干旱胁迫下AMF对葡萄扦插苗生长及养分吸收的影响

鲁 薇，杨秀蓉，谭 焱，吴强盛，刘春艳

(长江大学园艺园林学院/长江大学根系生物学研究所，湖北荆州，434025)

在自然栽培下，葡萄的生长对水分要求较高，严格控制土壤中的水分是葡萄种植的重要前提。干旱是地球上最严重的自然灾害之一，通常被认为是限制植物生长和作物产量的最主要的非生物因素之一[1]。我国葡萄的重要产区多位于干旱、半干旱区域，这些地区自然条件较恶劣，干旱少雨，土壤水分亏缺，严重影响葡萄的生长和产量，限制了葡萄产业的发展[2]。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是一类能与约80%以上的高等植物形成互惠共生体的真菌[3]，广泛存在于自然界中。AMF可通过改善园艺植物根际微环境，通过根外菌丝扩大根系吸收范围，分泌球囊霉素等物质改善土壤团聚结构等，从而促进宿主植物对水分和养分的吸收与转运，进而改善植物的生理生化特性，调控其生长[3]。前期研究表明，接种AMF 能显著促进茶树生长以及根系对无机营养的吸收，尤其是磷、钙、镁等元素[4]；还能显著提高菊花根、叶和花被中氮、磷、钾含量[5]。柑桔接种AMF后，不仅能显著促进其地上部生长发育(如株高、茎粗和生物量)，还能显著促进其根系发育以及各组织碳水化合物的积累[3]。在盐胁迫下，AMF可以改善宿主植物的根系形态、促进侧根发育，进而提高宿主植物对矿质养分的获取和水分的利用，从而提高宿主植物耐盐性，改善其生长[6]。此外，前人的研究还表明，AMF对于田间栽培的葡萄正常生长和成活至关重要，且葡萄幼树的成活率与其根系AM的建立密切相关[7]。AMF侵染葡萄根系后，还能通过增强葡萄根系菌丝酶的活性，促进其根系对矿质养分的分解和吸收[8]。

虽然关于AMF调控葡萄生长的一系列研究早已开展，但是对于干旱胁迫下AMF对南方地区葡萄生长及抗性方面的研究甚少，相关机理了解不够。鉴于此，本试验以夏黑葡萄扦插苗为试材，在正常水分(well-watered，WW)和干旱胁迫(drought stress，DS)条件下，研究AMF对葡萄扦插苗生长、根系构建及养分吸收的影响，探寻AMF对葡萄生长及养分吸收的影响机理，为葡萄优质高产提供理论依据及实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以1年生夏黑葡萄(VitisviniferaL.Summer black)枝条(直径约1 cm)为试材，由湖北省荆州市金秋缘农业高新技术有限公司提供。夏黑枝条于试验前1年的11月采集，砂藏保存，次年3月取出，去除瘪芽及发育不良的部分，将枝条剪成带有3个饱满芽的枝段，用于扦插。供试AMF为摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae)，购自中国丛枝菌根真菌种质资源库(BGC)，经白三叶(TrifoliumrepenseL.)扩繁16周后用于本试验。夏黑葡萄扦插于预先经过高压蒸汽(121 ℃，110 kPa，2 h)灭菌的栽培基质(河砂与土的比例为1∶1)中。用于试验的塑料盆规格为：内径×盆底内径×盆高=15 cm×10 cm×13 cm，每盆扦插1枝。扦插后的花盆放置在温度为28 ℃/16 ℃(白天/黑夜)、光子通量密度为338～982 μmol·m-2·s-1、空气相对湿度为70%的塑料大棚中。

1.2 试验设计

试验采用两因素两水平裂区设计。因素一为水分处理，试验设置DS(田间最大持水量的55%)和WW(田间最大持水量的75%)两个水分梯度；因素二为AMF接种，即在每个水分梯度下分别设置接种摩西管柄囊霉(Fm)和不接种(CK)处理。Fm处理采用“分层接种”法(即分别在盆土1/2和1/3高度处加入AMF菌种)，每盆接种80 g AMF菌剂(内含约1 500个孢子)。加入相同质量、经高压蒸汽灭菌后的AMF菌剂作为对照。试验共4个处理，每个处理重复6次，共24盆，随机排列。

DS处理于AMF接种8周后进行，每天18：00通过称质量法计算基质中的水分含量，并补充相应水分，维持稳定的含水量。水分处理4周后收获植株，测定葡萄生长指标及矿质元素含量。

