AM真菌多樣性與植物多樣性耦合關系及其對水鹽梯度的響應

劉 薇， 呂光輝， 魏雪峰， 龔雪偉

(1.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046； 2.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；3.新疆大學干旱生態環境研究所，新疆烏魯木齊 830046)

叢植菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)真菌是一類種類豐富、分布廣泛的土壤微生物[1]，能與80%以上的陸生植物根系形成共生關系[2]。在這一共生關系中，AM真菌為其寄主提供礦質營養，同時也從寄主處獲取碳源。借助于AM真菌，宿主植物可在惡劣環境中獲得良好的生長效應[3-4]。近年來，國內外學者已對不同生態系統進行大量的AM真菌相關研究，Klironomos通過大量交叉驗證試驗發現，植物和AM真菌的種屬身份都會影響到二者的共生關系[5]；也有研究表明，AM真菌的組成和多樣性對植株個體生長有很大影響[6-7]。AM真菌具有很高的物種多樣性[8]，隨著AM真菌物種多樣性增加，AM真菌對宿主植物的生長促進效應表現出多樣性[9-10]，即隨著AM真菌物種多樣性的增加，宿主植物的生長也相應增強。Moora等發現，AM真菌能夠強化植物種內競爭，促進植物個體的大小不整齊性[11-12]。Zhang等發現，AM真菌能夠影響植物的死亡率，進而影響種群自疏過程[13-14]。因此，AM真菌對植物個體生長的影響在大尺度上可能影響植物群落的構建和多樣性特征，進而造成群落結構與功能的差異。

極端干旱、鹽漬的生態系統中的AM真菌資源狀況正在受到越來越多的關注[15]。目前，全球范圍內共有約9.32億hm2土地遭受鹽化和堿化，這些地區植被多樣性的恢復與當地的生態安全和經濟發展密切相關[16-17]。已有研究表明，土壤鹽分是引起干旱區植物群落多樣性變化的關鍵因子之一[18-20]，也是干旱區荒漠植物群落動態的決定因素之一[21]，但關于土壤水鹽協同影響下植物多樣性與AM真菌多樣性耦合關系的變化特征，尚未見報道。

本試驗選取典型干旱荒漠區，研究AM真菌多樣性與植物多樣性的耦合關系對水鹽梯度的響應，研究結果在一定程度上可為干旱荒漠生態系統的群落構建與生物多樣性維持機制提供理論基礎。

1 試驗設計與研究方法

1.1 研究區及植被概況

艾比湖濕地國家級自然保護區位于新疆精河縣西北(82°30′～82°50′E、44°37′～45°10′N)，該區為典型大陸性干旱氣候，干燥少雨多風，年平均氣溫5 ℃，年平均降水量為105.17 mm，蒸發量為1 315 mm。該區典型地帶性土壤為灰漠土、灰棕漠土和風沙土隱域性土壤為鹽(鹽漬化)土、草甸土和沼澤土。多樣化的土壤類型決定了旱生、超旱生、沙生、鹽生、濕生和水生等植物群落的形成。艾比湖特殊的濕地-荒漠生態環境分布著數百種動植物，有其獨特的生物資源多樣性[22]。主要植物種類有胡楊(Populuseuphratica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、蘆葦(Phragmitesaustralis)，在平原低地還有檉柳(Tamarixramosissima)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)，湖濱鹽沼地有鹽穗木(Halostachyscaspica)、鹽節木(Halocnemumstrobilaceum)、堿蓬(Suaedaglauca)和鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)，山前沖積洪扇有琵琶柴(Reaumuriasoongorica)等[23]。

1.2 樣品材料的采集

在艾比湖自然保護區南部阿奇克蘇河北岸垂直河道每隔約2.0 km選取水鹽交互作用梯度明顯的3個典型樣地，即高鹽多水樣地(SW-1)，距河約1.0 km；中鹽中水(SW-2)，距河約3.0 km；低鹽少水樣地(SW-3)，距河約5.0 km(表1)。在每塊樣地布設30 m×30 m的樣方，以橫坐標每隔10 m、縱坐標每隔10 m采集1份樣品，共9個小樣方，作植物多樣性調查；以橫坐標每隔5 m、縱坐標每隔6 m采1份樣品，共30組植物樣品，在植物根圍，去掉表面的碎屑層后，挖取土壤(長10 cm×寬10 cm×深20 cm)，連同植物根系裝入無菌的塑料袋內，每份樣品約5 kg，帶回實驗室進行AM真菌多樣性分析。

