田间低磷胁迫下丛枝菌根真菌对苗期小麦生长的影响

张佳崎 蒲子天 张瑞芳 刘宏权 张 弛 王 红 王鑫鑫*

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院， 河北 保定 071001； 2.国家北方山区农业工程技术研究中心， 河北 保定 071001； 3.河北省山区农业技术创新中心， 河北 保定 071001； 4.河北农业大学 河北省山区研究所， 河北 保定 071001； 5.河北农业大学 城乡建设学院， 河北 保定 071001)

磷素对植物的生长有着至关重要的作用，因此，在低磷土壤中作物往往通过生理变化来增加对土壤溶液中磷的吸收。已有试验表明，低磷环境导致作物根长、细根比例以及根冠比等根系形态结构的变化，扩大根系吸收面积可提高磷素的吸收能力。低磷胁迫导致作物根系的磷酸酶活性增加，使得土壤磷酸酯水解增加，释放无机磷供作物吸收利用。此外，与丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)共生是提升作物根系对磷素吸收的重要途径之一。AMF广泛存在于各种自然土壤生态系统中，并能与大多数高等植物形成共生关系，是目前已发现的与植物关系最为密切的土壤微生物之一。研究发现，根外AMF菌丝扩大了宿主植物根系的吸收面积，并且AMF磷酸盐转运蛋白与磷酸盐的亲和力更高，菌丝中磷的转运速率比根中高，从而能够提高宿主植物对土壤磷元素的吸收和累积。

小麦(

Triticum

aestivum

L.)是世界上种植最广泛的作物之一。因此，筛选耐低磷的小麦品种有着非常重要的意义。但现有研究大都在室内条件下进行：通过接种单一或者几种AMF菌种来探究不同菌种对作物的影响。自然条件下，AMF主要以群落的形式、非单一种类出现，植物通常被多种AMF同时侵染。即使在集约化农业中，作物也有很高概率被多种AMF侵染。因此，在田间试验条件下，研究AMF对植物磷吸收的影响更为重要。苯菌灵[benomyl，甲基-1-(丁基氨基甲酰基)-2-(苯丙咪唑)氨基甲酸酯]能够抑制田间条件下AMF的活性从而降低对植物的侵染，以此来设置一个田间非菌根对照。苯菌灵虽不能完全抑制AMF对植物侵染，但目前是在田间条件下降低作物菌根侵染率的有效方法。

有研究表明，低磷胁迫下，大豆植株地上-地下部性状呈显著正相关，可提高植株的耐低磷能力。低磷胁迫下，小麦吸收磷的相关根系性状之间共变异加强，使适应度最大化。目前，田间低磷胁迫下AMF对苗期小麦生长影响的研究鲜见报道。本研究采用6个1977—2011年河北省主要大田种植的小麦品种(‘北京13’、‘冀麦26’、‘冀麦36’、‘河农85-9’、‘邯6172’、‘石麦15’)，设置不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵2个处理，测定小麦根系的菌根侵染率以及地上、地下部相关农艺性状和理化指标，旨在探究AMF在田间低磷胁迫下对小麦地上部与地下部性状的影响，以期为探究小麦应对低磷环境的策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试验设计

试验于河北省保定市满城区李铁庄村(116°9′ E，39°4′ N)进行，供试土壤为速效磷含量4.50 mg/kg的低磷土壤，其他土壤基础指标为：有效钾180.00 mg/kg，有机质18.50 g/kg，土壤全氮0.90 g/kg，土壤pH 7.90。供试材料为1977—2011年河北省6个主要种植的小麦品种，见表1。

表1 小麦品种及审定年代
Table 1 Wheat varieties and their release year

编号Serial number小麦品种Wheat variety审定年代Release year1北京13 Bejing 1319772冀麦26 Jimai 2619883冀麦36 Jimai 3619964河农85-9 Henong 85-919985邯6172 Han 617220016石麦15 Shimai 152011

设置不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵(江苏太仓化工有限公司)2种处理。土壤仅施入尿素(N 含量460 g/kg)和硫酸钾(K含量520 g/kg)的低磷处理(不施入磷肥)，从播种前2 d开始，每15 d施入苯菌灵9 g/m(有效成分500 g/kg)和15 L水。采用双因素(6个品种×2个苯菌灵水平)随机区组试验设计，每个处理3次重复，共36个试验小区，每个小区规模2 m×2 m。于2019年4月12日播种，6月1日收获。