1.3 测定方法

在葡萄苗收获前，人工计数扦插葡萄苗叶片数量、抽梢数量，采用直尺测定扦插葡萄苗枝梢长度，游标卡尺测定枝条粗度。随后将葡萄苗从试验盆中完整取出，分成地上部和地下部。小心地将地下部清洗干净，吸干表面水分，立即称取地上部和地下部的鲜质量，然后利用EPSON平板扫描仪扫描完整的根系，获得的根系图片采用WinRHIZO根系分析仪测定根系形态参数，包括长度、投影面积、表面积、体积和平均直径。然后，将根系平铺在实验台上，人工计数不定根数量，参考周冀衡等[9]的方法，将不定根上长出来的一级根系定义为一级不定根，以此类推。

随机选取各级侧根，去掉根尖，剪成1～2 cm长的根段置于FAA固定液中，经曲利苯蓝染色后测定菌根侵染率[10]。葡萄叶片和根系经105 ℃杀青 30 min 后，于75 ℃下烘48 h，磨碎后备用。不同处理下的葡萄根系和叶片采用硫酸-双氧水消煮后，经化学分析仪(Smart Chem 200)测定其氮(N)含量。葡萄植物体内磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、硼(B)等矿质元素的含量经硝酸-高氯酸消煮后，采用离子发射光谱仪(IRIS Advantage)测定。

1.4 统计分析

试验数据运用SAS软件(8.1版本)ANOVA过程进行处理间差异显著性检测，采用LSD法(p=0.05)做多重比较分析。

2 结果分析

2.1 对葡萄扦插苗生长的影响

试验结果看出，摩西管柄囊霉能够侵染夏黑扦插苗根系，并在根系中可以清楚地观察到泡囊、丛枝、菌丝等结构，表明AMF与葡萄根系可建立良好的共生关系(见图1)。然而，与WW相比，DS显著抑制了AMF对葡萄扦插苗根系的侵染，降低了葡萄根系的菌根侵染率，降低了12.48%(见表1)。

图1 正常水分(WW，A)和干旱胁迫(DS，B)下夏黑葡萄扦插苗根系菌根侵染情况

DS显著降低了菌根化夏黑葡萄枝梢的长度、叶片和根系生物量以及非菌根化叶片和根系的生物量。与不接种AMF相比，接种AMF后，葡萄扦插苗枝梢长度、枝梢粗度和叶片数在DS条件下分别增加25.32%、12.57%和21.21%；在WW条件下分别增加61.68%、16.71%和16.00%。此外，在DS和WW条件下，菌根化处理后葡萄叶片和根系的生物量是非菌根化处理的3.22、3.67、2.04和2.43倍(见表1)。

表1 干旱胁迫下AMF对夏黑葡萄扦插苗生长的影响

2.2 对葡萄扦插苗不定根发生的影响

DS显著降低了非菌根化下二级和三级不定根数量以及菌根化下葡萄扦插苗的各级不定根数量(p<0.05)。与不接种AMF相比，接种AMF显著促进了葡萄扦插苗生根，葡萄扦插苗的不定根、一级不定根、二级不定根、三级不定根在DS条件下分别增加65.85%、15.82%、27.99%和166.67%，在WW条件下分别增加100%、60.08%、28.53%和189.87%(见表2)。由此可见，DS会抑制葡萄根系的生长，而接种AMF后能有效促进扦插苗根系的生长。

表2 干旱胁迫下AMF对葡萄扦插苗发根数量的影响 根

2.3 对葡萄扦插苗根系构型的影响

无论是在接种还是未接种AMF条件下，DS显著降低了葡萄扦插苗根系总长、表面积、平均直径。与不接种AMF相比，接种AMF后显著促进了葡萄扦插苗根系发育，根系总长、表面积、平均直径以及体积，在DS和WW下均有不同程度增加(见表3)。由此可见，接种AMF在促进葡萄扦插苗根系发育上具有重要作用。

表3 干旱胁迫下AMF对葡萄扦插苗根系构型的影响

2.4 对葡萄扦插苗养分吸收的影响

水分处理和AMF接种与否并没有影响葡萄扦插苗叶片N和Mg的含量。DS显著降低了非菌根化葡萄叶片P、K、Ca、Cu、Mn、Zn以及菌根化下K、Ca、Fe、Zn的含量。与不接种AMF相比，接种AMF后，叶片中的P、K、Ca、Fe、Cu、B在WW和在DS下均有明显增加，N、Mg、Fe元素含量变化不明显，Mn、Zn分别降低了9.55%、54.65%(见表4、表5)。

