叢枝菌根真菌對阿特拉津脅迫下蘆葦生長及生理特性的影響

曹明竹， 王 立， 馬 放， 董 靜， 齊珊珊， 欒恩驍， 趙昕悅

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150090)

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叢枝菌根真菌對阿特拉津脅迫下蘆葦生長及生理特性的影響

曹明竹， 王 立， 馬 放， 董 靜， 齊珊珊， 欒恩驍， 趙昕悅

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150090)

[目的]定量考察農藥脅迫條件下叢枝菌根真菌(AMF)對水生植被的保護作用。[方法]以蘆葦為試驗材料，研究在阿特拉津不同濃度脅迫下，接種AMF對蘆葦生長和生理特性的影響。[結果]AMF可以與蘆葦建立穩定的共生關系，接種AMF蘆葦的各項生長指標以及根冠比均高于未接菌的對照，接菌處理的蘆葦葉片中葉綠素含量以及根部過氧化物酶活性均高于未接菌的植株，而根部丙二醛含量則顯著低于后者。接種AMF可在一定程度上緩解阿特拉津對蘆葦生長和生理的脅迫，對生長脅迫的緩解隨著阿特拉津濃度的增加呈現先增強后減弱的趨勢，對葉綠素含量等生理指標脅迫的緩解超過326%。[結論]試驗結果為濕地植被保護及修復提供了理論依據。

摩西球囊霉；蘆葦；阿特拉津；生長特性；生理特性

我國是農業大國，農藥流失現象異常嚴重，殘留的農藥伴隨農田退水進入周邊濕地系統，導致濕地系統農藥超標嚴重。阿特拉津是一種廣泛使用的除草劑，在保證糧食生產的同時，大量農藥殘留隨著地表徑流進入水體，對水生植被生長造成顯著毒害作用，影響水生植被系統健康。

AMF是廣泛存在于自然界的一種植物內生型真菌，可通過侵染植物根系與植物建立互惠互利的共生關系[1]，促進宿主植物生長并提高其抗逆環境脅迫的能力。已有研究表明，AMF能夠促進植物對營養元素的吸收[2-3]，促進葉片葉綠素含量和植物光合作用的效率[4]，同時可以提高宿主植物對干旱、低溫、高溫、高鹽、重金屬以及農藥等外界不利生態環境的耐受能力[5-16]。上述研究多集中于土培農作物生長促進及產量提高方面，對自然條件下的原生植被，尤其是水生植物的研究較少。利用AMF的優良特性提高自然植被抵抗環境污染脅迫與沖擊能力，是緩解自然水生植物系統因污染而產生的受損、退化等問題的有效途徑。為定量考察農藥脅迫條件下AMF對水生植被的保護作用，筆者以濕地優勢植被——蘆葦為宿主植物，構建AM真菌-蘆葦共生體系，研究了阿特拉津脅迫下接種摩西球囊霉(Glomusmosseae，GM)對蘆葦生長、生理特性的影響，旨在為濕地植被保護及修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料 試驗于2014年6～9月在哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室綜合試驗區進行。供試蘆葦種子產自吉林省吉林市。供試菌種為摩西球囊霉，采用營養液水培法進行培養，利用蛭石輔助根系固定。

1.2 試驗設計 試驗設接菌處理(+AM)和不接菌對照(-AM)。選取飽滿一致的蘆葦種子，分別播種于裝有接種12 g菌劑(接菌處理)和接種12 g滅菌接種物(不接菌對照，保持營養物的一致)的營養液中。播種后60 d在營養液中施加阿特拉津，共設8個濃度：0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、15.0 mg/L，每個濃度3次重復。

1.3 調查方法 第75天剪取幼苗葉片及根組織，測定葉片葉綠素含量、根部過氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量以及根系菌根侵染率，并對各處理植株株高、根長、地上部分鮮重和地下部分鮮重等生長指標進行測定。葉綠素含量的測定采用丙酮提取法[17]；POD活性的測定采用分光光度法[18]；MDA含量的測定采用分光光度法[19]。取30個根段采用酸性品紅染色鏡檢，通過根段侵染率加權法計算菌根侵染率[20]。

侵染率(%)=∑(0%×相應根段數+10%×相應根段數+20%×相應根段數+···+100%×相應根段數)/總根段數

1.4 數據處理 試驗數據采用SPSS 17.0軟件進行分析,采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 AMF真菌-蘆葦共生體系的構建及阿特拉津脅迫下菌劑侵染情況 侵染率是評價植物-菌根真菌共生體系成功與否的直接指標。阿特拉津是一種具有生物毒性的有機污染物，不僅對植物具有毒害作用，同時會威脅土壤微生物的生長。為考察阿特拉津脅迫下菌根共生體的穩定性，對不同濃度阿特拉津脅迫下菌劑侵染情況進行了定量比較分析(圖1)。

