達不了的土壤縫隙,幫助植物擴大養(yǎng)分及水分的吸收范圍,從而提高植物的抗逆性；根瘤的固氮效應,減少氮營養(yǎng)對疏葉駱駝刺生長的限制作用；作為寄主植物的疏葉駱駝刺,其發(fā)達的根系,為AMF和根瘤菌提供了生長的立地條件,同時作為回報,將光合作用產(chǎn)生的碳傳遞給AMF和根瘤,以供AMF和根瘤的生長。有研究發(fā)現(xiàn),同時雙接種AMF和根瘤菌時,可以增加AMF的侵染率以及根瘤的數(shù)量,促進植物的生長發(fā)育,提高植物的抗逆性[9]。但是雙接種的正效應具有一定的局限性,受到AMF、根瘤菌以及植物之間不同種類組合的匹配關(guān)系以及土壤條件的影響[10]。以往關(guān)于AMF和根瘤菌雙接種的研究多在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)條件相對豐富,而關(guān)于雙接種在荒漠生態(tài)系統(tǒng)這樣資源匱乏地區(qū)的研究鮮有報道。因此,本研究在塔里木河實施間歇性生態(tài)輸水的大背景下,以恢復生態(tài)學的理論為指導,著重探討塔河下游優(yōu)勢物種疏葉駱駝刺在幼苗期雙接種AMF和根瘤菌處理下對干旱脅迫及復水之后的生長、生理響應以及雙接種處理下基于叢枝菌根網(wǎng)絡介導的氮素轉(zhuǎn)移情況,為塔里木河流域的生態(tài)恢復提供科學的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

圖1 實驗裝置模式圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment AMF:叢枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizal fungi

供試植物疏葉駱駝刺種子及實驗用土均采集于塔里木河下游駱駝刺群落分布區(qū),沙土過2 mm篩去除雜質(zhì)后經(jīng)流水沖洗2次,然后在110℃、0.14 MPa下連續(xù)濕熱滅菌1 h備用,育苗期在每個分室內(nèi)添加500 mL的1/8 MS營養(yǎng)液,以求每個實驗裝置內(nèi)的土壤初始理化性質(zhì)一致?？刂茖嶒為_始前測得供試沙土土壤的田間持水量為22.75%,平均全磷含量為0.69 g/kg,有效磷含量為17.2 mg/kg,全鉀含量為22 g/kg,全氮含量為0.64 g/kg,有效氮含量為13.2 mg/kg,pH為7.7。供試叢枝菌根真菌采用比例為1∶1幼套球囊霉(Glomusetunicatum)和摩西球囊霉(Glomusmosseae)的混合菌種,來源于新疆農(nóng)科院微生物研究所,菌劑孢子密度25個/mL；根瘤菌為天山中慢生根瘤菌(Mesorhizobiumtianshanense),購于中國微生物菌種查詢網(wǎng),網(wǎng)址為https://www.biobw.org/,菌種編號為bio-03285。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示,將兩個高30 cm,直徑15 cm的PVC三通管中間用PVC管道相連,連接部分由兩層20 μm濾膜(20 μm濾膜允許根外菌絲通過,阻止根系通過)分隔成兩分室,左面為供體室,作接種處理及同位素注射處理。供體室底部內(nèi)嵌高5 cm的同位素注射室,注射室頂部用20 μm濾膜封蓋,允許AMF根外菌絲進入,阻擋植物根系進入。供體室與受體室之間為雙層20 μm濾膜阻擋,中間有2 mm的空隙,此空氣隔層可阻擋根系的通過。因水分流動所產(chǎn)生的氮素轉(zhuǎn)移誤差,后續(xù)菌絲氮素轉(zhuǎn)移量均通過差減法(減去無菌絲網(wǎng)絡裝置受體室內(nèi)15N含量)計算獲得,盡量將誤差減至最小。

