山西大同大學校園主要林木根系ECMF和DSE分布調查

李 朕，高聰輝，吳 娜，趙雅名

(山西大同大學生命科學學院，山西大同037009)

自然界超過80%的植物都能夠與菌根真菌形成互利共生結構，稱為菌根[1]。在農林生態系統中，菌根真菌能夠與農作物、園藝作物、林木以及牧草等植物形成共生，對農林牧業發展十分重要。該類真菌主要生活在植物的活根中，能增強植物根系對水分和某些礦物質的吸收，促進植物產生生長素、細胞分裂素、抗生素等代謝產物，促進植物生長，從而提高宿主植物在多種逆境下的生存能力。同時，宿主植物為菌根真菌提供了良好的生長環境和賴以生存的有機營養。此外，菌根真菌對于環境的適應性極強，在各種陸地環境、水生態環境，甚至嚴重污染的生態環境中的分布均有報道[2]。

外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi，ECMF）菌絲能夠在植物根系表面形成致密的菌套（圖1 A），于根系細胞壁間生成哈蒂氏網。據報道已知可生成外生菌根的真菌約有34 科近百個屬，中國約有28 科63 屬，估計有千余種。近些年發現的深色有隔內生真菌（dark separated endophytes，DSE）有與ECMF 相似的生長特性，被部分學者認為是菌根的新類別。DSE也是一類與植物根系互利共生的內生真菌，在根系內形成微菌核和有隔的菌絲（圖1 B），能幫助植物在多種逆境中生存，并能夠抑制多種病害的侵染。

圖1 ECMF侵染的根尖（A）和DSE微菌核（B）

ECMF 和DSE 能夠通過直接和間接的方式幫助宿主植物在絕大多數生境中定植和生長。菌根真菌能夠通過改善宿主植物水分狀況，改善營養元素的吸收狀況，以及調節抗氧化物質、滲透調節物質的合成等，幫助宿主植物在多種逆境中生存繁殖[3]。ECMF 的外生菌絲能夠擴大植物對水分和營養元素的吸收面積，促進其對干旱、鹽堿等的耐性[4]。其次，ECMF 能夠在根系表面形成致密的菌套，在根系皮層細胞外形成哈蒂氏網，對病原菌、有毒有害物質入侵形成了兩層物理屏障。此外，ECMF 和DSE 的分泌物，既能夠改善土壤環境，又能夠對一些病原菌形成拮抗作用，提高宿主的抗病性。在各種脅迫環境中，均能夠觀察到菌根真菌的分布，尤其在生態嚴重破壞環境中，如森林火災、火山噴發后的生態環境中，菌根真菌對其生態的恢復至關重要[5]。

此外，菌根真菌能夠對所處生態環境中的微生物、植物以及動物群落多樣性產生影響。龐大的菌根網絡可以為土壤提供約相當于凋落物40%的C，這些有機質成為土壤微生物的主要C 源，直接影響土壤中微生物的構成和數量[6]。ECMF 和DSE 分泌物能夠抑制病原菌，影響微生物群落的構成。其次，菌根真菌促進植物的生長，通過植物間接影響根際微生物的多樣性。菌根真菌對植物病原真菌和線蟲有明顯的抑制作用。菌根真菌也對土壤團聚體的形成和穩定起著重要的作用，可以促成灰土的生成。菌根真菌的類型和數量可以指示生態系統中自然或人為活動引起的變化，在生態系統保護、恢復或重建過程中起著重要作用。

植物的定植、生長，以及土壤微生物、植被和昆蟲的群落多樣性與菌根真菌密切相關。通過對大同大學校園植物菌根真菌侵染狀況進行調查，對植被和土壤健康狀況進行評估，對于校園植被維護和種植具有極大的意義。且該研究對校園ECMF和DSE真菌分離、鑒定和利用提供了參考。

1 材料與試驗方法

1.1 樣地選擇

在大同大學校園內選取了4個樣地，分別為明達樓北側花園（S1）、博雅樓南側花園（S2）、圖書館南側綠地（S3）和醫學院北側花園（S4）。

1.2 試驗材料

試驗材料為大同大學校園內主要林木根系，主要選擇了5 種林木，分別為丁香（Syringa oblateLindl）、國槐（Sophora japonicaLinn.）、圓柏（Sabina chinensisAnt.）、新疆楊（Populus bolleanaLauche）和云杉（Picea asperaMast.）。

1.3 樣品采集

在每個樣地中，對于5種林木，分別隨機選取3棵健康植株。分4 個方向，在離主根大約半米遠，盡量不破壞主根，去除表層5 cm 腐殖質層，采集15 ～35 cm深處的根系。將同一地點、同一棵植物根系樣品分別混合，作為一個樣品，裝入采樣袋用于菌根真菌侵染率的測定。

1.4 實驗方法

根系處理方法如圖2。根系處理好之后，選取直徑小于2 mm的根系剪成大約1 cm長的小段。每個樣品隨機選取50 個根段，壓片后在光學顯微鏡下觀察，按照放大十字交叉法統計并計算ECMF和DSE侵染率。

