菌根共生在梔子種子萌發以及枝條扦插中的作用

戴惠明, 鄭潔敏, 黃宗貴, 李亞萍, 姜武, 陳家棟

(1.永嘉縣林業技術推廣中心, 浙江 永嘉 325100; 2.溫州市種子站, 浙江 溫州 325005;3.浙江省亞熱帶作物研究所, 浙江 溫州 325005)

梔子 (Garadeniajasminoides) 是茜草科的一種常綠灌木, 也叫作黃梔子、紅枝子等, 主要產地為浙江、江西、湖南等[1]。梔子是我國常見的大宗藥材之一, 主要有效成分為梔子苷、西紅花苷、有機酸等, 具有瀉火除煩、清熱利尿、涼血解毒、散瘀血等功效, 臨床用于熱病心煩、濕熱黃疸、小便黃短、尿血、腎盂炎、熱毒瘡等癥, 是治療黃疸性肝炎的首選藥物[2]。梔子也是重要的生態經濟林樹種和觀賞樹種, 不僅具有經濟壽命長、價值高的特點, 而且四季常綠, 形態優美。梔子也是入選衛生部首批藥食兩用中藥材名錄的藥材。

梔子可用種子、扦插和分株繁殖3 種育苗方法。種子繁殖具有管理便捷, 成本低等優勢; 扦插繁殖具有苗木數量大, 成株后生長勢強的優勢。因此, 種子繁育和扦插是目前生產上采用的主要方法[3-4]。梔子是小型灌木, 在種子育苗過程中存在種子萌發率低, 育苗周期長等問題, 扦插繁殖也有存活率低下, 小苗抗逆性弱等問題。近幾年, 梔子的需求與日俱增, 市場對梔子種苗的需求也逐漸增大。

土壤中的菌根真菌能與植物根系共生, 形成菌根共生體, 是植物適應環境的重要機制之一。研究表明, 地球上絕大部分的陸生植物都可以形成叢枝菌根。菌根形成后, 植物能夠通過菌根真菌的根外菌絲吸收非根際區土壤中的養分, 尤其是對磷、氮、鉀等養分的吸收, 從而提高對土壤中養分的利用, 以促進植物的生長, 減少植物對肥料的依賴[5-6]。菌根共生可以通過調劑植物次生代謝產物的變化, 提高宿主適應環境脅迫的能力[7]。

激素是植物生長發育所必需的調節劑, 同時也能夠調控菌根共生系統的形成[8]。研究[9]發現,接種菌根真菌會促進植物根系生長素的累積。接種菌根真菌玉米根系中檢測到細胞分裂素的含量大幅提高, 植物激素也對種子的萌發起到關鍵作用[10]。過氧化物酶 (POD)、過氧化氫酶 (CAT)、超氧化物歧化酶 (SOD) 能在梔子種子萌發階段發揮作用, 清除種子的活性氧, 減少種子產生的丙二醛等有害代謝物對種子的傷害[11]。

菌根化栽培技術已在農、林業生產中被廣泛使用, 具有促進作物生長、提高作物抗逆性、減少肥料施用、改善土壤理化結構等優點。目前, 菌根化栽培在梔子生產應用中較少, 因此, 利用菌根化技術提高梔子種子萌發率及促進扦插苗的生長, 縮短育種周期, 對梔子產業具有積極的意義, 也為梔子的菌根化栽培推廣提供了數據支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用種子和扦插苗均為梔子玉香, 在永嘉縣金溪鎮六龍村基地采收, 經浙江省農業科學院亞熱帶作物研究所陶正明研究員鑒定。

本實驗用到的菌根真菌為Rhizophagus irregularis(R.irregularis), 購于北京市農林科學院植物營養與資源研究所。菌種由浙江省亞熱帶作物研究所陳家棟博士擴繁, 使用煙草和三葉草為宿主植物, 基質為體積比3 ∶1 的黃沙和石英砂, 菌根共生3 個月后, 停止澆水, 讓植物自然死亡。經擴繁后, 菌劑主要成分為菌絲體、孢子果、孢子。