DS降低了非菌根化处理下葡萄扦插苗根系K、Fe、Zn、B以及菌根化下K和Ca的含量，增加了菌根化下P和Cu的含量，对其他处理下其他元素含量无显著影响(见表4)。与不接种AMF相比，接种AMF后葡萄扦插苗根系P、K、Ca、Fe、B在WW下分别增加了165.63%、9.65%、75.97%、24.97%、14.48%，Mg、Mn分别降低了52.16%、21.32%，N、Cu、Mn元素含量无显著变化；在DS下P、K、Fe、Cu、Zn、B分别增加了201.45%、16.99%、90.43%、15.63%、23.92%、25.28%，Mg、Mn分别降低了53.89%、21.75%，N、Ca含量无显著变化(见表4、表5)。

表4 干旱胁迫下AMF对葡萄扦插苗大量元素含量的影响 g/kg

表5 干旱胁迫下AMF对葡萄扦插苗微量元素含量的影响 mg/kg

3 讨论与结论

本研究结果表明，AMF侵染夏黑葡萄根系后，能在其根系中清晰地观察到泡囊、丛枝和菌丝结构，表明葡萄是典型的丛枝菌根类植物，这与吴强盛等[11]的研究结果一致。在葡萄生产过程中，新梢粗度、节间长度和叶面积常作为衡量树体生长势的标准[12]。张永福等[13]在不同葡萄品种上的研究发现，AMF显著促进葡萄的生长，增加株高、茎粗、生物量以及根冠比，提高葡萄叶片光合速率以及碳水化合物的积累，且接种AMF后生长势弱的品种总生物量的增加量要大于生长势强的品种。在本研究中，无论是在DS还是在WW下，AMF显著促进了葡萄扦插苗地上部的生长，增加了枝梢长度、粗度、叶片数量以及生物量，这与前人在枳[3]、油茶[14]、苹果[15]和葡萄[16]等一些植物上的研究结果相同，进一步证实AMF对宿主植物的生长具有积极的效应。

良好根系形态的建立是植株地上部更新复壮的物质基础。在自然条件下，葡萄根系的生长与温度、光质、水分、营养、土壤的酸碱度、有机质含量等密切相关，且土壤的水分和养分状况对根系的生长起决定性的作用[17-18]。在本研究中，DS显著抑制了葡萄扦插苗不定根的形成，降低了根系构型参数，这可能是由于DS下，土壤水分不足从而使得侧根的发生和伸长受到抑制[19]；此外，DS还会降低葡萄叶片光合速率及有机物质的积累，从而抑制了根系的发育[20-21]。然而，无论是在WW还是在DS下，AMF的接种显著促进了葡萄扦插苗根系的发育，增加了不定根数量及根系构型参数，改善了根系形态，这与前人[3，17]的研究结果一致，这主要归功于AMF庞大的根外菌丝改善了葡萄根系对水分和养分的吸收与利用，促进了根系内源激素如生长素、细胞分裂素、多胺等的分泌，刺激不定根的发育与根系构建[3，22]。

众所周知，AMF能够增强宿主植物对矿物养分的吸收，主要在于AMF促进了宿主植物根系发育，以及庞大的根外菌丝网络扩大了根系的吸收面积；菌丝能够穿透到根系无法进入的区域，吸收根际范围之外的养分供植物吸收利用[3]；此外，根外菌丝还能分泌多种有机酸，以活化土壤中的难溶性养分，增强宿主植物对养分吸收及利用效率[23]。本研究结果显示，在2种不同水分条件下，接种AMF均能明显增加葡萄扦插苗根系和叶片中矿质元素含量，增强了葡萄扦插苗对无机营养的吸收，尤其是对磷、钾、钙等矿质元素的吸收，这与前人在滇重楼[24]等众多植物上的研究结果一致。此外，AMF增强葡萄扦插苗养分的吸收，与本研究中AMF促进了不定根发育、改善了根系构型密切相关，良好的根系构型增强了养分的吸收，养分吸收及利用率的增强促进了根系构型的建立。

总之，在DS下，AMF可通过改善葡萄扦插苗的根系形态、促进侧根发育进而提高其对干旱胁迫的适应能力。同时AMF的侵染还能增强根系对矿质养分的吸收，从而促进葡萄扦插苗地上部分的生长。AMF的应用对提高葡萄的抗旱性具有重要作用。