叢枝菌根真菌促進南美蟛蜞菊在低磷環境下的生長

陳琪 程浩 李琴 賀芙蓉 吳聞文 祁珊珊 戴志聰 杜道林

摘要：目前，外來入侵植物南美蟛蜞菊已經造成了嚴重的生態環境問題。盡管已經有很多研究報道了南美蟛蜞菊快速擴張的機制，但是關于南美蟛蜞菊在低營養環境下依舊能夠保持較快擴散能力機制的研究卻很少。旨在探討不同磷環境下叢枝菌根真菌對南美蟛蜞菊快速生長的影響及其機制。結果表明，叢枝菌根真菌與南美蟛蜞菊可以形成良好的共生關系，在低磷環境下，可以明顯優化南美蟛蜞菊的生物量分配策略，地下、地上的生物量分配支持最優分配理論。此外，叢枝菌根真菌可以顯著提高低磷環境下南美蟛蜞菊葉片中的茉莉酸、赤霉素含量，從而促進植物生長。以上研究結果說明，叢枝菌根真菌可以通過調節植物體內的激素含量而對南美蟛蜞菊的生物量分配策略產生影響，從而促進南美蟛蜞菊在低磷環境下的快速生長與擴張。

關鍵詞：叢枝菌根真菌;南美蟛蜞菊;激素;入侵植物;資源分配策略

中圖分類號： S451;S182文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0103-05

收稿日期：2019-03-20

基金項目：國家自然科學基金（編號：31700342、31600326、31770446）;江蘇省自然科學基金（編號：BK20150503）。

作者簡介：陳?琪（1994—），男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事入侵生態學研究。Tel：（0511）88790955;E-mail：chen1455526947@163.com。

通信作者：祁珊珊，博士，講師，從事入侵生態學、農業生態等方面的研究。Tel：（0511）88790955;E-mail：qishanshan1986120@163.com。

隨著人類社會的進步與發展，國家間經濟貿易自由及人員交流的全球化進程不斷加快，外來植物入侵（alien plant invasion）已經成為全球性問題。入侵植物不僅對當地的生態系統、生物多樣性造成嚴重破壞，還會造成巨大的經濟損失，對農業生態環境的影響尤為嚴重[1]。2017年在浙江杭州召開的第三屆國際入侵生物學大會（ICBI 2017）指出：中國的外來入侵物種已達620余種，其中入侵植物500多種，造成了逾2 000億元人民幣的經濟損失。對于外來植物入侵的機制，研究人員給出了很多假說和解釋[2-5]，其中部分入侵植物在新棲息地能夠充分利用資源（甚至是低營養環境）而擁有快速生長的能力，從而促進其成功入侵[6]。營養對于植物來說是至關重要的，然而即使在營養匱乏的環境中，如沙地、城市建筑荒地等[7-8]，入侵植物依然能夠快速地生長，其原因尚不清晰。

叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizal）是植物界存在的最古老、最廣泛的共生組織之一，迄今為止已有4億年的歷史[9]。叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AMF）可以侵染80%以上的植物根部并與植物形成高效的共生關系[10]。這種高效的共生體主要依靠真菌在植物根部遍布的菌絲形成的菌絲網絡[11]，從而為植物提供必需的礦物質和營養元素，例如磷、氮等[12-13]。而作為回報，植物則給真菌提供光合產物有機碳源[14]。正因為這樣，AMF可以提高植物在逆境下對營養元素的利用效率[15]，卻會在營養充足的環境中削弱與植物的共生關系[16]。相關研究表明，AMF能夠促進植物對磷元素的吸收[12]，影響植物的生長[17]，并且能夠促進入侵植物的生長[18]，進而提高其競爭力[19]。南美蟛蜞菊[Wedelia trilobata （L.） A.S. Hitchc.]是原產于南美洲的一種多年生常綠克隆植物[20]，目前被列為世界上100種惡性入侵種之一[21]。自20世紀70年代被引入我國華南以來，南美蟛蜞菊快速生長傳播，目前已在地表形成濃密的覆蓋層，排擠當地植物的生存空間，并在荒地形成大片單一的密集種群，嚴重影響當地植物的多樣性，甚至會造成生態系統的功能失衡[22]。雖然目前關于南美蟛蜞菊局部適應性和表型可塑性研究[23]、分子角度對南美蟛蜞菊的入侵性研究[24]、南美蟛蜞菊的化感作用研究[25]等相關研究已有很多，但是關于AMF在南美蟛蜞菊應對低磷環境影響的作用及其應對機制卻鮮有研究。

