菌根化馬尾松苗生長形態(tài)對(duì)干旱及復(fù)水響應(yīng)

王 藝，楊凱來

(貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025)

【研究意義】馬尾松(PinusmassonianaLamb)作為我國西南地區(qū)的先鋒樹種，為典型的菌根植物，分布廣泛，其喜光、抗逆、適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高[1-3]。淡水資源短缺是21世紀(jì)全球所面臨的巨大挑戰(zhàn)，干旱脅迫是馬尾松遭受的非生物脅迫之一，也是影響其正常生長的關(guān)鍵因素。研究馬尾松菌根幼苗在持續(xù)干旱和復(fù)水條件下的生長形態(tài)及養(yǎng)分吸收差異，對(duì)提高馬尾松造林成活率，增加苗木對(duì)干旱的適應(yīng)性有重要的參考價(jià)值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】菌根是土壤真菌與高等植物根系的結(jié)合，具有特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能[4-5]。相關(guān)研究表明，外生菌根真菌有利于幼苗在貧瘠土壤中生長[6-8]。外生菌根真菌可以增加某些植物對(duì)土壤水分的吸收和植物根系對(duì)氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收，通過與宿主植物的共生，促進(jìn)逆境下植物的生長和定植[9-10]。在褐環(huán)乳牛肝菌對(duì)馬尾松植株根系組織結(jié)構(gòu)影響研究中發(fā)現(xiàn)，馬尾松幼苗的初級(jí)生物量和地下生物量、苗高、地徑和根冠比均有所增加，并提高了植物的抗旱性[11]。在模擬研究酸雨環(huán)境脅迫下，外生菌根真菌會(huì)分泌產(chǎn)生有機(jī)酸，以降低鋁脅迫對(duì)植物的毒性，促進(jìn)植物根系吸收氮、磷和鉀等礦物質(zhì)[12]。高悅等[13]研究表明，外生菌根真菌能顯著提高馬尾松幼苗對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)幼苗生長發(fā)育，提高幼苗的抗旱性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于菌根幼苗的研究主要集中在其生長、生理、根系構(gòu)型、根系分泌物、土壤微生物代謝功能的影響上[10-11,14-16]，針對(duì)抗逆性方面的研究主要集中在酸、鋁及干旱脅迫方面，而在持續(xù)干旱及復(fù)水后菌根幼苗的生長研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究馬尾松菌根幼苗在持續(xù)干旱和復(fù)水條件下生長形態(tài)、養(yǎng)分吸收等方面的差異，探討有利于苗木生長的最佳水分條件和干旱復(fù)水時(shí)間，篩選表現(xiàn)最佳的菌根幼苗，分析影響菌根幼苗生物量的關(guān)鍵指標(biāo)，為后續(xù)相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

1.1.1 菌株 牛肝菌7和牛肝菌1均屬褐環(huán)乳牛肝菌[Suillusluteus(L.：Fr.)Gray]，雞油菌(CantharelluscibariusFr.)、彩色豆馬勃[Pisolithustinctorius(Pers.)Cokeret Couch]、土生空團(tuán)菌(Cenococcumgeophi-lumFr.)均由西南大學(xué)提供。菌株選用MMN固體培養(yǎng)基[17]在平板上28 ℃培養(yǎng)10 d，直至菌絲飽滿，菌落用直徑為1 cm的無菌打孔器在超凈工作臺(tái)切割，接種到裝有300 mL PD培養(yǎng)基[18]的500 mL錐形瓶中，每瓶接種5個(gè)菌片并密封。接種完成后于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)20 d備用[19]。

1.1.2 種子 馬尾松種子由貴州省都勻市馬尾松優(yōu)良種源提供。選取優(yōu)良馬尾松種子，用去離子水沖洗，表面用75%醫(yī)用酒精消毒1 min，用去離子水沖洗4次，放入45 ℃的溫水中浸泡24 h，用濕棉織品包裹放在25 ℃的恒溫容器中，待種子裂開后種植。

