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广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌类型调查分析

2018-09-10马俊卿韦竹立覃京龙李志平黄海瑞仇惠君黄荣韶曾燕红张金莲陈廷速曾富兰黄京华

南方农业学报 2018年5期
关键词:多样性真菌广西

马俊卿 韦竹立 覃京龙 李志平 黄海瑞 仇惠君 黄荣韶 曾燕红 张金莲 陈廷速 曾富兰 黄京华

摘要:【目的】調查广西野生黄花蒿根际土壤丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizae,AM)真菌与野生黄花蒿的共生情况及其根际土壤理化性状差异,为筛选对广西野生黄花蒿生长有明显促进作用的高效菌株及推动AM真菌在黄花蒿生产上的应用提供理论依据。【方法】采集野生黄花蒿根际2~30 cm土样,分别测定土壤pH、有机质碳、速效磷、碱解氮和速效钾含量,采用湿筛倾析—蔗糖离心法分离AM真菌孢子,观察记录孢子数量、形态并进行AM真菌类型划分和鉴定。【结果】不同采样点的野生黄花蒿均被AM真菌侵染,对野生黄花蒿的侵染率在29.15%~40.43%,其中崇左市土样的侵染率最高,南宁马山县土样的侵染率最低;10 g风干土样中的孢子数量以崇左市的最高(163个),百色田林县的最低(32个);不同样点的侵染强度为2~3级,属中等偏下水平。不同样点的土壤pH在7.61~8.38,属弱碱性土壤;土壤有机质碳含量为5.15~58.08 g/kg,速效磷、碱解氮和速效钾含量分别为54.71~551.20、98.70~595.00和66.89~547.30 mg/kg,不同样点间差异明显。AM真菌孢子密度、种类丰度(SR)和物种多样性指数也因采样点不同而存在明显差异。从9个地区55份土样中共分离出42种不同种类的AM真菌。【结论】广西野生黄花蒿根际AM真菌的分布因地理位置不同而存在差异,与土壤营养状况基本呈反比。野生黄花蒿根际土壤环境差异可能是造成AM真菌多样性的重要原因。

关键词: 野生黄花蒿;丛枝菌根(AM)真菌;多样性;广西

中图分类号: S567.219 文献标志码:A 文章编号:2095-1191(2018)05-0870-07

Abstract:【Objective】Symbiosis of arbuscular mycorrhizal(AM) fungi in the rhizosphere soil of Artemisia annua L. in Guangxi and wild A. annua and the physical and chemical character differences in rhizosphere soil were investigated to provide reference for the exploration of effective strains which could promote the growth of wild A. annua in Guangxi and the application of AM fungi in A. annua production. 【Method】Soil samples of 2-30 cm in rhizosphere of wild A. annua were collected to determine soil pH, organic carbon, available phosphorus, alkali-hydrolyzale nitrogen and available potassium. The spores of AM fungi were separated by wet sieve decantation-sucrose centrifugation method. The number and morphology of spores were observed and recorded, and types of AM fungi were divided and indentified. 【Result】All wild A. annuas in different sampling sites were infected by AM fungi. The infection rate of AM fungi on wild A. annua was 29.15%-40.43%, with the infection rate of soil samples in Chongzuo being the highest and that of Mashan, Nanning the lowest. Chongzuo held the largest number of spores(163 spores) in each 10 g air drying soil sample, while Tianlin, Baise held the smallest number(32 spores). The infection intensity in different locations was 2-3 grade, which was at medium and low level. The soil pH in different locations was 7.61-8.38, which belonged to weakly alkaline soil. The organic carbon content of soil was 5.15-58.08 g/kg. Contents of available phosphorus, alkali-hydrolyzale nitrogen and available potassium were 54.71-551.20,98.70-595.00 and 66.89-547.30 mg/kg respectively and showed marked difference among different locations. The spore density of AM fungi,species abundance(SR) and species diversity index greatly varied from different locations as well. Fourty-two different species of AM fungi were separated from fifty-four soil samples in nine regions. 【Conclusion】The distribution of AM fungi in wild A. annua rhizosphere soil varies from different geographical locations, and it is inversely proportional to the soil nutrition. The environmental differences in rhizosphere soil of wild A. annua could be significant cause to the diversity of AM fungi.