因此，本研究致力于探討AMF在低磷營養環境中對南美蟛蜞菊生長的作用，以期揭示南美蟛蜞菊在低磷環境中快速擴張的機制，豐富和發展入侵生態學理論，為外來植物入侵的科學防治工作提供理論基礎。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本試驗選取的入侵植物南美蟛蜞菊采自我國海南省海口市，在江蘇大學溫室內擴繁。選取生長健康、長勢（長短、粗細）一致的南美蟛蜞菊莖段，每個莖段保留2個莖節，所有莖段均在5%次氯酸鈉溶液中表面消毒滅菌10 min，然后用無菌水洗滌5次備用。

AMF選用的地表球囊霉（Glomus versiforme，簡稱GV）購自北京農林科學院植物營養與資源研究所。本試驗所用GV菌劑為自行擴繁后的含培養基質、孢子、菌絲和侵染根段的混合物，其孢子數量為 4個/g。具體擴繁過程如下：選取粒徑小于2 mm、洗凈后的河沙與沸石（按體積比1 ∶1混合均勻）作為基質，裝在布袋中，于121 ℃高壓滅菌2 h;烘干冷卻后，裝入消過毒的花盆（20 cm×15 cm×15 cm）中至約2/3高度，將100 g菌劑均勻撒在花盆中，接著鋪上2 cm厚的基質;將高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench]種子表面消毒、洗凈后點播在基質中，每盆播種5粒種子，最后用基質將種子蓋好，將其置于溫室中，用無菌水澆灌培養4個月，其間每周補充1次300 mL的1×Hoaglands營養液;收獲時去除地上部分和表層基質后，將根剪碎，與地下部分的基質混合均勻，自然風干后裝入密封袋內，于4 ℃冰箱保存備用。

1.2?試驗設計

本試驗采用盆栽培養，共設置4個處理。營養濃度處理：（1）正常營養;（2）低磷營養。AMF處理：（1）不添加GV菌劑;（2）添加GV菌劑。正常營養處理的植株添加含有181.3 mg/L氮、30.9 mg/L磷的1×Hoaglands營養液;低磷營養處理的植株添加含有 181.3 mg/L 氮、1.545 mg/L磷的低磷1×Hoaglands營養液。其中，氮、磷的形式分別為NO-3、PO3-4。

本試驗采用沙培法培養，每個方形塑料盆（10 cm×10 cm×10 cm）中含有700 g洗凈、滅菌烘干的河沙（直徑<2 mm，無任何營養添加）。其中，添加AMF的處理方法如下：將5 g GV菌劑與695 g河沙混合均勻后加入盆中;將選取的植物莖段垂直扦插在花盆中的相同位置，每盆插入1個莖段，保持1個莖節埋在沙中，所有植株均放置于相對濕度為70%、溫度為25 ℃、光—暗周期為16 h—8 h的溫室內進行培養。每天用蒸餾水澆灌植物，并且每3 d分別添加50 mL正常或低磷的1×Hoaglands營養液，共培養2個月，在此期間每盆共計添加1 000 mL正常營養或低磷營養的Hoaglands營養液。

1.3?菌根定殖率的測定

依據Phillips等的方法評估菌根定殖率[26]。從方盆3 cm深處取出大小合適的幼根，用蒸餾水輕輕洗凈后切成2 cm的碎片。然后在10% KOH中消化，接著放入H2O2中漂洗，隨后用1% HCl酸化，再用0.05%臺盼藍染色，最后用50%乳酸脫色后，在顯微鏡下觀察。

1.4?葉片激素含量的測定

用酶聯免疫吸附法測定茉莉酸、赤霉素含量[27]。

1.5?數據分析

使用SPSS 17.0，采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）進行不同處理間的差異顯著性分析（Duncans test，α=0.05）。用Origin 8.1對數據統計分析結果進行作圖。

2?結果與分析

由圖1可以看出，在正常營養、低磷營養處理下，GV在南美蟛蜞菊根部均有定殖，但是在低磷處理下GV的定殖率（62.7%）顯著高于正常營養處理下GV的定殖率（4.3%）。