1.1.3 土壤 種植土由紅粘土(棕紅色)形成的黃土與干凈河沙以9:2的體積比混合，使用前用高壓滅菌器(壓力0.14 M Pa，124～126 ℃)滅菌2 h。土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.88 g/kg，全量元素、有效元素、微量元素、交換性元素和有機(jī)質(zhì)含量見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，播種設(shè)5個(gè)接種處理和1個(gè)不接種處理(CK)，接種處理分別為接種牛肝菌7(S7)、牛肝菌1(S1)、雞油菌(G)、彩色豆馬勃(C)、土生空團(tuán)菌(T)；CK為不接種外生菌根真菌的幼苗。每處理4盆，重復(fù)3次，每盆播5～6粒種子，幼苗半年生后每盆留4株，2盆幼苗進(jìn)行持續(xù)干旱試驗(yàn)，另2盆幼苗進(jìn)行復(fù)水試驗(yàn)，均為3次重復(fù)。持續(xù)干旱試驗(yàn)：初土壤含水量均達(dá)到飽和狀態(tài)(RSC≥70%)，然后溫室模擬自然干旱，使水分不間斷損失，分別在持續(xù)干旱試驗(yàn)開始當(dāng)天(0d)和7、14、21、28和35 d進(jìn)行指標(biāo)測定。復(fù)水試驗(yàn)：分別在持續(xù)干旱的14、21和28 d采用蒸餾水進(jìn)行復(fù)水(以下簡稱：R1、R2、R3)，每盆的土壤含水量均達(dá)飽和狀態(tài)(RSC≥70%)，復(fù)水7 d后取樣指標(biāo)測定土壤的相對(duì)含水量(RSC)。土壤干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]：濕潤，RSC≥70%；輕微干旱，55%≤RSC<70%；中等干旱，45%≤RSC<55%：嚴(yán)重干旱，35%≤RSC<45%；極端干旱，RSC<35%。

表1 供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在消毒的溫室棚中進(jìn)行。3月初播種和接種同時(shí)進(jìn)行，播種塑料盆規(guī)格為250 mm×280 mm，用95%乙醇揩拭后風(fēng)干。每盆接入菌絲液1000 mL，對(duì)照不接種。接種采用“三層接種法”，先將滅菌基質(zhì)按盆高的1/3的量裝入試驗(yàn)盆，然后均勻噴灑每盆接入量的1/3菌絲液；然后再撒基質(zhì)至盆高的3/4處，再噴灑1/3的菌絲液后覆上基質(zhì)，將種播于其上，并將剩余的1/3菌絲液均勻噴灑于種子周圍，覆土；最后用無菌水進(jìn)行澆灌。不同處理間間隔約30 cm，采用隔離板分離。待幼苗半年生后(8月)從接種處理中隨機(jī)選擇30株進(jìn)行侵染率調(diào)查，馬尾松菌根幼苗移栽至盆里正常生長后(10d)進(jìn)行持續(xù)干旱和復(fù)水處理。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，接種外生菌根真菌的馬尾松幼苗侵染率達(dá)100%，未接種的幼苗侵染率為0。

1.4 指標(biāo)測定

苗高和地徑采用卷尺和游標(biāo)卡尺測定。用去離子水沖凈整株幼苗，置于80℃烘箱烘至恒重，稱量干重并測定生物量。菌根依賴性：菌根依賴性RMD(%)=(接種處理干重-不接種處理干重)/接種干重×100[21]。使用Epson數(shù)字掃描儀(Ex-pression 10000XL 1.0)掃描不同處理的根系，并使用與掃描儀(Win RHIZOC Pro2004b)匹配的根系圖像分析系統(tǒng)(加拿大Regent Instru-ments公司)定量分析根系形態(tài)指標(biāo)。幼苗植株中氮、磷、鉀含量的測定參考崔曉陽的方法[22]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)選用Excel2010進(jìn)行處理，使用spss25.0軟件進(jìn)行方差分析、Duncan多重比較和相關(guān)性分析，采用Origin2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)干旱對(duì)菌根化馬尾松苗生長的影響