1.3 實驗方法

選取顆粒飽滿、大小基本一致的疏葉駱駝刺種子分別播種于供體室、受體室。實驗共設4種接種處理,分別為單接種AMF(A)、單接種根瘤菌(R)、雙接種AMF+根瘤菌(雙接種)以及不接種(CK)；3個水分處理,分別為正常水分處理(土壤相對含水量(70±5)%,D0),干旱脅迫處理(土壤相對含水量(20±5%),D1)以及復水處理(干旱脅迫60 d后復水至正常水分,5 d后收獲,D2),用WET水分測定儀測定土壤水分,并用稱重法控制水分。每組實驗裝置內(nèi)裝入8 kg經(jīng)過濕熱滅菌的沙土,每個分室(供體室、受體室)各有4 kg土樣；接種AMF的方法為在供體室土壤表層均勻接種40 g AMF菌劑(菌劑為包含孢子和菌絲的土壤混合物),對照組加入等量的滅活菌土；接種根瘤菌的方法為將根瘤菌劑在YMA培養(yǎng)基上25℃活化培養(yǎng)3 d,然后轉(zhuǎn)入盛有1000 mL YMA培養(yǎng)液的三角瓶中震蕩培養(yǎng)30 h后,配成根瘤菌懸液104CFU/mL,每盆接種100 mL,對照組添加100 mL的蒸餾水。育苗1個月后,進行齊苗和間苗,留下兩株健康生長、長勢一樣的幼苗進行室內(nèi)控制實驗。待植株收獲的前5 d,在同位素注射室內(nèi)進行同位素的注射。將自然豐度為99.01%的15NH4Cl配置成0.1 mol/L的溶液,每盆以環(huán)形等位選取10個位點,在土壤中均勻注射10 mL,讓同位素在同位素注射室的土壤中充分擴散,5 d后收獲植株進行指標檢測。將每個處理的供體、受體植株分別剪成細碎小塊,置于研缽中,在干燥箱中105℃殺青15 min,然后80℃烘干至恒重,將烘干的樣品研磨粉碎后,稱取不少于0.5 g樣品,裝進離心管中,用封口膜密封,用于測定全氮含量和氮轉(zhuǎn)移率,樣品測定由北京中科院植物所同位素分析測試中心完成。

1.4 指標測定

1.4.1共生體生長指標

(1)AMF侵染率測定：干旱脅迫培養(yǎng)60 d后,收獲疏葉駱駝刺,將根系洗凈后剪成1—2 cm,進行固定、堿解離、酸化、染色的步驟,具體如下：①固定：按70%乙醇：6 mol/L乙酸= 6∶1的比例配置成固定液,將剪好的根段放入固定液中固定12 h。②堿解離：用蒸餾水沖洗掉固定液,加入1 mol/L KOH溶液,沒過根系,解離15 min。③酸化：用蒸餾水沖洗掉堿液,加入0.1 mol/L HCl溶液,沒過根系,3—5 min后,蒸餾水洗去酸液。④染色：將水洗后的根樣置于試管中,加入0.25 g臺盼藍+250 mL甘油+250 mL乳酸配制而成的染色液,沒過樣品,室溫下染色1 h。水洗一遍后,將樣品放入塑料小瓶中,加入等量甘油和乳酸混合的貯存液,沒過樣品,室溫下放置,于光學顯微鏡下觀察。將染好色的根樣平輔在載玻片上,輕輕蓋上蓋玻片,制成裝片,先用4×物鏡觀察,發(fā)現(xiàn)可疑現(xiàn)象后,再用10×物鏡觀察。觀察根系內(nèi)是否有菌絲、叢枝和泡囊等典型菌根結(jié)構(gòu)。

侵染率的計算：根據(jù)網(wǎng)格交叉法,先統(tǒng)計AMF侵染根段數(shù),將染色后的根系置于直徑9 cm帶有網(wǎng)格的培養(yǎng)皿中,10×10倍鏡下觀察根系與網(wǎng)格交叉部位是否有菌根結(jié)構(gòu)[11—12]。AMF侵染率的計算公式如下：

