叢枝菌根真菌對甘薯生物量、根系形態及鉀素吸收的影響

周曉月， 袁 潔， 石 琨， 汪吉東， 朱國鵬， 周其良, 丁愛芳

(1.海南大學園藝學院,海南 海口 570228; 2.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部江蘇耕地保育科學觀測實驗站,江蘇 南京 210014; 3.江蘇臨溪農業發展有限公司,江蘇 常州 213000)

甘薯(IpomoeabatatasL.)廣泛種植于世界上120多個國家和地區，位列中國第四大糧食作物，是重要的食品、飼料和工業原料來源[1]。甘薯屬于塊根作物，移栽30 d后(塊根形成期)根系分化基本完成，甘薯根系的生長發育影響最終甘薯的產量[2]。作為典型的“喜鉀”作物，鉀在甘薯的整個生育期中起到十分重要的作用，尤其是在塊根形成期，鉀能提高甘薯薯塊中干物質的積累，對提高甘薯產量的效果明顯[3-4]。鉀在土壤中擴散率較低，且全世界范圍內的大多數農田都存在一定的鉀營養虧缺情況，所以鉀營養通常是作物產量和品質提升的制約因素[5-6]。

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是內生真菌的一種，廣泛分布于農田土壤中，能與陸地上80%～90%的被子植物形成共生關系。叢枝菌根真菌可以增強宿主植物對養分如磷、氮、鉀和硫酸鹽等的吸收，改善養分虧缺條件下植株的生長發育，促進植物生長[7-8]。目前，關于叢枝菌根真菌促進宿主植物對磷和氮營養吸收的報道較多[9-11]，機制較為明確。關于叢枝菌根真菌對植物鉀營養吸收的影響研究較少。已有研究結果表明，叢枝菌根真菌能夠促進煙草[12]、番茄[3]、枸杞[13]、小麥[14]等植物對鉀的吸收或者積累。一項基于419個獨立試驗的meta分析結果表明，接種叢枝菌根真菌后植物鉀含量顯著增加18.5%[14]。此外，王園園等[13]的研究結果表明，施鉀和接種叢枝菌根真菌均能夠促進枸杞根系生長和鉀積累，并且存在協同作用。目前，關于叢枝菌根真菌對甘薯生長的影響研究已經取得一定進展，已有研究結果表明甘薯具有較強的菌根依賴性[15]，能夠與多株叢枝菌根真菌建立共生關系。接種混合的叢枝菌根真菌菌劑Symbivit能夠有效促進甘薯幼苗的生長和養分吸收，顯著提高甘薯產量[16]。接種叢枝菌根真菌地表球囊霉(Rhizophagusirregularis)能夠顯著提高甘薯根平均直徑、根體積、根生物量[17]。然而，目前關于叢枝菌根真菌對甘薯根系形態及鉀素吸收影響的研究較少。

本研究以甘薯徐薯28為宿主植物，在室溫盆栽條件下，研究接種叢枝菌根真菌和施鉀對甘薯苗期根系侵染率、植株根系形態、植株(根、莖、葉柄、葉片)生物量、植株各器官磷和鉀含量、甘薯根際土壤有效磷和速效鉀含量的影響，探究接種叢枝菌根真菌對甘薯植株鉀和磷吸收、積累和分配的影響，為更科學地將叢枝菌根真菌應用于甘薯栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

供試土壤為潮土，土壤基本理化性質為土壤全磷0.44 g/kg，全鉀7.23 g/kg，速效鉀53.00 mg/kg，有效磷12.15 mg/kg，pH7.13。

供試甘薯苗由江蘇省農業科院國家甘薯產業體系中心提供，甘薯品種為徐薯28。接種的叢枝菌根真菌為摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae, Fm)和幼套近明球囊霉 (Claroideoglomusetunicatum, Ce)，購買自北京市農林科學院。供試肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 56%)。

本試驗為盆栽試驗，于2021年7月至8月份在江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所大棚進行。試驗設置8個處理：不接種Fm不施鉀、不接種Fm施鉀、接種Fm不施鉀、接種Fm施鉀、不接種Ce不施鉀、不接種Ce施鉀、接種Ce不施鉀、接種Ce施鉀。每個處理3次重復，隨機排列。每盆裝土7 kg，施鉀處理以尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 56%)配置的混合肥料為基肥，與土壤充分混勻后裝盆，并于盆土1/2處均勻鋪灑70 g菌劑作為接種處理，不施鉀處理以尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)配置的混合肥料為基肥，與土壤充分混勻后裝盆，于盆土1/2處均勻鋪灑70 g滅菌菌劑為不接種處理。