從表2可見，與CK相比，接種5種外生菌根真菌的幼苗高度、地徑、生物量和根冠比顯著增加(P<0.05)。苗高S1和S7分別增加37.8%和32.6%，地徑T和S1分別增加39.9%和36.5%；生物量S1和T增幅均超過100%。菌根化幼苗根冠比顯著高于CK，以S1的增輻最大，達(dá)34.6%，其次是G，為25.2%；菌根依賴性也以S1和T的最強(qiáng)，分別為114.7%和114%。外生菌根真菌極大地促進(jìn)了幼苗根系和地上部分的生長，根的生長尤為突出，綜合分析，S1和T菌根幼苗生長較好，菌根依賴性最強(qiáng)。

表2 持續(xù)干旱后苗木的生長響應(yīng)

2.2 持續(xù)干旱及復(fù)水對(duì)菌根化馬尾松苗生物量的影響

從圖1可看出，在持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水后，5種菌根幼苗的根、莖、葉生物量整體高于對(duì)照，表明接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗的生長具有一定的促進(jìn)作用。

在持續(xù)干旱脅迫下，幼苗根生物量呈下降趨勢。接種S1和T的馬尾松幼苗的根生物量始終高于CK，以接種S1的馬尾松幼苗表現(xiàn)最佳，展現(xiàn)出良好生長效果，其與CK的根生物量差異顯著(P<0.05)，增幅在6%～195%。在持續(xù)干旱14、21、28 d復(fù)水后，S1與T菌根化幼苗根生物量較復(fù)水前增加，在14 d和21 d復(fù)水后增幅分別達(dá)10.6%、86.7%和62.0%、94.2%，T菌根化幼苗在第28天復(fù)水后增幅達(dá)85.5%。

在持續(xù)干旱脅迫下，植物莖生物量呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)趨勢。G菌根化幼苗在干旱脅迫7 d、T菌根化幼苗在28 d和S7、G、T菌根化幼苗在35 d莖生物量都低于CK，而S1菌根化幼苗在整個(gè)干旱脅迫過程中均大于CK且差異顯著(P<0.05)，增幅最高可達(dá)265.1%，表現(xiàn)出良好的促生作用。S1菌根化幼苗在21 d復(fù)水后莖生物量增加50.0%；C菌根化幼苗在28 d復(fù)水后莖生物量增加100%。

在持續(xù)干旱脅迫下，幼苗葉生物量呈下降趨勢。S7菌根化幼苗在脅迫的21 d、C菌根化幼苗在28 d和S7、G菌根化幼苗在35 d葉生物量均低于CK，其它菌根化幼苗葉生物量均大于CK；以S1菌根化幼苗的葉生物量最高，較CK差異顯著(P<0.05)，增幅最高可達(dá)166%。在持續(xù)干旱脅迫的14 、21 和28 d復(fù)水后，S1和T菌根幼苗的葉生物量較復(fù)水前增加，增幅大于CK，S1和T菌根幼苗在脅迫的21 和28 d復(fù)水后增幅分別達(dá)75.5%和62.2%。

在脅迫的0 d、7 d和21 d，馬尾松幼苗根冠比沒有顯著差異，脅迫至28 d和35 d時(shí)，根冠比逐漸增加，菌根幼苗的根冠比高于CK且差異顯著(P>0.05)。在持續(xù)干旱復(fù)水后，菌根幼苗和CK的根冠比均降低，根冠比低于持續(xù)干旱復(fù)水前。在持續(xù)干旱的14 d和21 d復(fù)水后，G菌根幼苗的根冠比降幅最大，達(dá)37.0%和42.0%；持續(xù)干旱的28 d復(fù)水后，S1菌根幼苗根冠比降幅達(dá)36.6%。

2.3 持續(xù)干旱及復(fù)水對(duì)菌根化馬尾松幼苗根形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

從圖2看出，在持續(xù)干旱脅迫及復(fù)水后，5種菌根幼苗的根長、根粗、>5 cm側(cè)根數(shù)、>5 cm側(cè)根長和根體積均高于CK，表明接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗的根系生長具有促進(jìn)作用。

