菌根真菌對白三葉根系形態的影響及相關機理研究

袁芳英

（長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025；湖北省京山縣農業局，湖北 京山 431800）

黃詠明，李莉，吳強盛

（長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025）

根系是植物獲取水分和養分的主要功能區，同時還能固定植物，影響土壤物質與能量循環。根系在土壤中的生長、發育以及分布狀況可以用根系構型進行描述。根系構型是植物根系生長和分枝的結果，決定了植物吸收和傳導水分、養分的能力［1］。但根系的生長受內在和外在因素的影響，因此，同一種植物生長在不同的環境中，根系構型也會表現不一致。

叢枝菌根真菌 （arbuscular mycorrhizal fungi，AM真菌）在土壤中普遍存在，能與80%以上的陸地植物根系形成互惠共生體——叢枝菌根，因其功能強大、對植物的貢獻卓越而被大量研究。現已證實，AM真菌可以提高植物吸收水分和養分能力，促進植物生長，提高產量，增強植物的抗逆性［2－3］。袁麗環等［4］對翅果油樹幼苗接種摩西球囊霉 （Glomus mosseae）和脆無梗囊霉 （Acaulospora delicata）發現，與對照相比，接種處理明顯增加了幼苗主根長、側根長和側根數。Wu等［5］也發現在紅橘 （Citrus tangerine Hort.ex Tanaka）上接種摩西球囊霉和粘屑球囊霉 （Paraglomus occultum）均可以明顯增加根系長度、表面積、投影面積和體積。叢枝菌根真菌可以增強植物的光合作用，改善植物的碳素水平，而根系的生長與根系碳的供應量密切相關［6］。然而，早有研究指出，叢枝菌根真菌會從植物中獲取一定量的碳源 （4%～20%凈光合碳水化合物）來完成菌根的形態構建［7］。因此，叢枝菌根真菌、碳水化合物與根系構型三者之間的關系值得去探討。

本研究以白三葉 （Trifolium repens）為試驗材料，接種地表球囊霉 （Glomus versiforme）和粘屑球囊霉觀察白三葉根系構型、植株蔗糖和葡萄糖含量的變化，探討叢枝菌根真菌、碳水化合物與根系構型三者之間的關系，以為闡明叢枝菌根真菌對根系構型的調節作用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為白三葉；供試AM真菌為地表球囊霉和粘屑球囊霉，由中國叢枝菌根真菌種質資源庫（BGC）提供。試驗用塑料盆規格為:上口徑16cm、下口徑11cm、高13cm。盆里預先裝有高壓蒸氣滅菌 （121℃，0.11MPa，2h）的黃棕壤，以消除土壤自身含有的AM真菌。2010年10月19日進行播種，播種前預先對種子采用70%酒精表面消毒5min，蒸餾水沖洗4次。所有的試驗盆置于PQX人工氣候箱培養，白天25℃／晚上18℃，16h光照／8h黑暗。

1.2 試驗設計

試驗共設3個處理，包括接種地表球囊霉、粘屑球囊霉和不接種叢枝菌根真菌的對照。接種AM真菌處理的每盆15g菌劑。每個處理重復3次，每盆30株白三葉，共9盆，隨機排列。

1.3 測定方法

接種處理85d后，結束實驗，收獲3個處理的葉片和根系，快速地測定地上部和地下部鮮重，采用EPSON V700彩色圖像掃描儀采集所有完整的根系圖片，然后用WinRHIZO根系分析軟件分析根系圖片，直接獲得根系構型參數，包括根系長度、投影面積、表面積、體積、平均直徑、根尖數、分支數和交叉數。

采用Phillips等［8］的方法對根系菌根進行染色，觀察AM真菌的侵染狀況。蔗糖和葡萄糖含量采用Wu等［9］的方法進行。

1.4 數據處理

運用SAS 8.1軟件的ANOVA過程對處理間作差異性測驗，LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 2種AM真菌對白三葉菌根侵染率和生物量的影響

從表1可知，對照組沒有觀察到AM真菌的侵染，而2個不同屬AM真菌均能侵染三葉草的根系，菌根侵染率的范圍為35.00%～74.76%，且粘屑球囊霉對根系的侵染率高于地表球囊霉，差異顯著。同時，表1還顯示，接種AM真菌能夠顯著增加了白三葉生物量，與對照相比接種地表球囊霉顯著提高了白三葉地上部、地下部和植株總鮮重，分別提高了58.6%、11.3%和52.6%，接種粘屑球囊霉分別提高了56.1%、28.2%和52.6%。此外，粘屑球囊霉對白三葉根系鮮重增加的效果明顯高于地表球囊霉，且差異顯著。從表1還可以看出，2種AM真菌均抑制了白三葉根冠比，分別抑制了30.6%和17.4%，但差異不顯著。同時，白三葉對2種AM真菌都表現出了較高的菌根依賴性。

表1 2種AM真菌對白三葉菌根侵染率和生物量的影響

2.2 2種AM真菌對白三葉根系構型參數的影響

表2顯示了2種AM真菌對白三葉根系構型參數，如根系的投影面積、表面積、平均直徑、根尖數、分支數和交叉數的影響。其中，與對照相比接種粘屑球囊霉顯著增加了根系的投影面積、表面積、體積、根尖數、分支數和交叉數，且分別增加了50.9%、51.9%、36.3%、238.1%、138.5%和128.6%，但降低了根系平均直徑，降低了12.5%。此外，接種粘屑球囊霉的處理效果明顯優于地表球囊霉，且差異顯著。