自然條件下，AMF對蘆葦的侵染率較低[21]。施加AMF菌劑，可以顯著提高其侵染率，使AMF與蘆葦根部形成良好的共生關系。不同濃度阿特拉津脅迫條件下，接菌處理均能夠形成AMF-蘆葦共生體系，侵染率最高達20.11%。施加不同濃度的阿特拉津會對侵染效果產生一定的影響，隨著阿特拉津濃度的增加，菌根侵染率逐漸下降，但均保持在17%以上，可以證實AMF-蘆葦共生體系在受到污染物毒害時具有一定的抗性。

2.2 阿特拉津脅迫下AMF對蘆葦生長的影響 植物接種

菌根真菌后，最直觀的效應就是能促進植株的生長，已有研究結果表明接種AMF對植物的生長均有不同程度的促進作用[22-23]。由表1和表2可以看出，接種AMF可以明顯促進蘆葦的生長，包括株高的生長和根的延伸，并增加植物各部位的生物量。阿特拉津各濃度下，菌根組植物的株高和根長分別較對照組提高了27.88%和45.50%，地下生物量和地上生物量分別增加了192.00%和221.00%。當阿特拉津濃度增加時，接菌處理與不接菌處理之間的差距呈現先減小后增大的趨勢，說明當阿特拉津濃度較低時，菌根對蘆葦的保護作用會隨著環境脅迫的加劇而變得愈發明顯；當阿特拉津濃度超過1.0 mg/L時，由于環境脅迫作用超過共生體系的承受范圍，菌根的保護作用會因受到阿特拉津的毒害而損傷。阿特拉津同一濃度下，接菌處理的植株(+AM)的根冠比均比不接菌處理的植株(-AM)高。接種AMF提高了蘆葦生長量，可能是菌根的形成擴大了蘆葦根系在土壤中的吸收范圍，從而使蘆葦能夠吸收更多的養分以供生長。

此外，各組處理中，接種AMF的植株重量根冠比均高于未接菌的對照。根冠比是描述植物生長狀態的重要參數，當環境適宜時，根系吸收能力大于地上部分的消耗能力，植物就會加強地上部分的生長，根冠比就會降低；當植物受到污染脅迫作用，地上部分的蒸騰作用大于根系的吸收作用，地上部分的生長會受到限制，根系部分就會加強生長，根冠比就會增大。通常來講，根冠比較低的植物往往葉片較小、莖稈較細、抗逆性較差，根冠比較高的植物，往往抗逆性更強。該試驗中，+AM組根冠比始終高于-AM組，說明接菌使蘆葦傾向于投資地下根系的擴展，有利于土壤營養和水分的吸收。隨著濃度增加，根冠比數值降低，表明阿特拉津對根系的毒害作用是更直接的，較對地上器官的生長抑制更明顯。

表1 不同濃度阿特拉津脅迫下接種AMF對蘆葦空間擴展生長指標的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示不同濃度處理間差異顯著；“*”表示與+AM相比差異顯著。

表2 不同濃度阿特拉津脅迫下接種AMF對蘆葦物質積累生長指標的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示不同濃度處理間差異顯著；“*”表示與+AM相比差異顯著。

2.3 阿特拉津脅迫下蘆葦的生理響應

2.3.1 葉綠素含量的響應。植物依靠光合作用合成有機物質獲得能量從而促進植株的生長發育。光合作用的主要色素是葉綠素，它是葉片進行光合作用時捕獲光能的重要物質，其含量的高低反映了植株光合能力的大小。由圖2可知，阿特拉津同一濃度下，施加AMF的蘆葦葉片中葉綠素a、葉綠素b含量均高于未施加菌劑(-AM)組蘆葦葉片，隨著阿特拉津濃度的增加，蘆葦葉片中的葉綠素a、葉綠素b含量整體呈現逐漸下降的趨勢。

隨著阿特拉津濃度的增加，總葉綠素含量呈現先快速下降后平緩再下降的趨勢，表明在阿特拉津濃度較低時，植物對阿特拉津有一定的耐受性。施加AMF的蘆葦其葉綠素含量下降幅度低于對照組(-AM)，說明共生體系可以提高植物對藥物毒害的抗性。阿特拉津同一濃度下，+AM組蘆葦葉片中總葉綠素含量比-AM組高出55.60%，表明AMF可以促進蘆葦葉片中葉綠體的形成和葉綠素合成速率的提高，進而提高菌根植株的光合能力，為植物的生長發育提供更多的碳水化合物，從而對植物的生長產生顯著的促進作用。阿特拉津作為一種廣譜性除草劑，主要通過抑制雜草的光合作用而導致其死亡，在蘆葦上接種AMF可以緩解該種毒害作用達326%，增強了阿特拉津脅迫下蘆葦的抗逆性。