試驗于甘薯苗期(插苗30 d后)采集樣品，分別采集甘薯根際土壤、植株地下部及地上部(莖、葉片、葉柄)，取新鮮根測定根系侵染率，以分析甘薯的生長、養分吸收及分配狀況。

1.2 測試指標及方法

1.2.1 叢枝菌根真菌侵染率測定 叢枝菌根真菌根系侵染率測定采用王幼珊等的方法[18]，在進行侵染率測定時，根系染色采用醋酸染色法，染色后隨機選取形態相似的根段，將其放置于載玻片上，每個載玻片上放15個根段，每個樣品觀測30條根段，然后使用電子顯微鏡進行侵染率觀測。根據每條根段的菌根結構的多少，按侵染0、10%、20%、30%、……、100%的比例計算每條根段的侵染率，侵染率計算公式：

1.2.2 生物量測定 將植物樣品按照根、莖、葉片、葉柄4個部分分開，在使用電子天平分別測定其鮮質量后，于105 ℃殺青1 h，并于75 ℃烘干至恒質量，最后分別稱取各部分干質量。

1.2.3 植株養分測定 將稱量后的樣品用粉碎機進行粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，具體方法參照鮑士旦的《土壤農化分析》[19]。測定各養分含量。用紫外分光光度計測定植株各部位全磷含量，用火焰光度計測定植株各部位全鉀含量。并計算植株各部位鉀積累量[20]，計算公式：植株鉀積累量=植株干物質積累量×植株鉀含量。

1.2.4 土壤養分測定 參考鮑士旦[19]方法測定。速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度計測定。有效磷采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定。全磷、全鉀采用四酸消解法消解，消解后用紫外分光光度計測定。

1.2.5 根系形態觀測及指標測定 使用愛普森根系掃描儀(EPSON Flatbed Scanner EPSON Perfection V800/V850 1.9 V3.93 3.9.3.1)對植株根系進行掃描，觀察根系形態，并分析其總根長、根表面積、根體積、根尖數等指標。

1.3 數據處理與分析

采用 Excel 2021 軟件計算數據，采用 SPSS 20.0(IBM, Chicago, IL, USA)軟件進行統計分析。利用獨立樣本t檢驗(Student's t-test)對兩組數據進行統計分析，P<0.05和P<0.01 分別表示存在顯著差異和極顯著差異，分別用*和**表示。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVA)對2組以上數據進行統計分析，采用 Turkey’s檢驗進行差異顯著性分析(P<0.05)。利用Origin 2021進行皮爾森相關性分析，并以熱圖形式表示。利用Origin 2021和 Photoshop CS6 進行圖像處理。

2 結果與分析

2.1 接種叢枝菌根真菌對甘薯根系侵染率的影響

如表1所示，叢枝菌根真菌Fm和Ce均能夠在甘薯中定殖，在缺鉀或施鉀條件下，Fm或Ce在甘薯根系中的定殖率沒有顯著差異。接種不同叢枝菌根真菌處理、鉀處理以及接種不同叢枝菌根真菌處理和鉀處理交互作用均不影響Fm和Ce對甘薯根系的侵染。

表1 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯根系侵染率的影響

2.2 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期生物量的影響

如表2所示，鉀顯著影響甘薯苗期葉片干質量、葉柄干質量、莖干質量、地上部總干質量、根干質量和全株總干質量。Fm、Ce以及鉀和Fm交互作用、鉀和Ce交互作用均不影響甘薯苗期葉片干質量、葉柄干質量、莖干質量、地上部總干質量和全株總干質量。并且，不論是在缺鉀還是施鉀條件下，接種Fm或者Ce對甘薯苗期葉片干質量、葉柄干質量、莖干重、地上部總干質量和全株總干質量沒有顯著影響。鉀、Ce以及鉀和Ce交互作用顯著影響甘薯苗期根干質量，并且在施鉀條件下，接種Ce顯著增加甘薯苗期根干質量47.6%。因此，施鉀能夠顯著促進甘薯苗期各個器官生物量積累，在施鉀條件下接種Ce能夠顯著提高甘薯苗期根干質量。