表1 樣地基本信息

注：同列數據后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

1.3 分析方法

篩選出植物根圍土樣1 kg自然風干后(2～5 d)保存在低溫庫內(<10 ℃)，用于AM真菌孢子篩選、分離與鑒定。從每份樣品中抽取100 g土樣，用改進的濕篩傾析-蔗糖離心法篩選AM真菌孢子[24-25]。在體視鏡下先觀察孢子的顏色、大小、連孢菌絲、孢子果等形態特征，進行初步分類，在此基礎上，加浮載劑PVLG(聚乙烯醇-乳酸-甘油，即1.66 g聚乙烯醇、10 mL蒸餾水、10 mL乳酸、1 mL甘油)，在光學顯微鏡(Classica，麥克奧迪E221)及體視顯微鏡(舜宇SZ-6745)下觀察、測定孢子的顏色、大小、表面特征，孢壁顏色、類型、厚度等特征，內含物的性質，鑒定中可輔助使用Melzer’s試劑(100 g水合氯醛、100 mL蒸餾水、1.5 g碘、5 g碘化鉀)和棉蘭試劑(10 g石炭酸、10 mL乳酸、20 mL甘油、0.02 g棉蘭、10 mL 蒸餾水)，觀察孢子的化學反應，對有代表性的形態進行拍照；綜合以上觀察結果，根據文獻[26]、國際真菌INVAM(International Culture Collection of Arbuscular and Vesicular- Arbuscular Mycorrhizal Fungi)網址(www.invam.caf.wdu.edu)信息進行AM真菌鑒定。AM真菌孢子密度(spore density)以1 g土樣中含有的孢子數表示；相對多度(relative abundance，RA)指該采樣點AM真菌某屬或某種孢子數占總孢子數的比率，即RA=(該采樣點AM真菌某屬或某種孢子數/該采樣點AM真菌總孢子數)×100%。

1.4 數據處理

利用Excel 2010及R軟件(http：//cran.rproject.org)的Vegan程序包整理和計算AM真菌和植物物種多樣性；用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析檢驗AM真菌和植物在3個樣地之間的差異。

2 結果與分析

2.1 水鹽梯度下AM真菌α、β多樣性的響應

比較各樣地AM真菌α多樣性可以看出，從SW-1到SW-3，Margalef指數隨水鹽梯度降低而降低，且樣地間呈極顯著差異(P<0.01)(圖1)。而對物種多度依賴較強的Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數在樣地間呈顯著差異(P<0.05)。

從β多樣性分析結果可以看出，3個梯度之間AM真菌種類組成的Sorenson相似性指數從高到低為：SW-1與 SW-2 樣地>SW-1與SW-3樣地>SW-2與SW-3樣地；Cody指數從高到低為：SW-2與SW-3樣地>SW-1與SW-3樣地>SW-1與SW-2樣地，2種指數排序相反。SW-2與SW-3樣地間的Sorenson指數最小，為0.36；Cody指數最大，為10.05(表2)。說明2個梯度的AM真菌群落組成差異最大，同時隨著水鹽梯度變化而變化。

表2 各樣地AM真菌種類β多樣性

注：以“1.00”為對角線，右上角的為Sorenson指數βsor，左下角的為Cody指數βc。表3同。

2.2 水鹽梯度下植物α、β多樣性特征

依據α多樣性指數的計算結果可以看出，植物多樣性隨水鹽梯度降低在3個梯度之間均有差異性(圖2)。具體來看，從SW-1到SW-3，Margalef多樣性指數呈先上升后下降趨勢，且樣地間表現出極顯著差異(P<0.01)；Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數和Pielou均勻度指數都隨水鹽含量減少呈先下降后上升趨勢，即SW-1>SW-3>SW-2,且在高鹽多水與中鹽中水樣地間呈顯著差異(P<0.05)。

從β多樣性計算結果可以看出，Sorenson指數排序為 SW-1 與SW-2>SW-2與SW-3>SW-1與SW-3；Cody指數排序為SW-1與SW-3>SW-2與SW-3>SW-1與SW-2，2種多樣性指數趨勢相反(表3)。隨著水鹽含量的減少群落組成更加相似，而且群落物種替代速率也在減弱。

表3 植物β多樣性

2.3 AM真菌多樣性與植物多樣性的相關性

2.3.1 AM真菌α多樣性指數與植物α多樣性指數相關性 對AM真菌和植物α多樣性進行Pearson相關分析，結果表明，AM真菌的Shannon-Wiener多樣性和植物的Margalef多樣性呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數達到0.991；AM真菌的均勻度指數與植物的Simpson多樣性呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數為0.953；同一種多樣性指數比較時，AM真菌的多樣性與植物均呈正相關，其中Shannon-Wiener指數相關系數最小為0.020(表4)。