AMF侵染率(%)=侵染根段數(shù)/全部根段數(shù)×100%

(2)根瘤數(shù)量：在解剖鏡下進行形態(tài)學觀察,記錄每株的根瘤數(shù)量及生長部位。

1.4.2駱駝刺生長及生理指標

(1)生物量測定：將植株從基徑處分為地上、地下兩部分,105℃殺青15 min,然后置于80℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重,稱其干重,計算根冠比。

根冠比=地下部分干重/地上部分干重

(2)葉綠素熒光相關(guān)指標：于干旱脅迫后第10天、15天和20天以及復水后的第5天分別測定熒光參數(shù)。選取晴朗天氣,使用Junior-Pam便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀,于10:00—18:00之間,每隔2 h測定一次光適應狀態(tài)下植物的葉綠素熒光反應,測定植株葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和最大光化學效率(Fv/Fm),測定時選取同一植株不同的葉片和不同的位點進行,每個處理重復6次。

1.4.3氮素吸收轉(zhuǎn)移指標

總氮量(mg/g)= 干物質(zhì)質(zhì)量(g)×全氮百分含量%；

N 轉(zhuǎn)移(%)= [15N受體/(15N供體 +15N受體)]×100

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0軟件進行多因素方差分析,用Duncan法在0.05水平進行多重比較,用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分及接種處理對共生體的影響

2.1.1不同水分及接種處理下AMF侵染率的變化

R處理和不接種的對照組的疏葉駱駝刺根系均未發(fā)現(xiàn)泡囊和叢枝等典型的叢枝菌根真菌結(jié)構(gòu),而A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺根系發(fā)現(xiàn)大量泡囊、根外菌絲和叢枝等,且侵染率較高(圖2),說明土壤、種子滅菌效果以及AMF接種效果良好,符合預期。不同水分及接種條件下叢枝菌根真菌的侵染率如表1所示,不同接種處理對疏葉駱駝刺AMF侵染率產(chǎn)生不同的影響。在D0水分條件下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率要比A處理的高9.20%,且差異性顯著(P<0.05),而D1和D2水分條件下雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率顯著低于A處理,分別比AMF處理的低32.86%和29.14%。A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺在D1水分條件下均顯著降低了AMF的侵染率(P<0.05),D2水分條件下的AMF侵染率與D1水分條件下無顯著性差異(P>0.05),表明干旱降低了疏葉駱駝刺AMF的侵染率且復水對AMF侵染率無明顯的補償效應。

圖2 不同接種處理下AMF侵染及根瘤生長的變化Fig.2 Changes of AMF infection and nodule growth under different inoculation treatments

表1 不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺AMF侵染率的影響

2.1.2不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量的變化

單接種A和不接種的對照組均未發(fā)現(xiàn)根瘤,而在單接種根瘤菌與雙接種處理中均有根瘤的生長,說明土壤、種子滅菌處理以及根瘤菌的接種效果良好,與預期結(jié)果一致。水分對根瘤數(shù)量無顯著性的影響(P>0.05)。不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量變化如表2所示,接種條件對根瘤數(shù)量無顯著性的影響,三組水分條件下(D0、D1、D2)的R處理的駱駝刺和雙接種處理的駱駝刺的根瘤數(shù)量均無顯著性差別(P>0.05)。干旱脅迫處理時兩組接種處理的根瘤數(shù)無顯著差異(P>0.05),但在復水處理后,R處理的疏葉駱駝刺的根瘤數(shù)要顯著低于雙接種處理的駱駝刺的根瘤數(shù)(P<0.05)