植物的根長在對(duì)脅迫因子的響應(yīng)中起著重要作用。在持續(xù)干旱脅迫下，5種菌根幼苗的根長隨時(shí)間的推移呈穩(wěn)定上升趨勢。其中，S1菌根化幼苗的根長促生最好，增幅為48.5%～67.4%，在持續(xù)干旱的第14天復(fù)水后，進(jìn)一步促進(jìn)了S1菌根幼苗根長的生長，增幅可達(dá)59.6%，顯著高于CK(P<0.05)，大大提高了菌根幼苗前期的抗性。

持續(xù)干旱脅迫導(dǎo)致苗木的根粗降低，5種菌根幼苗的根粗均高于CK。其中，S1菌根幼苗的根粗較CK增幅為24%～44.8%。在持續(xù)干旱脅迫14 d和21 d復(fù)水后，馬尾松幼苗的根粗有不同程度的增加，以C菌根幼苗的根粗增幅最大，可達(dá)18.3%；其次S7，增幅可達(dá)13.0%。在持續(xù)干旱脅迫28 d復(fù)水后，幼苗的根粗較復(fù)水前降低，以CK的降幅最大。說明，短期干旱脅迫(14 d和21 d)后復(fù)水菌根幼苗根的生長易于恢復(fù)。

在持續(xù)干旱脅迫下，馬尾松幼苗>5 cm側(cè)根數(shù)與側(cè)根長逐漸增加后趨于穩(wěn)定。5種菌根幼苗的>5 cm側(cè)根數(shù)與側(cè)根長始終高于CK且差異顯著(P<0.05)，以S1菌化苗的>5 cm側(cè)根數(shù)與側(cè)根長最高，較CK增幅在74%～204%。在持續(xù)干旱脅迫的第14天、第21天和第28天復(fù)水后，5種菌根幼苗根系恢復(fù)生長的程度高于CK，以S1的側(cè)根數(shù)增幅最大，分別為23.5%、7.1%和5.6%。

在持續(xù)干旱脅迫下，馬尾松幼苗根體積呈不斷上升趨勢，5種菌根幼苗以S1生長最好，較CK增加97%～450%，差異顯著(P<0.05)。在持續(xù)干旱脅迫的第14天、第21天、第28天復(fù)水后，馬尾松幼苗的根體積較復(fù)水前增加，5種菌根幼苗的根體積增幅大于CK，以T菌根幼苗增幅最高，分別為39.1%、8.7%和15.8%。

2.4 持續(xù)干旱及復(fù)水對(duì)菌根化馬尾松幼苗養(yǎng)分吸收的影響

從圖3看出，在持續(xù)干旱脅迫下，馬尾松幼苗中的N、P和K含量呈先升后降趨勢，在干旱脅迫第21天達(dá)最大值，5種菌根幼苗的N、P、K含量均高于CK且差異顯著(P<0.05)；S1菌根幼苗中的N、P和K含量最大，分別較CK高129%、111%和212%。在持續(xù)干旱脅迫的14 d、21 d和28 d復(fù)水后，菌根幼苗的N、P、K含量恢復(fù)程度大于CK(P<0.05)。在持續(xù)干旱脅迫的第14天復(fù)水后，苗木N、P、K含量較復(fù)水前增幅分別為S7(40.0%)>G(28.9%)>C(24.5%)>S1(20.8%)>T(13.7%)、G(41.4%)>S7(21.6%)>C(21.5%)>S1(18.2%)>T(7.2%)和S1(104.9%)>G(80.4%)>S7(64.2%)>T(50.5%)>C(17.2%)；在干旱脅迫的第21 d和28 d復(fù)水后，菌根幼苗的N、P、K含量呈下降趨勢，但下降程度低于CK。綜上，在持續(xù)干旱的第14 d復(fù)水后，菌根幼苗對(duì)N、P、K的吸收效率最好，而重度脅迫(28 d)則抑制了苗木對(duì)養(yǎng)分的吸收，即使脅迫解除也不能恢復(fù)。