Key words: wild Artemisia annua L.; arbuscular mycorrhizae(AM) fungi; diversity; Guangxi

0 引言

【研究意义】黄花蒿(Artemisia annua L.)为菊科艾属植物,其干燥地上部分称为青蒿,具有抗炎、抗肿瘤等作用(仇惠君,2013),从黄花蒿中提取的青蒿素被世界卫生组织(WHO)推荐为当前世界治疗疟疾的首选药。丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizae,AM)真菌简称AM真菌,可与地球上大多数被子植物共生形成丛枝菌根。丛枝菌根是自然界普遍存在的一种共生现象,能够扩大根系吸收范围,促进作物对养分的吸收(黄京华等,2003)。AM真菌形成菌根后会减少植物根系与化感物质的直接接触,改善作物的生理特性进而提高作物抗性(李兴发,2015)。广西是我国黄花蒿的主产地,20世纪80年代广西黄花蒿的分布面积较大,在8个地区40余县均有分布,年产量在4000 t以上(韦记青等,2005),截至2005年广西种植青蒿约670 ha(唐其展等,2006)。然而黄花蒿连作会显著抑制其生长,降低叶片生物量、青蒿素含量及产量,还会不同程度地降低土壤有机质碳、有效氮和有效磷含量(李倩等,2016)。黄花蒿的青蒿素含量受产地、品种、生长阶段及光照强度、土壤等环境因素的影响,AM菌根会促进黄花蒿对矿质营养元素的吸收,增强叶片光合作用,调节黄花蒿体内倍半萜环化酶、内脂形成过程中氧化酶和加氧酶的活性,从而促进青蒿素的积累(黄京华等,2011)。因此,调查并分析广西野生黄花蒿丛枝菌根情况,对今后筛选与黄花蒿共生的优势菌株及促进广西黄花蒿生产具有重要意义。【前人研究进展】目前,全世界被发现和描述的AM真菌大约有260种,我国发现并描述的约有130种。根据孢子形态特征及真菌结构鉴定的AM真菌种类有150~200個(盖京苹等,2005)。土壤是孢子的天然培养基,不同基质pH和养分有效性等不同,对AM真菌发育和功能的影响也不同(石兆勇等,2002),许多研究者已对AM真菌与土壤理化性质的关系进行探索。陈宁等(2007)研究发现,基质中的通气和水分状况不同程度地影响着菌根真菌的生长发育。郭涛等(2009)研究表明,AM真菌种的丰度与土壤有机质碳、速效磷含量呈显著负相关,并认为真菌、环境、寄主植物三者间构成动态平衡,各生态因子相互制约、相互联系。宁佳绪(2009)研究发现,AM真菌的多样性随土壤水含量、pH和电导率的增大而相应增大。吴丽莎等(2009)研究发现,寄主植物和根际环境状况在一定条件下影响AM真菌的群落结构。孙向伟等(2011)研究表明,土壤的类型、pH、湿度、通透性和营养元素含量及土壤微生物等理化性状均会影响AM真菌孢子的群落动态。不同的AM真菌对生境的选择和适应不同,生态因素会影响AM真菌的多样性和分布规律(廖楠等,2016),土壤AM真菌群落结构与年均温度和年均降水显著相关(李雪静等,2017)。此外,农业生产中的不同管理措施也会不同程度地干扰AM真菌优势功能的发挥(裘浪等,2017)。【本研究切入点】广西AM真菌资源丰富(王幼珊等,2016),但关于广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌情况的调查研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】从广西野生黄花蒿分布区采集黄花蒿根际土壤样品进行检测,研究AM真菌与野生黄花蒿的共生情况及其根际土壤理化性状差异,并从土样中分离鉴定出与黄花蒿共生的AM真菌,以期为今后筛选对广西野生黄花蒿生长有明显促进作用的高效菌株及推动AM真菌在黄花蒿生产上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试土壤采集于广西百色市、百色田林县、百色平果县、南宁武鸣县、崇左市、南宁天雹水库及金沙湖、南宁马山县、柳州融安县等有野生黄花蒿生长的地方,土壤样本共计55份(表1)。

1. 2 试验方法

2012年8月在试验区有野生黄花蒿生长的地方进行采样并记录采样点概况,先去掉表土2 cm,取植株周围2~30 cm深度的根系土壤,用四分法淘汰多次,直至剩余1 kg为止,把获取的混合土样装入自封袋,附上标签,记录采样人、采样时间、地点等相关事项;每个采集点黄花蒿根系带回实验室用50%乙醇固定,供测定AM真菌对野生黄花蒿的侵染率;将泥土放在室内常温下自然风干后测定其理化性质和AM真菌孢子密度,剩余土样进行扩繁、纯化、分离和鉴定等AM真菌多样性研究。

于2015年9月~2016年1月在广西大学科研温室采用分层撒播法对采集土样(每份约200 g)进行扩繁,扩繁寄主为玉米品种正大619。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 土壤理化性状测定 参照《土壤农化分析》(鲍士旦,2000)的方法,pH采用电位法测定,有机质碳含量采用重铬酸钾容量—外加热法测定,速效磷含量采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,速效钾含量采用火焰光度法测定。