表4 植物與AM真菌α多樣性的相關性

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關。

2.3.2 AM真菌與植物β多樣性指數比較分析 在垂直河道自南向北的水鹽梯度下，AM真菌Sorenson指數呈下降趨勢，但不明顯，Cody指數呈上升趨勢，即AM真菌群落種群的演替過程是群落組成的共有種減少(圖3)。說明隨著土壤水鹽梯度由多鹽多水向少鹽少水發展，群落組成相似性減小，而群落物種替代速率增大。植物Sorenson指數呈上升趨勢，Cody指數呈下降趨勢，體現了植物群落由多鹽多水向少鹽少水變化過程中植物的共有種增多、種群相似性增大，而群落物種替代速率減小。部分說明隨著土壤水鹽梯度向極端環境發展的過程中，耐鹽植物群落向耐旱群落演替，由于水分在SW-2向SW-3發展過程中，土壤水分含量處在低水平，所以耐干旱植物群落占有優勢。

3 討論

從α多樣性來看，AM真菌的Margalef指數在3個水鹽梯度上隨水鹽降低而降低，與植物不同；植物在SW-1多樣性相對較高，到SW-2和SW-3時水分成為主要脅迫，所以多樣性指數降低，但SW-3高于SW-2，可能是因為鹽脅迫降低，有利于草本植物生長[23]，使多樣性升高。而宿主植物種類和根系結構特征是AM真菌共生與繁殖的重要因素，所以隨著水鹽梯度的變化，宿主植物不同，AM真菌種類、多樣性也隨之變化[27]。AM真菌的Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數變化趨勢與植物相應多樣性指數大致相同，相較于植物AM真菌樣地間變化幅度較小但差異顯著。因為在干旱區，水分是植物生長的最主要限制因子[28]，研究表明AM真菌能夠提高植物的水分利用效率。干旱脅迫會誘導植物多種調控蛋白的基因表達，AM真菌可以通過調控植物抗旱性基因的表達量，來實現對干旱脅迫的適應[29]。

從β多樣性來看，大量的研究結果[30-33]證實AM真菌可以通過改變植物的種間競爭能力影響植物群落組成。本研究中植物與AM真菌在不同梯度上的群落變化特征不一致，樣地之間演替甚至呈相反的趨勢，也有研究發現增加土壤中AM真菌的多樣性可以顯著提高植物群落的物種多樣性[34]。植物的Sorenson指數呈上升趨勢，說明隨著水鹽梯度的變化，群落間的共有種越來越少，因為在水鹽共同脅迫下群落內的物種逐漸演變為耐旱和耐鹽植物，群落組成趨向簡單，而且Cody指數呈下降趨勢，因為在極端環境下由耐旱耐鹽植物組成的群落不易被代替，所以群落演替速率降低。對于AM真菌而言，共有種減少可能是由于在研究區內AM真菌易寄生的植物種并非一定是植物群落的優勢種[35]。相對于植物演替的速率，AM真菌演替的速率較大，這可能與AM真菌對寄生植物和對環境因素特異適應，及植物根系根際環境反作用AM真菌有關，隨著土壤水分含量達到極低的水平，能夠適應干旱環境的植物明顯減少，耐旱植物成為群落種的優勢植物，而寄生于根下的AM真菌形成特異寄生干旱植物的AM真菌群落，此時在演替過程中植物消失1個種的宿主，對于特異寄生根系消失的卻是一個AM真菌群落，所以AM真菌群落演替速率快于植物群落。

通過對植物多樣性和AM真菌多樣性進行相關性分析可以看出，宿主植物和寄生AM真菌的各多樣性指數都成正相關關系，這可能是由于水分和鹽分這兩大因素直接影響到植物的多樣性，同時也間接影響到AM真菌的物種多樣性[36]。

4 結論

植物α多樣性指數在不同水鹽梯度上呈顯著性差異，且隨水鹽變化，β多樣性表明植物群落演替趨于選擇能適應高鹽多水和低鹽極少水的極端環境的耐鹽植物和耐旱植物。

依賴豐度的AM真菌α多樣性指數表現為隨水鹽梯度逐漸降低，多樣性亦降低，而對物種多度依賴較強的α多樣性指數表現較為均衡；β多樣性顯示，隨水鹽梯度變化，AM真菌不同，水鹽梯度上群落之間的共有種減少，群落演替速率加快；而植物共有種增多，群落不易被替代。

植物與AM真菌的4種多樣性指數均呈正相關關系，體現了AM真菌對宿主植物和土壤水鹽的雙重響應；隨著土壤水鹽梯度由多鹽多水向少鹽少水發展，群落最終的演替成為組成較為簡單的群落，AM真菌的演替速率大于植物群落。

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