1.2 测定项目及方法

收获时，每个小区随机选取3株小麦，使用YMJ-B叶面积仪(浙江托普云农科技有限公司)对测定小麦叶面积(每株选取3片叶子求平均值)。收集小麦根际土壤，采用Alvey等的方法测定根际土酸性磷酸酶活性。将整株小麦的地上部与地下部分开，小麦地下部洗净后，使用扫描仪(Microtek Scan Marker i800)进行根系扫描，然后用WinRHIZO Pro version 2009b(Regent Instruments, Quebec, Canada)软件分析根系扫描图像，测定根系指标。然后用Phillips等的方法对选定的根进行脱色，参照McGonigle等的方法对AMF侵染率进行评定。对小麦地上部、地下部进行清洗，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，然后称取干重，磨碎，采用HSO-HO消煮-钒钼黄比色法测定磷含量。本研究中采用小麦的干物质量作为小麦生物量的衡量指标。

根冠比=地下部干重/地上部干重 比根长(m/g)=根长/根重 地上部磷吸收量(mg/株)= 地上部干重×地上部磷含量 地上部生物量的菌根响应度

(mycorrhizal shoot biomass responsiveness)=

(地上部生物量-地上部生物量)/ 地上部生物量×100% 地上部磷吸收量的菌根响应度

(mycorrhizal shoot P uptake responsiveness)=

(地上部磷吸收量-地上部磷吸收量/ 地上部磷吸收量×100%

1.3 数据统计分析

对所得数据用Excel 2010进行整合，使用SPSS 26.0进行统计分析，对6个小麦品种与是否添加苯菌灵进行双因素分析。采用Tukey分析法进行单因素显著性分析(

P

<0.05)，运用Pearson相关系数法进行相关性分析，最后运用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫下添加苯菌灵对不同小麦品种根系侵染率的影响

由图1可知，低磷条件下，+B处理的6个品种小麦的根系侵染率较CK均显著降低。其中‘河农85-9’的根系侵染率降幅最大，降低83.85%。

2.2 低磷胁迫下小麦地上、地下部性状对品种和苯菌灵水平的响应

由表2可知，除根际土pH外，剩余的12个小麦性状在品种间的变异显著(

P

<0.05)。除比根长、根表面积、根体积和根际土pH外，剩余的9个小麦性状在不同苯菌灵处理间的变异显著(

P

<0.05)。9个小麦性状受到苯菌灵处理和品种交互作用的显著影响(

P

<0.05)；仅有根表面积、根体积、根直径和根际土pH不受交互作用的影响(表2)。整体而言，在小麦品种之间，地上部和地下部性状对不同苯菌灵处理表现出多样化的响应强度。

CK，未添加苯菌灵处理；+B，添加苯菌灵处理。不同小写字母代表同一处理不同小麦品种间的差异显著(P<0.05)，*代表同一小麦品种不同处理之间差异显著(P<0.05)。下同。 CK, treatment without benomyl; +B, treatment with benomyl. Different letters in the figure represent the significant difference between the same treatment and different wheat varieties (P<0.05), * represents significant difference between different treatments of the same wheat variety (P<0.05). The same below.图1 不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵 处理小麦根系侵染率的变化Fig.1 Root mycorrhizal colonization of wheat without (CK) and with (+B) benomyl

2.3 低磷胁迫下AMF对小麦地上部性状的影响

由图2可知，低磷胁迫下，+B处理除‘河农85-9’和‘石麦15’的地上部干重较CK有所降低外，其他4个品种小麦的地上部干重较CK均显著增加，其中‘冀麦36’的地上部干重增幅最大，增加26.78%；+B处理的‘冀麦26’、‘冀麦36’、‘河农85-9’的地上部磷含量较CK均显著下降，其中‘冀麦26’的降幅最大，比CK降低18.02%(图2(b))。同时，CK的小麦叶面积在品种间并无显著性差异；+B处理中，除‘河农85-9’的叶面积有所增加外，其他5个品种小麦的叶面积较CK均显著降低(图2(c))。

2.4 低磷胁迫下AMF对小麦地下部特征的影响

由图3(a)可知，低磷胁迫下，+B处理的‘冀麦26’、‘河农85-9’以及‘邯6172’的地下部干重较CK均显著降低，其中‘邯6172’的地下部干重降幅最大，降低35.35%。+B处理中除‘冀麦26’的地下部磷含量较CK显著升高外，其他5个品种小麦的地上部干重较CK均有所下降，其中‘石麦15’的地下部磷含量降幅最大，降低15.89%(图3(b))。除‘冀麦26’外，+B处理的其他5个品种小麦的根长较CK均显著减小，其中‘石麦15’的根长降幅最大，降低27.23%(图3(c))。低磷胁迫下，+B处理的‘冀麦26’的根冠比显著高于其他品种；+B处理除‘石麦15’的根冠比较CK有所提高外，其他5个品种小麦的根冠比较CK均显著降低(图3(d))。低磷胁迫下，+B处理‘河农85-7’和‘邯6172’的比根长较CK分别增加42.86%和24.21%。但+B处理‘冀麦36’的比根长较CK降低21.60%(图3(e))；同时，低磷胁迫下，+B处理6个品种小麦的酸性磷酸酶活性较CK均显著降低，6个品种小麦根系酸性磷酸酶活性比CK降低10.14%～21.49%(