1. 3. 2 AM真菌侵染率测定 将野生黄花蒿根系取回实验室后室温保存于50%乙醇中,按透明—脱色—酸化—染色—褪色的步骤进行处理(廖楠,2016),参考《丛枝菌根及其应用》(刘润进和李晓林,2000)中的方法进行侵染率测定。按照AM真菌对植物根系的侵染率划分侵染强度,侵染率在0~20%为1级,20%~40%为2级,40%~60%为3级,60%~80%为4级,80%~100%为5级(盛萍萍等,2011)。

1. 3. 3 AM真菌孢子数观测 采用湿筛倾析—蔗糖离心法筛选出AM真菌孢子混合物(汪茜等,2016),置于培养皿滤纸上,解剖镜下观测记录孢子数量(个/10 g风干土,1个孢子果按1个孢子计数),并观察孢子形态。根据以上观察结果,按照《丛枝菌根及其应用》(刘润进和李晓林,2000)、《VA菌根真菌鉴定手册》(Schenck and Perez,1988)及INVAM国际网站(http://invam.caf.wvu.edu)提供的丛枝菌根真菌种类的描述和图片,同时参阅吴丽莎等(2009)、杨春雪和李丽丽(2014)发表的新种、新纪录种进行AM真菌类型划分和鉴定。

1. 4 数据处理及统计分析

AM真菌种类丰度(SR)指根际10 g土壤中含有的AM真菌不同种类数。SR=AM真菌总种类次数/土壤样本数。

孢子密度指单位质量土样中AM真菌所有种孢子数与土壤样本数的比值。

多样性采用Shannon-Wiener指数(H')和Simpson指数(D)来测度,假设有一个包含N个个体的随机样本,其中i的个体数为Ni,则Pi=Ni/N,即:

H'=-[i=1s(PilnPi)]

D=1-[i=1s(Pi×Pi)]

式中,S为某样地中AM真菌的种数,Pi为某AM真菌的孢子占该样地所有孢子的百分比。

试验数据采用SPSS 19.0进行统计分析,采用Excel 2007绘制图表。

2 结果与分析

2. 1 广西野生黄花蒿AM真菌孢子数、侵染率及根际土壤理化性质

由表2可知,9个采样点的野生黄花蒿均被AM真菌侵染,证明广西野生黄花蒿为菌根型植物。不同样点AM真菌对野生黄花蒿的侵染率在29.15%~40.43%,其中崇左市土样的侵染率最高,南宁马山县土样的侵染率最低。崇左市10 g风干土样中的孢子数量最高,达163个;百色田林县的最低,仅为32个。不同样点的侵染强度为2~3级,说明所调查地区的野生黄花蒿对AM真菌的依赖性属于中等偏下水平。

由表2还可看出,各采样点的土壤理化性质存在明显差异。不同样点的土壤pH在7.61~8.38,均属弱碱性土壤。土壤有机质碳、速效磷、碱解氮和速效钾含量在不同样点间差异明显,其中,百色田林县土样的有机质碳含量最高(58.08 g/kg),南宁武鸣县土样的有机质碳含量最低(5.15 g/kg);南宁天雹水库土样的速效磷含量最高(551.20 mg/kg),崇左市土样的速效磷含量最低(54.71 mg/kg);南宁马山县土样的碱解氮含量最高(595.00 mg/kg),南宁武鸣县土样的堿解氮含量最低(98.70 mg/kg);百色田林县土样的速效钾含量最高(547.30 mg/kg),百色平果县土样的速效钾含量最低(66.89 mg/kg)。不同地区土样营养元素含量的差异可能与其土壤类型、耕作方式及施肥水平不同等因素有关。

2. 2 广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌的孢子密度、种类丰度和物种多样性指数

由表3可看出,广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌的孢子密度、SR、H'和D因取样地区不同而存在明显差异。崇左市土样的AM真菌孢子密度最大,为23.29,南宁马山县土样的AM真菌孢子密度次之,为22.00;南宁天雹水库和南宁市金沙湖土样的AM真菌孢子密度较小,分别为6.89和9.89。崇左市土样的AM真菌SR最高,为4.71,百色田林县土样的AM真菌SR最低,为1.00;AM真菌的H'以崇左市土样最高(2.38)、百色田林县土样最低(0.99);AM真菌的D以崇左市和南宁金沙湖土样最高,二者均为0.90,百色田林县土样最低(0.57)。图1~图4的雷达图更直观展示了各采样地根际土壤AM真菌的种类丰度、孢子密度及物种多样性情况。