2.2 不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺生長的影響

2.2.1不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺生物量的影響

如表3所示,三組接種(A、R、雙接種)處理與不接種相比均顯著提高了疏葉駱駝刺的生物量(地上、地下、總生物量)(P<0.05)。D0水分條件下,雙接種A和R處理的疏葉駱駝刺的地上生物量分別比不接種的對照組高143.59%、76.92%、84.62%,對于地上生物量的促進作用,雙接種顯著優(yōu)于兩組單接種(A、R)；D1水分條件下,雙接種、A和R處理的疏葉駱駝刺的地上生物量分別比不接種的對照組高191.30%、191.30%和169.57%,雙接種與兩組單接種之間無顯著性差異(P>0.05)；D2水分條件下的疏葉駱駝刺的地上生物量與D0水分條件下的疏葉駱駝刺地上生物量變化趨勢一致,雙接種優(yōu)于兩組單接種處理。地下生物量與總生物量的變化特點與地上生物量變化趨勢一致,均為D0和D2水分處理時,雙接種優(yōu)于單接種,而D1水分條件下,單接種優(yōu)于雙接種。

表2 不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量的變化

表3 不同水分及接種處理下生物量的變化

相同接種處理,不同水分條件下的疏葉駱駝刺生物量(地上、地下和總生物量)比較,隨著D0—D1—D2的水分變化,三組接種處理與對照組均呈現(xiàn)先下降再上升的生長趨勢。兩組單接種處理的疏葉駱駝刺在D1水分條件下的地上、地下和總生物量均低于D0水分條件下的疏葉駱駝刺,D2條件下雖有一定的補償效應,但地上、地下和總生物量仍低于D0水分條件,且差異性不顯著(P>0.05)；雙接種疏葉駱駝刺的地上、地下和總生物量在D1水分條件下顯著降低,分別比D0水分條件低41.79%、250.54%、195.25%,D2水分條件對雙接種疏葉駱駝刺的地上、地下和總生物量有一定的補償作用,但仍然低于D0水分條件,分別比D0水分條件低10.47%、51.27%、44.49%。結(jié)果說明,無論是否接種,水分脅迫仍是降低疏葉駱駝刺生物量積累的主要原因,而三種接種處理均可以顯著增加疏葉駱駝刺生物量的積累,在正常水分和復水條件下,雙接種對于疏葉駱駝刺生物量積累的促進作用要優(yōu)于單接種,但干旱脅迫條件下雙接種的促生作用低于單接種處理。

2.2.2不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺葉綠素熒光的影響

如表4所示,在相同水分條件下,不同接種處理間比較,三種水分(D0、D1、D2)條件下A和雙接種處理雖然提高了疏葉駱駝刺的最大熒光產(chǎn)量(Fm),但與不接種的對照組無顯著差異(P>0.05),而R處理的疏葉駱駝刺Fm在D1水分條件下比對照組低23.81%,差異性顯著(P<0.05)。三組接種(A、R、雙接種)處理的疏葉駱駝刺Fo均小于對照組,但在D0水分條件下,差異性不顯著(P>0.05)；在D1水分條件下,兩組單接種處理的疏葉駱駝刺Fo分別比對照組小22.73%、28.26%,差異性顯著(P<0.05),雙接種處理的疏葉駱駝刺Fo比對照組小7.91%,未達到顯著性差異；在D2水分條件下,三組接種(A、R、雙接種)處理的疏葉駱駝刺Fo分別比對照組小21.41%、14.35%、29.98%,但單接種R處理下Fo與對照組差異性不顯著。

表4 不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺葉綠素熒光的影響

最大光化學量子產(chǎn)量Fv/Fm表示PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率,在D0水分條件下,三組接種(A、R、雙接種)處理均能提高疏葉駱駝刺的Fv/Fm,分別比對照組高5.71%、2.86%、8.57%,但僅雙接種的差異性顯著(P<0.05)；D1水分條件下,僅A處理的Fv/Fm顯著高出對照組17.74%,R和雙接種處理的Fv/Fm均與對照組無顯著性差異(P>0.05)；D2水分條件下,三組接種處理的Fv/Fm雖比對照組高,但是均未達到顯著性差異。