由表1可以看出，AMF對植株的4個生長指標都有顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）影響。由圖2-A、圖2-B可以看出，與對照組相比，添加GV顯著增加了低磷、正常營養處理下的地上、地下部生物量（P<0.05）。由圖2-C、圖2-D可以看出，在低磷處理下，添加GV顯著提高了生物量的根冠比（P<0.05），但是顯著降低了根長與莖長的比值;此外還可以看出，在正常營養條件下，添加GV與不添加GV處理間的根冠比、根長與莖長的比值均無顯著差異。由圖3、圖4可以看出，添加GV顯著增加了低磷處理下南美蟛蜞菊體內的茉莉酸、赤霉素含量（P<0.05）。

3?討論

本研究發現，AMF與南美蟛蜞菊可以形成良好的共生關系，在低磷環境下，可以通過增加地下部分的生物量投入來優化南美蟛蜞菊生物量的分配策略。此外，添加AMF可以顯著提高低磷處理下南美蟛蜞菊體內的茉莉酸、赤霉素含量，對南美蟛蜞菊的生物量分配策略進行調控，從而促進植物生長。這些發現可以部分解釋南美蟛蜞菊在營養貧瘠的環境中依舊能夠快速生長的原因，同時也表明，AMF在外來植物入侵中發揮著重要作用。本研究還發現，在低磷處理下的GV在南美蟛蜞菊根部的定殖率顯著高于正常營養處理。在資源豐富的環境中，叢枝菌根真菌的定殖率和生物量往往會下降[16，28]，這是因為植物通過根部的吸收作用就能滿足本身的需求，而在低營養環境中則需要與AMF相互合作，在結合部位投入更多的能量，通過遍布根部的菌絲來捕獲有限的資源[11]，如磷元素等[12]。

自然環境中的資源分布是不均勻的，當植物受到低營養脅迫時，會通過調整根系生長趨勢，如改變資源分配策略來應對逆生境[29]。最優分配理論（optimal allocation theory）指出，植物應當分配資源來增強對稀缺資源的獲取能力[30]。本研究結果顯示，在低磷環境下添加GV，可以顯著提高地下生物量，從而顯著提高南美蟛蜞菊的根冠比;然而添加GV后，低磷處理下南美蟛蜞菊的根長顯著縮短。研究結果表明，GV極有可能通過增加根的數量而非根長來提高根的有效吸收面積、擴大根對磷營養的“覓食”范圍、增強對稀缺資源的獲取，從而提升南美蟛蜞菊應對低磷環境脅迫下的資源分配調節能力。植物激素是植物自身產生的微量高效、能調節自身生理生化功能的有機物。茉莉酸、赤霉素是2種廣泛存在于植物體內的、能有促進植物生長發育的植物激素。茉莉酸可以影響植物的新陳代謝，主要參與種子萌發[31]、植物生長[32]和病蟲抗逆性形成[33]等植物生理過程。研究表明，茉莉酸可以幫助入侵植物躲避食草動物，從而促進植物入侵[34]。赤霉素能夠調節植物生長并影響植物發育[35]。內源赤霉素含量與入侵植物南美蟛蜞菊的莖長、不定根長度呈正相關，因此加快了入侵植物的生長并提升了其入侵競爭力[36]。本研究發現，在低磷處理下，GV可以顯著提高葉片中的茉莉酸、赤霉素含量，說明在低磷環境中，AMF極有可能通過增加植物體內的激素含量來促進南美蟛蜞菊的生長。

已有研究發現，AMF可以誘導獨腳金內酯的合成，進而提高植物的抗旱能力[37];AMF也可調節植物體內的激素含量，從而使植物應對環境變化引起的根部壓力損傷[38]。此外，AMF可以刺激植物內源生長素的增加、改善鹽脅迫下營養的獲取等[39]。因此可見，AMF可以通過調節植物激素表達網絡的方式來調節植物應對環境脅迫的方式。本研究發現，AMF可以增加植物體內的赤霉素、茉莉酸水平，從而優化南美蟛蜞菊的資源分配策略、調節根的發育以應對低磷脅迫，最終實現在低磷環境中的快速生長。未來可以從如何破除AMF與南美蟛蜞菊的共生關系入手，進一步研究相應的方法，以實現對南美蟛蜞菊的防治。

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