表2 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官生物量的影響

如圖1所示，鉀顯著影響甘薯苗期干物質向葉柄分配，Fm以及鉀和Ce交互作用顯著影響甘薯苗期干物質向根部的分配。在施鉀條件下，接種Fm降低了干物質向葉片的分配，接種Ce降低了干物質向葉片和葉柄的分配，接種Fm和Ce均有利于干物質向根部分配。因此，施鉀能夠促進甘薯各個器官生物量的積累(表2)。在施鉀條件下，接種叢枝菌根真菌Fm或Ce能夠協調甘薯地上和根部生長，降低干物質向葉片和葉柄的分配，有利于干物質向根部的分配(圖1)。此外，在施鉀條件下，接種Ce顯著增加根部干物質的積累，對于甘薯根部干物質積累具有更好的促進效果。

-K、+K、-Fm、+Fm、-Ce、+Ce見表2注。圖1 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官生物量占比的影響Fig.1 Effects of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on proportion of biomass in different organs of sweet potato at seedling stage

2.3 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期根系形態的影響

如表3所示，鉀、Fm、Ce以及鉀和Fm交互作用、鉀和Ce交互作用均不影響甘薯苗期總根長，鉀處理顯著影響甘薯苗期根表面積和根體積，Ce顯著影響甘薯苗期根表面積、根平均直徑和根體積，鉀和Ce交互作用顯著影響甘薯苗期根體積。并且，在缺鉀條件下，接種Fm或者Ce對甘薯苗期總根長、根表面積、根平均直徑和根體積均沒有顯著影響。在施鉀條件下，接種Fm顯著增加甘薯苗期總根長(提高22.33%)，對根表面積、根平均直徑、根體積均沒有顯著影響；接種Ce對甘薯總根長沒有顯著影響，顯著增加甘薯苗期根表面積(提高40.4%)、根平均直徑(提高13.00%)、根體積(提高59.30%)。表明在施鉀條件下叢枝菌根真菌能夠優化甘薯根系形態，但是Fm和Ce對甘薯苗期根系形態的優化方式存在差異。因此，施鉀和接種Ce均能夠優化甘薯根系形態；在施鉀條件下，接種Ce能夠顯著提高甘薯苗期根表面積、根平均直徑、根體積，更有利于甘薯根系的生長。

表3 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯根系形態的影響

2.4 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期鉀和磷吸收與分配的影響

2.4.1 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期鉀吸收與分配的影響 如表4所示，施鉀顯著影響甘薯葉柄、莖、地上部分、根部、全株鉀含量，對葉片鉀含量沒有顯著影響，鉀、Ce以及鉀和Ce交互作用顯著影響甘薯葉柄鉀含量，鉀和Fm交互作用顯著影響甘薯葉片鉀含量。在施鉀條件下，接種Ce顯著降低甘薯葉柄鉀含量；除此之外，接種Fm或Ce對甘薯各器官及全株鉀含量沒有顯著影響。因此，施鉀顯著促進甘薯苗期各個器官(除了葉片)鉀含量，在施鉀條件下接種Ce顯著降低甘薯葉柄鉀含量。

表4 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官鉀含量的影響

如表5所示，鉀顯著影響甘薯葉片、葉柄、莖、地上部分、根部、全株鉀的積累量，鉀和Ce交互作用顯著影響甘薯根鉀積累量。在施鉀條件下，接種Ce顯著降低甘薯葉柄鉀積累量，顯著增加根鉀積累量。因此，施鉀顯著促進甘薯苗期各個器官鉀的積累，在施鉀條件下接種Ce顯著降低甘薯葉柄鉀積累量，并且顯著增加根部鉀積累量，協調鉀的利用。如圖2所示，鉀顯著影響甘薯苗期鉀向葉片、葉柄、莖的分配。在施鉀條件下，接種Ce顯著降低鉀向葉柄的分配，增加鉀向根部的分配。

表5 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官鉀積累量的影響

-K、+K、-Fm、+Fm、-Ce、+Ce見表2注。圖2 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官鉀積累量的影響Fig.2 Effects of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on potassium accumulation in different organs of sweet potato at seedling stage