相同接種處理,不同水分條件下比較：A、雙接種和不接種的對照組的最大熒光產(chǎn)量Fm在三種水分(D0、D1、D2)條件下均無顯著性的差異,僅R處理的疏葉駱駝刺Fm在D1水分條件下顯低于D0水分時(P<0.05),復水(D2)后又恢復至D0水分時大小。兩組單接種與對照組處理的疏葉駱駝刺的初始熒光Fo在三種水分(D0、D1、D2)條件之間均無顯著性的差異,僅雙接種處理時,隨著D0→D1→D2的水分變化,Fo值呈先上升后下降的趨勢,且差異性顯著(P<0.05)。A處理的疏葉駱駝刺的Fv/Fm在三種水分條件下無顯著性差異(P>0.05),而R、雙接種和對照組的Fv/Fm隨著D0→D1→D2的水分變化,均為先下降再上升,且差異性顯著(P<0.05)。

2.3 不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺氮素吸收傳遞的影響

2.3.1不同水分及接種處理下供、受體駱駝刺全氮含量的變化

三組接種處理在不同水分條件時均能提高疏葉駱駝刺氮素的積累。如表5所示,在D0水分時,A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對照組高48.06%、52.66%、61.60%,雙接種顯著優(yōu)于A和R兩組單接種處理(P<0.05)；在D1水分條件下,雙接種與A和R兩組單接種之間氮含量的無顯著性的差異(P>0.05)；D1水分條件下,A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對照組高30.03%、35.94%、43.27%,三組接種處理之間無顯著性差異；D2水分條件下,A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對照組高61.43%、51.73%、44.78%,雙接種處理與兩組單接種之間無差異。三組接種處理及不接種對照組的疏葉駱駝刺氮含量在D1水分條件下均要小于D0,且差異性顯著(P<0.05)；A和R兩組單接種處理的疏葉駱駝刺氮含量在D2水分條件下顯著高于D1,而雙接種和對照組的氮含量在D2水分條件下與D1之間無顯著差異(P>0.05)。說明,說明干旱導致了氮含量的降低,復水對兩組單接種具有一定的補償作用,而對于雙接種而言,復水后仍然不能緩解干旱對氮含量所帶來的負效應。

表5 不同水分及接種處理對疏葉駱駝刺氮含量的影響

R處理的受體駱駝刺無叢枝菌根網(wǎng)絡介導,且無根瘤菌侵染,因此與對照組的受體駱駝刺的處理相同,表5中R處理的受體駱駝刺與對照組的受體駱駝刺之間氮含量無顯著性的差異(P<0.05),也符合實驗預期。受體駱駝刺氮含量如表5所示,A與雙接種處理的受體疏葉駱駝刺的氮含量均顯著高于對照組,分別比對照組高35.59%、37.85%(D0),22.29%%、21.51%(D1),39.64%、40.19%(D2),A與雙接種處理之間氮含量無顯著性差異。水分對于疏葉駱駝刺氮含量影響顯著(P<0.05,R處理與不接種的對照組的受體疏葉駱駝刺在D1水分條件下的氮含量顯著低于D0水分條件下,D1與D2水分條件之間無顯著性差別(P>0.05)。A處理和雙接種處理的受體疏葉駱駝刺在D0水分條件下氮含量最大,D1水分條件下最低,D2水分條件下的氮含量雖然高于D1,但是低于D0,且差異性顯著(P<0.05)。

2.3.2不同水分及接種處理對微系統(tǒng)中氮素轉(zhuǎn)移的影響

圖3 不同水分及接種條件下氮素轉(zhuǎn)移率的變化Fig.3 Changes of nitrogen transfer rate under different water and inoculation conditions 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

