根內(nèi)生真菌印度梨形孢侵染對黑麥草氣體交換和生長發(fā)育的影響

吳 ， ， ， *

(1. 長江大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖北 荊州434025； 2. 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 湖北 荊州434025)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)與植物根系共生，對植物的生長發(fā)育和抗逆性具有很大的影響，但AMF菌根真菌在實際生產(chǎn)上的應(yīng)用受到很大的限制，因為AMF的繁殖需與植物共生才能進行。AMF菌根真菌的這種特性，使得它們在短時間內(nèi)大規(guī)模繁殖變得困難。印度梨形孢(Piriformosporaindica)是從印度拉賈斯坦邦沙漠植物根際分離的一種植物內(nèi)生真菌[1]，它不屬于AMF，但具有AMF菌根真菌所具有的功能，如增加植物對鹽脅迫[2-3]和干旱脅迫[4-5]的抗性，提高植物對病原菌的抗性[6-7]，促進植物營養(yǎng)吸收[8-9]，促進植物早開花[10-11]。印度梨形孢具有AMF菌根真菌所不具備的兩個特點：其一為印度梨形孢可以非活體培養(yǎng)[12-13]，其二為印度梨形孢能夠侵染很多植物。AMF菌根真菌不能侵染的擬南芥[14-15]，但印度梨形孢也能侵染[16-18]。正因為它具有這樣的獨特的優(yōu)點，可以把它當(dāng)做生物肥料、生物保護劑、植物生長促進劑使用[19]，因此，它將在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景[20]。在我國，對印度梨形孢開展的研究較少[21-24]，主要集中于棉花、水稻、玉米等大田作物[21,25-26]，而以草業(yè)植物為試驗材料的研究則更少[24,27]。到目前為止，尚未有印度梨形孢對黑麥草(Loliumperenne)生長發(fā)育的影響研究。為了更好地在草業(yè)科學(xué)上利用這種有益內(nèi)生真菌，本研究通過盆栽試驗，在黑麥草栽培基質(zhì)中接種印度梨形孢，分析印度梨形孢對黑麥草氣體交換和生長發(fā)育的影響。

1 材料與方法

1.1 黑麥草的培養(yǎng)與印度梨形孢的接種

本研究采用基因組已經(jīng)測序的印度梨形孢菌株(DSM 11827)。該菌株由德國耶拿大學(xué)Ralf Oelmüller 教授提供。黑麥草(LoliumperenneL.)種子購自山東鄆城泰禾種業(yè)有限公司。將農(nóng)資市場上購買的園藝育苗培養(yǎng)基質(zhì)進行高壓滅菌，然后將其裝入塑料盆(口徑15 cm)，每盆裝入培養(yǎng)基質(zhì)1千克。將黑麥草種子均勻地播入盆內(nèi)。待黑麥草長出2片葉子時，進行間苗，每盆保留5株。間苗4天后進行印度梨形孢接種：每盆接種10 mL印度梨形孢菌絲懸浮液(10 g·L-1)，對照組則接種10 mL滅活的印度梨形孢菌絲懸浮液。接種組和對照組各20盆。盆栽盆放在露天盆栽場，根據(jù)培養(yǎng)基質(zhì)的水分情況進行水分管理：春季不下雨時每2天澆水1次，夏季不下雨時每天上午澆水1次。

1.2 氣體交換和葉綠素?zé)晒鉁y定

選擇黑麥草完全展開的葉片，以光合儀(LI-6400XT，Li-Cor，美國)進行氣體交換測定。在晴朗的上午9:30-12:00進行測定，采用人工光源，其光強設(shè)置為800 μmol·m-2·s-1。每盆含有5株黑麥草，測定時隨機選取3株，每株只選取1個葉片，每個葉片重復(fù)測定2次。因此接種和未接種印度梨形孢的處理，各測定60個葉片。葉綠素?zé)晒獠捎?PAM葉綠素?zé)晒鈨x (JUNIOR-PAM, Walz, Heinz Walz GmbH, 德國)在已測定氣體交換的葉片上測定葉綠素?zé)晒飧鲄?shù)[28]。

1.3 生物量和分蘗數(shù)的測定

將黑麥草植株從培養(yǎng)基質(zhì)中取出，用自來水清洗其根系直至干凈，然后帶回實驗室。用鋒利的小刀將黑麥草植株從根莖結(jié)合處分離，分別放入信封中，做好標(biāo)記后放入恒溫烘箱中(75℃)烘烤12 h 。待冷卻后取出，然后利用分析天平稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行單因素分析，比較印度梨形孢接種組和對照組之間各生理參數(shù)的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 印度梨形孢接種對黑麥草氣體交換的影響

印度梨形孢接種對黑麥草氣體交換產(chǎn)生了很大的影響。從圖1可知，印度梨形孢接種顯著提高了黑麥草的凈光合速率和蒸騰速率(圖1A，P<0.05)，也顯著地增加氣孔導(dǎo)度和水分虧缺(圖 1B，P<0.05)，顯著地降低胞間二氧化碳濃度(圖1C，P<0.05)。