1.2 實驗方法

1.2.1 梔子種子萌發處理

將梔子種子與濕潤的營養土混合, 充分濕潤種子, 同時加入菌劑, 對照加入121 ℃滅活的菌劑,在溫度為28 和24 ℃, 光照14 h、黑暗10 h 的環境下培養。

1.2.2 梔子種子萌發率和出苗率測定

在上述條件下處理梔子種子25 d, 在實驗室統計萌發率, 以梔子胚根突破種皮確定為種子萌發;接著在實驗室培養60 d, 然后統計梔子地上部分的出苗情況。

1.2.3 梔子扦插苗接菌處理

剪取樹齡為5 a 的成年梔子枝條, 去葉, 傷口用高錳酸鉀消毒后插入土壤, 外源施加含有菌根孢子的菌劑作為處理, 對照組施用經121 ℃滅活的菌劑。扦插5 個月后統計扦插成活率及根系生長狀態。實驗時間為2021 年3 月, 環境溫度為15～30 ℃。

1.2.4 梔子激素提取及測定

取1 g 梔子樣品加入10 倍體積的乙腈提取過夜, 低溫離心機12 000 r·min-1離心10 min, 獲得上清液, 然后加入C-18 固相萃取體, 劇烈振蕩30 s 后, 10 000g離心5 min, 將上清液轉移到新的 離 心 管, 氮 氣 吹 干。用 200 μL 甲 醇 復 溶,0.22 μm 有機相膜過濾。使用HPLC-MS/MS (美國安捷1260) 測定植物激素。流動相分別為: 甲醇/0.1%甲酸和水/0.1%甲酸。

1.2.5 梔子酶活性測定

取一定部位的植物葉片 (視需要定, 去葉脈)0.5 g 于預冷的研缽中, 1 mL 預冷的磷酸緩沖液在冰浴上研磨成漿, 加緩沖液至終體積為5 mL。取1.5～2.0 mL 于1 000 r·min-1下離心20 min, 上清液即為酶活測定粗提液。POD 活性測定參考李鑫[12], SOD 活性測定參考趙春旭等[13], CAT 活性測定參照張蘭等[11]方法。

2 結果與分析

2.1 菌根真菌共生對梔子種子萌發及生長的影響

2.1.1 菌根共生對梔子種子的萌發率和出苗率的影響

梔子種子播種后, 在保證濕度和環境溫度適宜的條件下, 大約需要20 d 發芽。在本研究中, 播種處理25 d 后統計梔子種子的萌發率, 再過60 d后統計出苗率。根據圖1 可知, 接種菌根真菌的種子萌發率為88.35%, 對照僅為70.22%。接種菌根真菌梔子出苗率為68.33%, 對照為58.77%。

圖1 菌根共生對梔子萌發率和出苗率的影響

2.1.2 菌根共生對梔子小苗生長的影響

處理60 d 后, 觀察梔子小苗生長狀態, 圖2中B 可以看出接種菌根真菌小苗生長狀況顯著優于對照組。經測定, 接種菌根真菌和對照梔子幼苗的地上部長度分別為3.47 和2.56 cm, 根長分別為2.91 和1.96 cm。結果表明, 接種菌根真菌能有效促進梔子地上部和根系生長。取接種菌根真菌的根系, 經曲利本藍染色后, 在顯微鏡下觀察, 如圖2 中C 顯示, 接種菌根真菌梔子根部已經形成從枝結構 (紅色箭頭標注), 說明梔子幼苗根部菌根共生良好。

圖2 菌根共生對梔子幼苗生長的影響

2.1.3 菌根共生對梔子激素含量的影響

相關研究表明, 菌根共生能夠調節植物激素水平, 調控植物的表型變化。植物激素是植物發育的中樞調節劑, 在種子萌發過程中發揮關鍵作用。因此, 在接菌60 d 后, 我們測定了2 個處理的梔子中激素含量。由表1 可知, 菌根共生實驗組中吲哚乙酸 (IAA)、細胞分裂素、赤霉素的含量分別為1.533、0.342、1.423 ng ·g-1, 均 顯 著 高 于 對照組。