在無叢枝菌根網(wǎng)絡介導的疏葉駱駝刺受體(R處理及對照組處理)中檢測到15N的含量平均值為0.77%,此值減去15N自然豐度0.368%,得出的0.402%為水分流動所帶來的氮轉(zhuǎn)移率誤差,圖中所得氮轉(zhuǎn)移率,均為減去誤差后的值。叢枝菌根真菌網(wǎng)絡介導的微生態(tài)系統(tǒng)中,對于氮素轉(zhuǎn)移率的影響如圖3所示,D0水分條件下,雙接種與A處理之間氮轉(zhuǎn)移率無顯著差異(P>0.05),而在D1和D2水分條件下,A處理的氮轉(zhuǎn)移率均要優(yōu)于雙接種處理,分別比雙接種高91.19%(D1)和261.75%(D2),且差異性顯著(P<0.05)。A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺通過叢枝菌根網(wǎng)絡進行的氮素傳遞對水分有不同的響應。A處理的疏葉駱駝刺的氮素轉(zhuǎn)移率在D1水分條件下與D0無顯著差異,在D2水分條件下的氮轉(zhuǎn)移率顯著高于D0與D1；而雙接種處理與A處理的氮轉(zhuǎn)移率正好相反,D1與D2兩種水分條件之間氮轉(zhuǎn)移率無顯著差異,但D0水分條件下氮轉(zhuǎn)移率要顯著高于D1和D2。

3 討論

3.1 雙接種對共生體的影響

有研究表明,雙接種AMF和根瘤菌時,根瘤菌促使寄主植物根系類黃酮的排出,同時為AMF提供一部分的氮營養(yǎng),有利于AMF孢子的萌發(fā)以及根外菌絲的生長,從而提高AMF的侵染[13]；AMF的存在,又可以為根瘤的生長提供磷營養(yǎng),并且AMF可以刺激結(jié)瘤因子(Nod)的表達[14],促進根瘤的生長,因此同時接種AMF和根瘤菌產(chǎn)生協(xié)同促生效應。本研究結(jié)果中,正常水分情況下,雙接種的疏葉駱駝刺AMF侵染率顯著高于單接種AMF,與前人研究結(jié)果一致[15],但是在干旱脅迫以及復水條件下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率卻顯著低于單接種AMF,AMF和根瘤菌之間表現(xiàn)出拮抗效應,初步分析原因是水分條件的改變,致使AMF和根瘤菌之間的關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變。疏葉駱駝刺遭遇干旱脅迫時,生長受到抑制[2],降低了對共生體的碳投資,而AMF和根瘤菌共同著生在疏葉駱駝刺的根系,生態(tài)位重疊,當根系營養(yǎng)貧乏時,二者表現(xiàn)出競爭關(guān)系[16—17]。

生物量是植物生長的主要參數(shù),反映了植物碳固定的能力[18]。在遭遇干旱脅迫時,植物的各種生化反應降低,導致生物量積累緩慢,而雙接種AMF和根瘤菌能提高植物生物量的積累,緩解干旱脅迫帶來的負效應[19],本研究也發(fā)現(xiàn),雙接種疏葉駱駝刺的生物量(地上、地下生物量)顯著高于未接種的對照組,但是AMF和根瘤菌對疏葉駱駝刺生物量的協(xié)同促生作用,隨著水分的變化而變化。在正常水分條件下雙接種的促生作用顯著優(yōu)于兩組單接種,但在遭遇干旱脅迫時雙接種與兩組單接種處理之間的生物量無差異,復水后雙接種的促生優(yōu)勢又得到恢復,因此分析干旱脅迫是造成AMF和根瘤菌協(xié)同促進作用受到限制的主要原因[20]。