2.5 持續(xù)干旱及復(fù)水下菌根化馬尾松苗生物量與各指標(biāo)間的相關(guān)性

從表3看出，在連續(xù)干旱下，馬尾松幼苗生物量與P含量間呈顯著正相關(guān)，說明P含量對(duì)生物量積累具有促進(jìn)作用。S1菌根幼苗生物量與N含量呈極顯著正相關(guān)，C和T菌根幼苗生物量與K含量呈顯著正相關(guān)。

由表4可見，復(fù)水后，G菌根幼苗的生物量與>5 cm側(cè)根數(shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)；C菌根幼苗生物量與根長、>5 cm側(cè)根長度呈顯著正相關(guān)。

3 討 論

本試驗(yàn)選取S7、S1、G、C和T菌株，將其接種在先鋒樹種馬尾松幼苗根系上，研究接種S7、S1、G、C和T真菌后，在持續(xù)干旱及復(fù)水下馬尾松幼苗生長的影響。結(jié)果表明，在持續(xù)干旱及復(fù)水下，接種S1苗木生長效果更好，也說明了不同菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗的生長效應(yīng)影響有所差異。

當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，生長將受到抑制[23]，植物生物量的分布會(huì)受到影響，接種外生菌根真菌可顯著影響植物生長，提高菌根依賴性[24]，顯著提高根冠比[25-27]。本研究結(jié)果表明，在持續(xù)干旱條件下，5種外生菌根真菌能有效提高馬尾松的苗高、地徑、生物量和根冠比，與鄒慧等[28-29]的研究結(jié)果一致，而與寶秋利等[30]的沙地云杉幼苗接種外生菌根真菌苗高低于CK的研究結(jié)果不同，可能與樹種和接種菌種差異有關(guān)。菌根幼苗根系及菌絲向土壤深處蔓延，汲取更多水分，提高養(yǎng)分供應(yīng)水平，增加自身生物量來應(yīng)對(duì)脅迫[31]。本研究中，菌根幼苗在干旱脅迫下，通過調(diào)節(jié)根冠比應(yīng)對(duì)干旱傷害，并在脅迫后期加大根冠比例，且生長優(yōu)勢明顯好于未接種苗木，這與趙偉潔等[27]水分脅迫后復(fù)水對(duì)糜子根冠功能的補(bǔ)償效應(yīng)的研究結(jié)果基本一致，這主要是由于形成的菌根提高了幼苗對(duì)干旱脅迫的敏感性，為加強(qiáng)后期應(yīng)對(duì)干旱的能力，通過增加根冠比來應(yīng)對(duì)干旱脅迫。接種S1的幼苗菌根依賴性高于其他菌株，形成的共生關(guān)系表明S1能夠在馬尾松幼苗根系更好地定殖。姜英等[32]對(duì)江南油杉幼苗接種AMF的菌根浸染及依賴性分析研究結(jié)果同樣表明，在接種XJ08A菌劑處理的江南油杉浸染率最高(41.57%)，接種4個(gè)菌劑后，苗木表現(xiàn)出的菌根依賴性不同，其研究結(jié)果均與本研究相似，表明不同菌劑對(duì)不同樹種都可以產(chǎn)生不同依懶性。持續(xù)干旱后復(fù)水，不同的苗木在生長上均得到不同程度補(bǔ)償，其中S1菌根幼苗在生長上的恢復(fù)程度最好，在輕度-中度脅迫(14～21 d)復(fù)水后，表現(xiàn)出較強(qiáng)的恢復(fù)能力，這一結(jié)果與段啟英等[23，33]在南方型黑楊和構(gòu)樹樹種的研究結(jié)果基本一致。

表3 干旱脅迫條件下馬尾松菌根化苗生物量與各生長指標(biāo)間的 Pearson 相關(guān)系數(shù)

表4 干旱復(fù)水后馬尾松菌根化苗生物量與各生長指標(biāo)間的 Pearson 相關(guān)系數(shù)