表2 不同AM真菌對根系構型參數的影響

2.3 2種AM真菌對白三葉不同級別根系長度和總根長的影響

由表3可知，與對照相比，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉顯著增加了0.0cm＜L≤0.5cm范圍內的白三葉根系長度，分別增加了15.9%和73.0%，且兩者之間的差異顯著。此外，2種AM真菌對0.5cm＜L≤1.0cm，1.0cm＜L≤1.5cm和1.5cm＜L范圍內的根系長度沒有影響。表3還顯示，與對照相比，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉顯著增加了白三葉的總根長，分別增加了15.2%和69.9%，兩者差異顯著。

表3 2種AM真菌對白三葉不同級別根系長度和總根長的影響

2.4 2種AM真菌對白三葉蔗糖和葡萄糖含量的影響

由表4可知，與對照相比，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉都顯著降低了白三葉葉片和根系的蔗糖含量，在葉片中分別降低了10.6%和13.3%，在根系中分別降低了48.1%和40.9%，但地表球囊霉和粘屑球囊霉之間的差異不顯著。而接種地表球囊霉和粘屑球囊霉都顯著提高了葉片和根系的葡萄糖含量，在葉片中分別提高了22.5%和83.4%，差異顯著，在根系中分別提高了76.7%和92.7%，差異不顯著；接種粘屑球囊霉的白三葉葉片和根系的葡萄糖含量最高。

表4 2種AM真菌對白三葉蔗糖和葡萄糖含量的影響 mg／g

2.5 白三葉組織蔗糖和葡萄糖含量與其他各指標的相關性

由表5可知，菌根侵染率與植株蔗糖含量呈顯著的負相關關系，而與葡萄糖含量呈極顯著的正相關關系，也與根系構型參數，如根系長度、投影面積、表面積、體積、根尖數、分支數和交叉數呈極顯著的正相關關系，但與根系平均直徑呈極顯著的負相關關系。表4還顯示，葉片和根系葡萄糖與根系長度、投影面積、表面積、體積和根尖數呈極顯著或顯著的正相關關系，而蔗糖與這些根系構型參數之間沒有相關關系。

表5 白三葉組織蔗糖和葡萄糖含量與其他各指標的相關性

3 討論

叢枝菌根真菌與植物形成共生體后能夠促進植株生長，提高生物量［10］。本研究結果也表明，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉都顯著增加了白三葉植株地上部分、地下部分和整株鮮重。主要由于叢枝菌根真菌通過其發達的根外菌絲幫助宿主植物從土壤中吸收更多的水分和礦質營養 （N、P、K等）［11］。

叢枝菌根真菌除了能改善植株的營養水平外，同時還能改變植株形態布局，如根系構型。叢枝菌根真菌改善根系構型也是其促進植株生長的表現之一，因為良好的根系構型可以提高根系與土壤的接觸體積，有利于植物對水分和養分的吸收。在本研究中，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉都顯著提高了白三葉根系構型參數，如根系長度、投影面積、表面積、體積、根尖數、分支數和交叉數，除平均直徑外。這與Wu等［12］在枳 ［Poncirus trifoliata（L.）Raf.］上接種摩西球囊霉、地表球囊霉和粘屑球囊霉的研究結果一致。相關性分析顯示，菌根侵染率與根系各個構型參數間有顯著的正相關關系，而與平均直徑有顯著的負相關關系，這表明叢枝菌根真菌對根系構型有正調控效應 （除平均直徑外）。本研究還顯示，叢枝菌根真菌對白三葉0.0cm＜L≤0.5cm范圍內的根系長度增加效果顯著，這暗示了叢枝菌根真菌可以誘發根系中短根的發生，從而增加根系與土壤的接觸面，提高根系對土壤中水分和養分的吸收和利用效率。

碳水化合物作為植物光合作用的重要產物之一，在植物體中以蔗糖、葡萄糖、果糖等形式存在，參與植物的生長和物質代謝過程。叢枝菌根真菌作為一種有益的微生物能夠幫助植物吸收水分和養分，但其需要從宿主植物中獲取維持本身新陳代謝的碳源，現已發現這種碳源主要是一些簡單的碳水化合物，如葡萄糖［13］。在本研究中，接種地表球囊霉和粘屑球囊霉都顯著降低了白三葉葉片和根系的蔗糖含量，而提高了葉片和根系的葡萄糖含量，相關性分析結果很好地證明了這一點。這說明接種叢枝菌根真菌可以促進植物蔗糖的降解，提高葡萄糖含量，而根系中葡萄糖含量的增加有利于菌根的發育和共生關系的穩定。但叢枝菌根真菌對蔗糖降解這一代謝途徑的影響還有待進一步研究。

根系的生長需要碳源作為代謝底物［14］，根冠之間的碳源分配將會影響根系構型。相關性分析顯示，白三葉葉片和根系葡萄糖含量與根系長度、投影面積、表面積和根系體積有極顯著或顯著的正相關關系，而蔗糖與根系構型之間沒有這種關系。此外，根系的生長和發育主要以蔗糖為底物［15－16］，這表明白三葉葉片和根系蔗糖含量的降低是叢枝菌根真菌改善根系構型消耗了蔗糖的結果，而蔗糖降解的產物葡萄糖將有利于菌根的發育。因此，叢枝菌根真菌與宿主之間有明顯的互助效應，而碳水化合物對根系—菌根之間共生關系的穩定起關鍵性作用。

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