表1 菌根共生對梔子激素含量的影響

2.1.4 菌根共生對梔子酶活性的影響

POD 廣泛存在于植物體內, 屬于活性較高的酶種類, 相關研究[12]表明, POD 與植物呼吸作用、光合作用及生長素的氧化均有著密切關系。CAT 主要存在于植物細胞的葉綠體、線粒體、內質網中, 與植物抗氧化防御能力相關[11], SOD 主要起到清除超氧陰離子自由基的作用, 也是植物抗氧化酶系統的第一道防線, 具有反映植物抵抗逆境傷害的能力[13]。在本研究中, 測定2 個處理60 d后梔子體內POD、CAT、SOD 活性。由表2 可知,菌根共生梔子POD、CAT、SOD 活性均顯著高于對照組。

表2 菌根共生對梔子POD、CAT、SOD活性的影響

2.2 菌根真菌共生對梔子扦插苗的影響

2.2.1 菌根共生對梔子扦插苗成活率及根系生長的影響

梔子扦插的成活率是制約梔子種苗行業發展的關鍵因素, 在本研究中, 比較接種菌根真菌對梔子扦插的影響。接種菌根真菌處理5 個月后, 統計梔子扦插成活率。結果顯示, 未接種菌根真菌梔子苗存活率為60.25%, 接種菌根真菌梔子苗存活率為85.70% (圖3)。接種菌根真菌扦插苗根長為10.98 cm, 每個枝條生根15.43 條, 質量為4.91 g, 均顯著大于對照組 (表3)。

表3 菌根共生對梔子扦插苗根系的影響

圖3 菌根真菌對梔子扦插苗的影響

2.2.2 菌根共生對梔子扦插根系激素的影響

激素是植物生根過程中重要的影響因素, 在本研究中, 我們測定了2 個扦插處理的梔子根系中激素含量。由表4 可知, 菌根共生實驗組中IAA、赤霉素的含量分別為0.754、0.521 ng·g-1, 顯著高于對照組; 脫落酸含量的趨勢與IAA 和赤霉素含量相反, 接菌組脫落酸含量為0.612 ng·g-1, 顯著低于對照。

表4 菌根共生對梔子扦插苗激素含量的影響

2.2.3 菌根共生對梔子扦插苗酶活性的影響

在本研究中, 在菌根共生以及對照組扦插苗生長5 個月后, 檢測扦插苗梔子根系POD、CAT、SOD 活性。由表5 可知, 菌根共生梔子苗中POD、CAT、SOD 活性均顯著高于對照組 (表5)。

表5 菌根共生對梔子扦插苗POD、CAT、SOD 活性的影響

3 討論

地球上絕大多數的植物都能和菌根真菌形成共生, 菌根共生能夠促進植物的生長, 增強宿主植物應對各種環境脅迫的耐受性, 菌根的形成是植物適應外界環境變化的一種響應機制[14]。目前, 菌根化栽培已經廣泛應用于農、林業的生產實踐。相關研究[15]表明, 接種菌根真菌能夠有效提高玉米根系活力。在干旱脅迫下, 菌根共生能夠通過促進宿主植物根長增加、側根形成、根毛密度增大、根表面積擴大等方式提高水分的吸收能力, 以緩解干旱對植物造成的危害[16]。菌根共生可以影響宿主植物對重金屬的吸收轉運響應, 改善宿主植物的環境適應能力, 提高其對重金屬的耐受性[17]。

本研究通過比較接種和不接種菌根真菌對梔子種子萌發率、幼苗生長的影響, 觀察菌根共生對梔子扦插苗成活率、根系長度的影響, 發現接種菌根真菌可以有效提高梔子種子的萌發率, 促進梔子幼苗生長, 提高梔子扦插苗成活率, 促進扦插苗生長。通過測定接種菌根共生的梔子中激素的含量,發現梔子菌根共生提高IAA、赤霉素含量從而調控梔子種子萌發和生長; 測定接菌梔子POD、CAT、SOD 活性, 發現菌根共生促進POD、CAT、SOD活性, 可以推測, 菌根共生在梔子內部經過各種生理生化反應積累了一定量的活性氧, 需要高活性的抗氧化酶來清除。本研究為菌根梔子的菌根化育苗工作提供了研究基礎和理論依據。