在干旱條件下，根系構(gòu)型的變化可以反映植物對(duì)逆境的響應(yīng)[34-35]。隨著干旱脅迫壓力的增加，植物可以增加根系的長度以補(bǔ)償土壤水分并適應(yīng)干旱[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)干旱下，接種5種菌株的幼苗可以促進(jìn)其根長和>5 cm側(cè)根長生長和增加>5 cm側(cè)根數(shù)量來增加幼苗根體積，增加根表面積，但抑制幼苗根粗發(fā)育。隨著干旱加劇苗木根系向地下延伸，以汲取更多的水分和養(yǎng)分來減輕干旱脅迫引起的損傷，與祁金玉等[36]在外生菌根菌對(duì)油松幼苗抗氧化酶活性及根系構(gòu)型的影響研究結(jié)果一致，其中S1菌根幼苗的根系發(fā)育最好。復(fù)水后，5種菌根幼苗的根長、根粗、>5 cm側(cè)根長、>5 cm側(cè)根數(shù)和根體積均高于CK。在輕度至中度脅迫(14～21 d)復(fù)水，更有利于菌根化幼苗根系的生長發(fā)育。

接種菌株顯著提高植物礦質(zhì)營養(yǎng)素總量，促進(jìn)根系對(duì)礦質(zhì)元素吸收[36-37]。有關(guān)針葉樹(松樹)的研究表明，菌根形成促進(jìn)植物生長的實(shí)質(zhì)是增加植物從土壤中獲取水分和養(yǎng)分，特別是磷的能力，并改善植物的代謝功能，以加速生長[12]。本研究表明，接種5種外生菌根真菌的幼苗中N、P、K的含量顯著增加，這與屈明華等[38]人的研究結(jié)果一致，其中，S1菌根幼苗對(duì)氮、磷、鉀的吸收最明顯。復(fù)水后，菌根化馬尾松苗木N、P、K含量雖然都有所增加，但在重度干旱復(fù)水下仍然受到影響，說明重度干旱脅迫對(duì)馬尾松幼苗產(chǎn)生了一定傷害，輕度和中度干旱下復(fù)水有助于緩解干旱對(duì)苗木造成的損傷。S1菌根幼苗在14 d復(fù)水后K含量的增幅均高于其它菌根幼苗。因此，在輕度干旱地區(qū)選擇S1菌株進(jìn)行菌根化育苗，可提高造林成活率，增加苗木對(duì)干旱的適應(yīng)性。

馬尾松幼苗各生長指標(biāo)的多變量相關(guān)分析結(jié)果表明，在持續(xù)干旱下，S1菌根幼苗生物量與N、P含量呈顯著正相關(guān)。C和T菌根幼苗生物量與N、K含量呈顯著正相關(guān)。菌根幼苗(S7、G)及CK苗木生物量與N含量呈顯著正相關(guān)。其它菌根幼苗木及CK(未接種)生物量和其余各項(xiàng)指標(biāo)間(苗木根長、根粗、>5 cm側(cè)根數(shù)、> 5 cm側(cè)根長、根體積、根冠比、N、K含量)無相關(guān)性；復(fù)水后，G菌根幼苗的生物量與>5 cm側(cè)根數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。C菌根幼苗生物量與根長、>5 cm側(cè)根長度呈顯著正相關(guān)。

4 結(jié) 論

馬尾松菌根的形成利于其幼苗的生長，并改善其根系形態(tài)，提高對(duì)N、P、K的吸收，增強(qiáng)幼苗的抗旱性和復(fù)水后的補(bǔ)償作用。相關(guān)性分析表明，P元素含量是影響幼苗生物量的主要指標(biāo)。在輕度和中度脅迫下，接種牛肝菌1的菌根幼苗的表現(xiàn)最好。因此，接種牛肝菌1真菌可以在一定程度上緩解干旱脅迫對(duì)馬尾松幼苗生長造成的不利影響，有利于提高幼苗造林成活率。