葉綠素熒光技術(shù)具有反應光合作用“內(nèi)在性”的特點,對于植物光合作用的測定具有快速、準確、無損傷的優(yōu)勢,近年來這一技術(shù)被廣泛應用于監(jiān)測植物對于各種環(huán)境脅迫的響應。植物的Fv/Fm值一般在0.7—0.8之間,正常環(huán)境下基本穩(wěn)定[21],植物受到干旱脅迫常常會導致PSⅡ光能捕獲效率降低,最大熒光Fm降低,而初始熒光Fo升高,從而導致原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm降低[22]。本研究表明,水分與接種處理對疏葉駱駝刺的Fm無顯著影響,但疏葉駱駝刺在遭遇干旱脅迫時,Fo顯著升高,從而導致Fv/Fm降低。單接種根瘤菌對于疏葉駱駝刺光能捕獲效率無影響,而接種AMF可以緩解因干旱脅迫導致的Fv/Fm降低[23—24],還發(fā)現(xiàn)雙接種的疏葉駱駝刺在正常水分時提高了其光能捕獲效率,但在干旱脅迫下不僅沒有協(xié)同促進的效果,反而比單接種時還要低,復水后可恢復至正常水分處理的水平,表明復水對雙接種疏葉駱駝刺的光能捕獲效率具有明顯的補償效應[25]。

綜合以上研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)雙接種AMF和根瘤菌可以促進疏葉駱駝刺生物量以及光合作用的提高,但水分是二者是否表現(xiàn)出促生效果的限制因素。初步分析原因為水分是土壤營養(yǎng)流動的載體[26],干旱時,土壤中營養(yǎng)流動性較差[27],尤其是氮磷元素,導致根系營養(yǎng)貧乏,且疏葉駱駝刺遭受干旱脅迫的影響,生物量降低[28],對共生體的碳投資減少[29],從而在雙接種AMF和根瘤菌時,二者因生態(tài)位的重疊,共同競爭根系營養(yǎng),導致雙接種的促生效果降低,甚至不如單接種,復水后水分條件得到一定的改善,AMF和根瘤菌又表現(xiàn)出協(xié)同促生作用,表明復水對雙接種疏葉駱駝刺的生物量及光合作用具有明顯的補償效應。

3.2 雙接種對氮素吸收轉(zhuǎn)移的影響

氮素是植物生長發(fā)育必不可少的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì),受干旱脅迫的影響,氮有效性降低,難以被植物吸收利用,從而導致植物含氮量降低,致使植物生長遲緩[30]。前人研究表明,在貧瘠土壤中,限制豆科固氮能力的主要為磷的吸收,雙接種AMF和根瘤菌時,AMF為根瘤提供固氮所需的磷,提高豆科植物的固氮能力,進而植物提供良好的氮營養(yǎng)供AMF生長,AMF和根瘤菌表現(xiàn)出協(xié)同促進的作用[31—32]。本研究結(jié)果也表明,在正常水分條件下,雙接種疏葉駱駝刺顯著提高了氮含量,且優(yōu)于兩組單接種處理,但是當遭遇干旱脅迫時,雙接種對于氮素吸收的促進作用與兩組單接種處理無差異,AMF和根瘤菌并沒有表現(xiàn)出協(xié)同促進的作用,在復水后,雙接種處理的疏葉駱駝刺的氮含量與單接種仍無差異,這與Tsimilli-Michael等[33]提出的資源匱乏的荒地上AMF和根瘤菌存在不同程度的拮抗性的結(jié)論一致。分析原因是AMF和根瘤菌共同生長在植物根系,同時競爭植物提供的碳水化合物及其他光合產(chǎn)物,當植物向共生體提供充足碳源時,AMF和根瘤菌能夠同時生長,表現(xiàn)為協(xié)同促進作用,當植物遭遇干旱脅迫時,光合作用降低,且根系營養(yǎng)條件較差,植物的碳固定能力較弱,因此對共生體的碳投資減少,AMF和根瘤菌開始競爭根系的碳源,進而由正常水分時的協(xié)同促生作用,改變成干旱脅迫時的競爭作用。復水后,雙接種疏葉駱駝刺的根瘤數(shù)量增多,但是AMF侵染率顯著降低,因此即使復水恢復了一定的水分條件,但雙接種疏葉駱駝刺的氮含量仍與單接種無差異。