2. 3 不同采样点野生黄花蒿根际土壤AM真菌优势种

经过扩繁、分离及纯化,从9个采样点的样品中共分离出42个不同种类的AM真菌,每个样点的优势种类如图5所示。从图5可看出,百色市土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈褐色,具双层膜,压破后呈马蹄状(图5-A);百色田林县土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈土黄色,具双层膜且最外层膜易脱落(图5-B);百色平果县土样的AM真菌优势种具有较长的孢子柄和双层膜,且两层膜结合紧密不易脱落(图5-C);南宁武鸣县土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈灰褐色,双层膜,膜表面粗糙(图5-D);崇左市土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈黄色,3层膜,最外层膜易脱落且经压片后表面有褶皱,有孢子柄(图5-E);南宁天雹水库土样的AM真菌优势种具双层膜,内层膜经Melzer染色后呈黄色,外层膜经Melzer染色后呈紫粉色且易脱落(图5-F);南宁金沙湖土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈褐色且表面有絮状物覆盖,两层膜结合紧密(图5-G);南宁马山县土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈黄水晶色,单层膜,内含物丰富(图5-H);柳州融安县土样的AM真菌优势种经Melzer染色后呈淡黄色,双层膜,最外层膜易脱落且压片后表面有褶皱(图5-I)。

3 讨论

本研究从广西野生黄花蒿分布区采集黄花蒿根际土壤样品进行检测,从9个地区55份土样中共分离出42种不同种类的AM真菌,表明广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌多样性较丰富;同时对不同地区土样的理化性质进行测定,发现各地土样的pH、有机质碳、碱解氮、速效钾和速效磷差异明显,且在不同程度上影响着AM真菌的侵染率及多样性,表明AM真菌对植物的侵染力与土壤生态环境及理化性质关系密切,与王宇涛等(2013)的研究结果一致。

野生黄花蒿根际土壤中AM真菌对弱碱性土壤的pH变化较敏感,土壤pH对AM真菌有一定的影响(张美庆等,1999);土壤中碱解氮含量的变化与AM真菌的孢子密度及其对黄花蒿侵染率的影响不明显,但AM真菌对野生黄花蒿侵染率的最大值出现在低氮水平,可推断土壤中碱解氮含量的变化不是影响黄花蒿菌根侵染率的主要因素,但低氮水平有利于AM真菌对野生黄花蒿的侵染,这种现象可能源于氮、磷之间的交互作用(郭涛等,2009)。土壤速效钾与野生黄花蒿根际AM真菌的孢子数整体上呈反比,但与AM真菌对黄花蒿的侵染率整体上呈正比,即高钾水平有利于AM真菌侵染但会导致AM真菌孢子数量减少,可能是土壤中的钾会提高优势菌种的竞争力,但具体原因仍需进一步验证。土壤中的速效磷含量和AM真菌相关活力呈线性关系,随着磷水平的升高,AM真菌的各项指标下降,且高磷水平明显抑制了AM真菌对野生黄花蒿的侵染率及孢子数,与黄京华等(2006)得出的土壤中速效磷含量与AM真菌相关活力呈反比的结论相同。随着土壤有机质碳含量的增加,AM真菌的相关指标呈下降趋势,可推测AM真菌孢子数及其对野生黄花蒿的侵染率可能与根际土壤有机质碳含量存在负相关性,与盖京苹和刘润进(2003)的研究结果相似。本研究所选样点中,南宁天雹水库和南宁金沙湖土样中AM真菌孢子密度最低,这两个地区均靠近水源,土壤水含量高于其他地区,说明土壤水含量高会导致野生黄花蒿根际AM真菌密度降低,可能是土壤水含量高时植物可利用的水分较充足,对AM真菌的依赖相对较小。

本研究选取不同样点调查分析广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌的种类、孢子密度、侵染率及其与土壤理化性质的关系,但未对AM真菌进行细致准确的种属鉴定,也尚未通过田间试验筛选出高效菌株,后期试验将通过PCR-DGGE分析(盖京苹等,2005)及SSU rRNA基因序列系统分析(王幼珊等,2016)进一步验证,对广西野生黄花蒿AM真菌的多样性进行更深入、更精确、更科学地分析,以期筛选出能够促进野生黄花蒿生长和品质提升的高效菌种,进而有针对性地研发出专用菌剂。

4 结论

广西野生黄花蒿根际土壤AM真菌的分布因地理位置不同而存在差异,营养元素含量偏高的土样中AM真菌孢子密度偏低,推测野生黄花蒿根际土壤AM真菌的相关活力与土壤营养状况基本呈反比。野生黄花蒿根际土壤环境差异可能是造成AM真菌多样性的重要原因。

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(责任编辑 王 晖)

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