圖1 印度梨形孢侵染對黑麥草氣體交換的影響Fig.1 Effect of infection of P.indica on gasexchange in leaves of L.perenne

印度梨形孢侵染顯著提高熒光參數(shù)Y(II)和qP(圖 2A，P<0.05)，也顯著提高熒光參數(shù)qL(圖 2B，P<0.05)，同時，印度梨形孢侵染降低黑麥草的熒光參數(shù)NPQ，但降低的幅度并不顯著(圖 2B)。印度梨形孢侵染對三個熒光參數(shù)YNO、YNPQ和ETR則沒有顯著影響(圖 2C和D)。

圖2 印孢侵染對黑麥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effect of infection of P.indica on fluorescence parameters in leaves of L.perenne

2.2 印度梨形孢接種對黑麥草水分和光能利用效率的影響

印度梨形孢對黑麥草的侵染顯著降低其水分利用效率(water use efficiency, WUE)(圖3A，P<0.05)，而顯著提高其光能利用效率(light use efficiency, LUE)(圖3B，P<0.05)。

圖3 印孢侵染對黑麥草水分利用效率(WUE)和光能利用效率(LUE)的影響Fig.3 Effect of infection of P.indica on WUE and LUE of L.perenne

2.3 印度梨形孢接種對黑麥草生物量累積和分蘗數(shù)的影響

印度梨形孢對黑麥草的侵染增加了黑麥草根系、地上部分以及總生物量，但這種變化并不顯著(圖4A)；同時減少了黑麥草的分蘗數(shù)，但變化也不顯著(圖 4B)。

3 討論

印度梨形孢對黑麥草的侵染，提高了黑麥草的凈光合速率(圖 1A)。這種提高與印度梨形孢提高黑麥草的光合機制有關(guān)。雖然印度梨形孢對黑麥草的侵染并沒有顯著改變熒光參數(shù)NPQ、YNO、YNPQ和ETR(圖2B、C和D)，但顯著提高了熒光參數(shù)Y(II)和qP(圖2A)。熒光參數(shù)Y(II)代表光系統(tǒng)II光化學(xué)量子產(chǎn)量，qP則代表光化學(xué)淬滅[29]，這兩個參數(shù)的顯著提高，說明印度梨形孢對黑麥草的侵染提高了黑麥草葉片對所吸收的光能的轉(zhuǎn)化，更多的吸收光能用于驅(qū)動光化學(xué)反應(yīng)，從而提高了黑麥草對光能的利用效率(圖3B)。光能利用效率的提高，對于提高植物單位時間內(nèi)生物量的累積具有重要意義。印度梨形孢侵染黑麥草可以提高其根系、地上部分以及總生物量(圖4A)，應(yīng)該與其光能利用效率的提高具有很大關(guān)系。而印度梨形孢如何促進光能利用效率，尤其是關(guān)于它對色素的生物合成以及光反應(yīng)中心多種蛋白生物合成的影響，則需要更進一步研究。

圖4 印度梨形孢侵染對黑麥草生物量(A)和分蘗 (B)的影響Fig.4 Effect of infection of P.indica on biomass (A) and tiller number (B) of L.perenne

印度梨形孢提高黑麥草光合速率，可能與印度梨形孢促進黑麥草對營養(yǎng)吸收有關(guān)。在印度梨形孢中，已經(jīng)分離了一種磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白PiPT[8]。這種磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白能夠幫助寄主植物加強對磷酸鹽的吸收，從而促進寄主植物的生長[9]。此外，印度梨形孢還能促進氮在杉木葉片中分配比例(作者未發(fā)表數(shù)據(jù))，這種促進作用可直接影響到光合作用過程中最重要酶Rubisco的數(shù)量，因為 Rubisco占葉片總蛋白的 20%～25%[30]，占葉片可溶性蛋白的 60%[31]。

印度梨形孢對黑麥草的侵染可促進黑麥草的生長與生物量的累積(圖4A)，這與其他研究的結(jié)果一致[22,32]，其促進作用可使黑麥草總生物量增加10.87%，與對照相比，沒有顯著性差異，其原因在于印度梨形孢作為一種共生內(nèi)生真菌，它的生長發(fā)育需寄主植物供給大量的碳水化合物，因此印度梨形孢與黑麥草共生則大量消耗黑麥草通過光合作用固定的碳水化合物。通過這種消耗作用印度梨形孢與鴨嘴花(Adhatodavasica)共生能顯著促進鴨嘴花生長，而在黑麥草上表現(xiàn)更明顯[33]。內(nèi)生菌Neotyphochium coenaphalum 可以促進高羊茅(Festuraarundinace)的分蘗[24]，但內(nèi)生真菌印度梨形孢侵染黑麥草并沒有增加其分蘗(圖4B)，這可能與內(nèi)生真菌-寄主植物之間的內(nèi)在關(guān)系有關(guān)。

4 結(jié)論

黑麥草受到印度梨形孢的侵染后，光系統(tǒng)機制發(fā)生改變，提高了光能利用效率，使其凈光合速率顯著提高，最終引起黑麥草的總生物量增加。因此，印度梨形孢可用于提高黑麥草產(chǎn)量。