圖2 根系處理方法

1.5 數據處理

實驗最終結果為各組的平均值±標準差，利用Excel 2016中的t-test功能對不同處理組間進行差異顯著性分析，STDEV.P函數對其進行誤差分析。

2 實驗結果

2.1 ECMF分布狀況

結果表明，ECMF 侵染率最高出現在S1、S4 樣地的丁香和S3 樣地的新疆楊，均在80%以上。最低出現在S2樣地的國槐，為12.3%。4個樣地間，新疆楊根系ECMF 侵染率波動最大（S3 樣地侵染率86.7%和S2 樣地侵染率25.1%），達到61.1%。4 個樣地間，云杉根系ECMF侵染率波動最小。方差分析結果表明，ECMF 侵染率在樣地間、物種間的差異均顯著，而二者間交互作用不明顯。見圖3。

圖3 4個樣地、5種植被間ECMF侵染率

2.1.1 ECMF在物種間的差異

忽略樣地間差異，對不同植被根系ECMF 侵染率進行統計，結果如圖4。5 種植物根系ECMF侵染率為丁香＞云杉＞新疆楊＞國槐＞圓柏，且丁香根系ECMF 侵染率最高，為66.7%，顯著高于其它4 種植物。新疆楊與云杉、國槐與圓柏之間侵染率無顯著差異，但新疆楊與云杉顯著高于國槐與圓柏。方差分析結果表明，ECMF 侵染率在物種間的差異顯著。

圖4 不同植被間根系ECMF侵染狀況

2.1.2 ECMF在樣地間的差異

忽略物種間差異，對不同樣地制備根系ECMF侵染率進行統計，結果如圖5。忽略植被物種的影響，樣地間ECMF侵染率不存在顯著差異。

圖5 不同樣地間ECMF侵染率

2.2 DSE分布狀況

DSE 侵染率最高出現在S1 和S2 樣地的國槐根系，為4.4%和3.4%，均顯著高于其它樣地和其它植被。而4 個樣地云杉根系中均未觀察到DSE。4 個樣地間，國槐根系DSE 侵染率波動最大，從S2 樣地的4.4%到S4 樣地的0%。DSE 侵染水平均較低，最高為4.4%，比ECMF 的最低值12.3%也低很多，這是由于2 種真菌不同的生活特性導致的。方差分析表明，DSE 侵染率在樣地間、物種間的差異均顯著，而二者間交互作用不明顯。

圖6 4個樣地、5種植被間DSE侵染率

2.2.1 DSE在物種間的差異

忽略樣地間差異，對不同植被根系DSE侵染率進行統計，結果如圖7。5 種植物根系DSE 侵染率為國槐＞丁香＞新疆楊=圓柏＞云杉，國槐根系DSE侵染率最高，為2.1%，顯著高于其它4種植物。圓柏與新疆楊間DSE侵染率沒有顯著差異，云杉侵染率為0%。方差分析表明，DSE 侵染率在物種間的差異顯著。

圖7 不同物種間DSE侵染率

2.2.2 ECMF在樣地間的差異

忽略物種間差異，對不同樣地制備根系ECMF侵染率進行統計，結果如圖6。結果表明，忽略植被物種的影響，樣地間ECMF侵染率不存在顯著差異。

圖8 不同樣地間DSE侵染率

3 分析與討論

研究發現ECMF和DSE侵染在不同物種間存在較大差異。可以形成外生菌根的宿主植物主要有柏科、松科、楊柳科、樺木科等34 科百余屬植物。喬灌木以及一些草本植物主要生成AMF，喬木觀賞植物如落葉松、云杉等主要形成ECMF 和AMF，不同植物ECMF形態有較大差異[7]。

我們還發現，忽略樣地及植被的差異，ECMF侵染率比DSE要高得多，這可能與菌絲侵染林木根系的方式有關。ECMF是以菌絲在根系表面形成致密的菌套，同時在根系皮層細胞外形成哈蒂氏網，代替根毛攝取營養并供給植物。而DSE 菌絲要侵入根部皮層細胞，形成微菌核結構，有明顯的隔膜。微菌核是由細胞壁加厚的膨大的細胞緊密堆積形成，形狀大小不一。ECMF 菌絲不伸入植物皮層細胞內部，侵染植物根系較容易。

不同地區的侵染率也存在較大差異，這可能與土壤理化性質有關。楊韌等在研究陜北不同地區根際真菌的資源與分布以及與土壤理化性質關系中發現，菌根侵染率和油松根部真菌資源分布受不同土壤理化性質的影響，其中ECMF和DSE侵染水平與多數土壤理化性質顯著相關[8]。方燕等研究叢枝菌根真菌時也發現土壤有機質和速效氮對菌根侵染率的影響呈正效應[9]。因此土壤理化性質是影響侵染率的重要因素之一。褚洪龍等研究表明不同樣區的真菌群落多樣性和土壤酶活存在差異，土壤含水量與真菌群落多樣性和土壤酶活密切相關[10]。總之，自然條件下土壤中各種營養元素與有機質含量是影響菌絲侵染狀況的重要因素，菌根真菌對植被侵染的強弱受土壤各種理化性質的限制，從而導致4個樣地間侵染率存在明顯差異。

本研究對于山西大同大學校園植被的維護和種植具有指導意義。同時，該研究對校園ECMF和DSE真菌分離、鑒定和利用提供了研究基礎。