AMF侵染植物之后與植物形成叢枝菌根共生體,其根外菌絲不斷擴展延伸,又可侵染其他植物,從而形成龐大的地下網(wǎng)絡[34]。桑鈺等[30]利用三分室培養(yǎng)箱種植檉柳和駱駝刺時研究發(fā)現(xiàn),受體植物均有來自于供體植物的15N,說明通過叢枝菌根網(wǎng)絡的介導,氮素可以在供體植物與受體植物之間進行傳遞。本研究同樣在受體中發(fā)現(xiàn)了15N的存在,但是由于實驗裝置中間未設置較寬的空氣隔層,因此供、受體室之間仍存在非菌絲間的氮素交流產(chǎn)生的誤差,經(jīng)無菌根網(wǎng)絡介導的對照組計算得出,水分流動等非菌絲間的氮素交流僅為0.402%,這與實驗所得叢枝菌根網(wǎng)絡介導的9.537%—37.550%氮素轉(zhuǎn)移率相比,對結(jié)果未形成顯著性的影響,因此研究結(jié)果證明了叢枝菌根網(wǎng)絡可以介導兩株植物之間的氮素轉(zhuǎn)移,與前人研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫時,單接種AMF的疏葉駱駝刺氮素轉(zhuǎn)移率與正常水分時無顯著性的差異,表明叢枝菌根網(wǎng)絡介導的氮傳遞具有一定的耐旱性,但是雙接種疏葉駱駝刺在遭遇干旱脅迫時,氮轉(zhuǎn)移率顯著降低,即使復水后,仍得不到恢復。在干旱脅迫時,對于供體而言,雙接種的駱駝刺氮含量與單接種AMF的氮含量無差異(表5),而AMF侵染率卻顯著降低(表1),在排除供體駱駝刺氮含量不足導致氮轉(zhuǎn)移率降低的情況下,初步推測干旱脅迫導致的AMF侵染率降低是氮轉(zhuǎn)移率降低的主要原因[35]。

綜上所述,三組接種處理(A、R和雙接種)均能促進疏葉駱駝刺的生長發(fā)育,正常水分條件下,AMF和根瘤菌表現(xiàn)出協(xié)同促進的作用,促生優(yōu)勢明顯高于兩組單接種；在遭遇干旱脅迫時,雖然雙接種與不接種的對照組相比也能促進疏葉駱駝刺的生長,但是與兩組單接種的促生效果無差異,復水后,雙接種的促生優(yōu)勢又得到恢復?？梢?水分條件是導致AMF與根瘤菌協(xié)同還是競爭關(guān)系的關(guān)鍵因素,復水對雙接種疏葉駱駝刺的生長發(fā)育具有明顯的補償作用。

4 結(jié)論

(1)正常水分條件(D0)下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率、地上生物量、地下生物量、總生物量以及氮含量均要高于單接種處理；根瘤數(shù)量、Fm、Fo、Fv/Fm與單接種處理之間無差異。

(2)在干旱脅迫條件下(D1),雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率、總生物量、Fv/Fm均小于單接種處理；地上生物量、地下生物量、根瘤數(shù)、Fm、Fo以及氮含量與單接種之間無差異。

(3)復水(D2)后,雙接種疏葉駱駝刺的地上生物量、地下生物量、總生物量、根瘤數(shù)均優(yōu)于單接種；AMF侵染率、氮含量低于單接種；Fm、Fo、Fv/Fm均與單接種根瘤菌之間無差異,但要小于單接種AMF處理。

(4)在氮素轉(zhuǎn)移方面,正常水分(D0)時,雙接種處理與單接種處理的疏葉駱駝刺氮素轉(zhuǎn)移率無差異,而干旱脅迫水分條件(D1)時,雙接種疏葉駱駝刺的氮素轉(zhuǎn)移率顯著降低,即使復水(D2)后,仍得不到恢復。