因此，施鉀促進甘薯鉀的吸收和積累。在施鉀條件下，接種Ce降低鉀向葉柄的分配，降低甘薯葉柄鉀的積累，增加根部鉀的積累。

2.4.2 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期磷吸收與分配的影響 如表6所示，鉀對甘薯各器官磷含量沒有顯著影響，Fm顯著影響甘薯地上部分和全株磷含量，鉀和Fm交互顯著影響甘薯苗期葉片、地上部分和根部磷含量，鉀和Ce交互顯著影響莖磷含量。在缺鉀條件下，接種Fm顯著降低甘薯苗期葉片、莖、地上部分、根部磷含量，接種Ce顯著增加甘薯苗期莖磷含量。在施鉀條件下，接種Fm顯著增加甘薯苗期根部磷含量，接種Ce對甘薯苗期各器官磷含量沒有顯著影響。因此，鉀不影響甘薯苗期磷含量，Fm和Ce對甘薯苗期磷吸收的影響存在差異，缺鉀條件下Fm限制甘薯各器官磷的含量，施鉀條件下提高根部磷的含量，Ce在缺鉀條件下顯著提高甘薯莖磷的含量。

如表7所示，鉀顯著影響甘薯葉片、葉柄、莖、地上部分、根部、全株磷積累量，Fm顯著影響甘薯根磷積累量。無論是缺鉀還是施鉀，接種Fm和Ce對甘薯各器官磷積累量沒有顯著影響。因此，施鉀能夠顯著促進甘薯苗期各個器官磷的積累，但是接種叢枝菌根真菌不影響甘薯苗期各個器官磷積累。如圖3所示，鉀顯著影響甘薯苗期磷向葉片的分配，Fm顯著影響磷向根部的分配。但是，無論是缺鉀還是施鉀條件下，接種Fm和Ce均不顯著影響甘薯各器官磷的積累量。因此，施鉀促進甘薯苗期各器官磷的積累，且有利于磷向葉片的分配。接種Fm均有利于磷向甘薯苗期根部的分配，顯著促進施鉀條件下根部磷的積累。

表7 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官磷積累量的影響

-K、+K、-Fm、+Fm、-Ce、+Ce見表2注。圖3 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯各器官磷積累量占比的影響Fig.3 Effects of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on proportion of phosphorus accumulation in different organs of sweet potato at seedling stage

2.5 接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期根際土壤速效鉀、有效磷含量的影響

如表8所示，鉀顯著影響甘薯苗期根際土壤速效鉀含量，對有效磷含量沒有顯著影響。鉀、Fm、Ce以及鉀和Fm交互作用、鉀和Ce交互作用均不顯著影響甘薯根際土壤速效鉀和有效磷含量。并且，不管是缺鉀還是施鉀條件下，接種Fm或者Ce對甘薯苗期根際土壤速效鉀和有效磷含量均沒有顯著影響。因此，施鉀提高甘薯根際土壤速效鉀含量，對根際土壤有效磷含量沒有影響。

表8 接種叢枝菌根真菌對苗期甘薯根際土壤速效鉀、有效磷含量的影響

2.6 甘薯苗期根系叢枝菌根真菌定殖率、植株生物量、根系形態指標、磷和鉀吸收的相關性

進一步分析甘薯苗期根系叢枝菌根真菌侵染率、甘薯生物量、根系形態指標、磷和鉀含量及積累量的相關性。如表9所示，甘薯苗期根干質量與總根長、根表面積、根平均直徑、根體積顯著正相關。施鉀能夠促進甘薯苗期根系干質量(表2)，顯著增加根表面積和根體積(表3)，因此施鉀通過優化甘薯根系形態促進根系干物質積累。在施鉀條件下接種Ce能夠顯著提高甘薯苗期根干質量(表2)，顯著增加根表面積、根平均直徑、根體積(表2)，因此，在施鉀條件下接種Ce通過增加根表面積、根平均直徑、根體積來促進根系干物質積累。地上部干質量和全株干質量均與根際土壤速效鉀含量顯著正相關，與根際土壤有效磷含量顯著負相關(表9)，而施鉀顯著增加根際土速效鉀含量，對有效磷含量沒有顯著影響(表8)，接種叢枝菌根真菌對根際土壤速效鉀和有效磷含量均沒有顯著影響(表8)，表明施鉀通過增加根際土壤速效鉀含量從而促進甘薯干物質積累。施鉀顯著增加甘薯苗期根際土速效鉀含量(表8)，促進鉀的吸收和積累(表4、表5)，而根際土速效鉀含量與全株鉀含量和鉀積累量顯著正相關(表9)，表明施鉀通過增加根際土壤速效鉀含量從而促進甘薯對鉀的吸收和積累。