2.3.2 抗逆生理指標的響應。阿特拉津濃度過大時，將對植物產生生長脅迫作用，激發植物體內與抗逆性相關的酶，測定與抗氧化相關的酶的活性可以反映植物的抗逆性和生長狀況。植株抗逆性與防御系統活性密切相關，POD是植物在逆境條件下酶促防御系統的關鍵酶之一，其與超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)相互協調配合，清除過剩的自由基，使植物體內的自由基維持在一個較低的正常動態水平，控制細胞膜脂過氧化水平，減輕膜傷害，保證植物正常生理代謝[24-25]。植物體內POD活性與光合作用、呼吸作用等都有密切關系，是植物適應能力強弱的生理表征指數之一。大量研究表明POD活性與植物的抗逆性具有正相關關系[26]。由圖3可知，當阿特拉津濃度為0時，蘆葦根部POD活性很低；隨著阿特拉津濃度的增加，植株根部POD活性呈現先增加后減少的趨勢，在濃度為3.0 mg/L時達到最高，之后隨著毒害作用超出植物承受限度，POD活性逐漸降低。阿特拉津同一濃度下，接種AMF的蘆葦根部POD活性明顯高于不接菌對照組，說明接種AMF能有效緩解外界污染脅迫對植物帶來的傷害，提高植株的抗逆性。

植物在逆境條件下會產生大量的活性氧，活性氧很容易使植物細胞內膜發生過氧化作用或脫脂作用，而MDA則是細胞內膜脂過氧化或脫脂的產物，會嚴重地損傷細胞的生物膜，降低膜中不飽和脂肪酸的含量，使膜的流動性降低[27]。因此，生理學上通常利用MDA作為植物對逆境條件反應強弱的標志，一般來講，抗性越強的植物其MDA含量越低。由圖4可知，隨著阿特拉津濃度的增加，MDA含量呈現先增加后降低的趨勢，在低濃度脅迫下，植物表現出積極的抗逆響應，在阿特拉津濃度為0.5 mg/L時MDA含量最高，表明植物在該條件下呈現出最明顯的抗逆以及應激反應，濃度為0.5～3.0 mg/L時植物呈現出損傷生理表征，濃度超過3.0 mg/L時植物受損過度出現死亡。阿特拉津同一濃度下，接種AMF的蘆葦根部MDA含量比空白對照組平均低47.49%，其中阿特拉津濃度為0.5 mg/L時+AM組的MDA含量比-AM組低35.00%，說明接種AMF后植物的抗逆性明顯增強，表明AMF可以在阿特拉津脅迫下增強蘆葦的抗逆性，為利用AMF進行濕地生態系統的保護與污染濕地生態系統的重建提供了理論依據。

3 結論

叢枝菌根真菌與蘆葦可以構建穩定的共生體系，在環境條件適宜時，其侵染率可達20%以上。當該共生體系受到阿特拉津污染脅迫時，侵染率有所下降，但仍可以保持較高的侵染率(17%以上)，說明該共生體系一旦形成，是相對穩定的，在污染條件下具有一定的抗逆性。

在蘆葦根部施加叢枝菌根真菌可以有效促進植株的生長，在受到污染脅迫時，共生體系可以通過增加地下根系的生長、擴大植物有效吸收面積來抵抗逆境對其的影響。

在共生體系受到阿特拉津脅迫時，通常首先表現出對逆境的應激反應，當污染超過該體系的抗逆承受能力時，植株會出現死亡的現象。不接菌時植物可在0～0.5 mg/L的閾值范圍內進行有效的生理調節，接種叢枝菌根真菌時，植物可在0～3.0 mg/L閾值范圍內進行生理調節，植株的抗逆生理指標通常在阿特拉津濃度為0.5～3.0 mg/L時達到最高，表示低于該濃度的阿特拉津存在時，共生體系可以有效發揮作用提高植物的抗逆性，超出該范圍時，共生體系便無法承受，會導致植株受損甚至死亡，為農業生產中阿特拉津的安全施加量提供了依據。

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Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Growth and Physiology of Reeds under the Stress of Atrazine

CAO Ming-zhu,WANG Li,MA Fang et al

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin，Heilongjiang 150090)

[Objective] The aim was to quantitatively observe the protection of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) to aquatic vegetation under pesticide stress.[Method] Using reeds as experimental material,effects of AMF on growth and physiology of reeds under different concentrations of atrazine were studied.[Result] The AMF and reeds could establish a stable symbiotic relationship,and the growth index and shoot ratio of inoculating AMF were higher than non-inoculating ones.Chlorophyll content in leaves and POD content of AMF groups were higher than control,while MDA content was obviously lower than control.AMF inoculation could alleviate atrazine reed growth and physiological stress in a certain extent,it could relieve stress on growth more than 100%,while relieving physiological stress such as chlorophyll content was over 326%.[Conclusion] The results provide reference for protection and repair of wetland vegetation.

Glumosmosseae; Reed; Atrazine; Growth index; Physiology index

國家自然科學基金項目(51179041)；水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07201003)。

曹明竹(1990- )，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向：生態學。

2015-04-20

S 432.4+4

A

0517-6611(2015)17-138-04