表9 甘薯苗期生物量、根系形態指標、磷、鉀吸收相關性分析

3 討 論

叢枝菌根真菌能夠與80%的陸生植物形成共生關系，增強宿主植物對養分如磷、氮、鉀和硫酸鹽等的吸收，改善養分虧缺條件下植株的生長發育，促進植物生長[7-8]。Chandrasekaran等研究結果顯示，接種AMF改變了根系形態，增加了根表面積、根體積[14]。甘薯對菌根的依賴性較強，能夠與多株叢枝菌根真菌建立共生關系。已有研究結果表明，接種叢枝菌根真菌地表球囊霉(Rhizophagusirregularis)能夠顯著提高甘薯根平均直徑、根體積、根生物量[17]。甘薯是典型的塊根作物，甘薯根系發育分為2個階段：根系的生長和分化、塊根的膨大和產量形成。苗期發根量、生物量以及生理狀況等直接影響收獲期的產量[21]，甘薯苗期根系總長度、根表面積、根尖數量等指標決定了甘薯的養分和水分吸收效率，根平均直徑和根體積則反映根系分化狀況[22]。本研究結果表明，在施鉀條件下接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)能夠協調甘薯地上部分和根部生長，降低干物質向葉片和葉柄的分配，有利于干物質向根部的分配，表明在施鉀條件下接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)更有利于促進甘薯根系生長。并且，在施鉀條件下接種Ce顯著增加根部干物質的積累，顯著提高甘薯苗期根體積、根平均直徑和根表面積，而增加的根干質量主要源于根體積、根平均直徑和根表面積的增加，表明在施鉀條件下接種Ce通過優化甘薯根系形態從而促進甘薯根系干物質的積累。因此，在施鉀條件下接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)是優化甘薯苗期根系形態、促進根系生長的有效手段。

根系是植物吸取水分和養分的重要器官。叢枝菌根真菌對宿主植物的促生效應可能通過改變根系形態實現碳的合理分配和從土壤中獲得更多的水分和養分等資源[23-26]。叢枝菌根真菌可以通過增加根區某些營養物的有效性從而促進根系的生長[27-29]。甘薯是一種典型的喜鉀作物，鉀是影響甘薯根系生長、根系生理以及最終產量的關鍵因素。本研究結果表明，施鉀顯著增加甘薯苗期根際土壤速效鉀含量，促進鉀的吸收和積累，而根際土壤速效鉀含量與全株鉀含量和鉀積累量顯著正相關，表明施鉀通過增加根際土壤速效鉀含量從而促進甘薯對鉀的吸收和積累。此外，在施鉀條件下接種Ce對甘薯苗期全株鉀積累量沒有顯著影響，但是降低葉柄鉀的積累以及鉀向葉柄的分配，有利于根部鉀的積累，表明在施鉀條件下接種Ce可以促進甘薯根系鉀的積累。施鉀和接種叢枝菌根真菌均能夠促進枸杞根系生長和鉀積累，并且存在協同作用[13]。與此不同的是，施鉀促進甘薯鉀的吸收和積累，在施鉀條件下接種Ce可以促進根部鉀的積累，而根部鉀的積累有利于后期甘薯根系的生長及膨大。

普遍認為，叢枝菌根真菌對植物生長的促進作用很大程度上歸因于促進植物吸收更多的磷[14]。在本研究中，接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)顯著優化甘薯苗期根系形態，而甘薯苗期總根長、根表面積和根體積與甘薯全株磷積累量顯著正相關，但是接種叢枝菌根真菌并不影響甘薯苗期各個器官磷積累，表明接種叢枝菌根真菌優化的根系形態并沒有進一步促進甘薯苗期磷的吸收和積累。在本研究中，施鉀和接種叢枝菌根真菌對甘薯苗期根際土壤有效磷含量并沒有顯著影響，這可能是磷吸收和積累沒有增加的原因。本研究只探討了叢枝菌根真菌對甘薯苗期生物量、根系形態以及磷、鉀吸收和積累的影響，關于甘薯整個生育期的響應有待進一步研究。

綜上所述，在施鉀條件下接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)能夠協調甘薯地上部分和根部生長，降低干物質向葉片和葉柄的分配，有利于干物質向根部分配，通過優化甘薯根系形態促進甘薯根系干物質的積累，并且促進根部鉀的積累。因此，在施鉀條件下接種叢枝菌根真菌(尤其是Ce)是優化甘薯苗期根系形態、促進根系生長的有效手段，有利于后期甘薯根系的生長及膨大，具有提高甘薯產量的潛能。該研究為更科學地將叢枝菌根真菌應用于甘薯栽培提供了理論依據。