P

<0.05)(图3(f))。

表2 小麦地上、地下部性状与苯菌灵和品种的双因素方差分析
Table 2 Two-factor ANOVA of above- and below-ground traits, benomyl and wheat varieties

地上、下部性状Above- and below-ground traits品种(df=5)Variety (df=5)苯菌灵(df=1)Benomyl (df=1)苯菌灵×品种(df=5)Benomyl×Varieties (df=5)地上部干重Shoot dry weight64.99∗∗∗23.37∗∗∗17.33∗∗∗地上部磷含量Shoot P content2.2926.95∗∗∗6.62∗∗叶面积Leaf area11.44∗∗∗60.87∗∗∗4.58∗∗地下部干重Root dry weight29.93∗∗∗119.41∗∗∗12.49∗∗∗地下部磷含量Root P content6.56∗∗7.95∗∗7.68∗∗∗根长Root length23.72∗∗∗117.92∗∗∗6.59∗∗根冠比Root/Shoot ratio22.83∗∗∗157.87∗∗∗14.18∗∗∗

表2(续)

地上、下部性状Above- and below-ground traits品种(df=5)Variety (df=5)苯菌灵(df=1)Benomyl (df=1)苯菌灵×品种(df=5)Benomyl×Varieties (df=5)比根长Specific root length32.46∗∗∗1.8520.13∗∗∗根表面积Root surface area14.87∗∗∗0.650.25根体积Root volume16.55∗∗∗0.290.80根直径Root diameter4.99∗20.79∗∗∗0.18酸性磷酸酶活性A-Pase activity13.13∗∗∗226.42∗∗∗4.33∗∗根际土壤溶液pHRhizosphere soil pH0.813.841.87

注：*、**和***分别表示<0.05、<0.01和<0.001水平显著。下同。

Note: *, ** and *** represent significant differences at <0.05, <0.01 and <0.001 levels, respectively. The same below.

图2 低磷胁迫下不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵处理的小麦地上部干重(a)、磷含量(b)和叶面积(c)Fig.2 Shoot dry weight (a), shoot P content (b) and leaf area (c) of wheat without benomyl (CK) and with benomyl (+B) under low P stress

(a)地下部干重；(b)地下部磷含量；(c)根长；(d)根冠比；(e)比根长；(f)酸性磷酸酶活性(a) Root dry weight； (b) Root P contrnt； (c)Root length； (d) Root/Shoot ratio； (e) Specific root length； (f) A-Pase activity图3 低磷胁迫下不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵处理小麦地下部性状的变化Fig.3 Change in below-ground traits of wheat without benomyl (CK) and with benomyl (+B) under low P stress

2.5 小麦的菌根响应度与不同性状的关联性

由图4可知，低磷胁迫下，CK的‘河农85-9’和‘石麦15’的地上部生物量分别比+B处理增加5.6% 和16.1%；其他4个品种小麦的地上部生物量比+B处理有所降低，其中‘冀麦36’的地上部生物量菌根响应度最低，为-26.9%。低磷胁迫下，CK中的‘冀麦26’、‘河农85-9’和‘石麦15’的地上部磷吸收量比+B处理增加0.1%、17.6%和18.6%；其他3个品种小麦的地上部磷吸收量比+B处理有所降低，其中‘北京13’的地上部磷吸收量菌根响应度最低，为-22.0%(图4(b))。

图4 低磷胁迫下不同品种小麦的地上部生物量(a)和地上部磷吸收量(b)对菌根的响应Fig.4 Response of shoot biomass (a) and shoot P uptake (b) to mycorrhiza of different wheat varieties under low P stress

由表3可知，CK的小麦地下部干重与地上部生物量菌根响应度呈显著正相关，根冠比、根际土pH、酸性磷酸酶活性与地上部生物量菌根响应度均呈显著负相关。但+B处理只有酸性磷酸酶活性与地上部生物量菌根响应度呈显著负相关。同时，CK小麦的地上部干重、地上部磷含量、叶面积与地上部磷吸收量菌根响应度均呈显著正相关，根际土pH与地上部磷吸收量菌根响应度呈显著负相关。并且CK小麦的酸性磷酸酶活性与地上部磷吸收量菌根响应度呈显著负相关。

2.6 不同苯菌灵处理下小麦地下部性状相关性分析

由表4可知，低磷胁迫下，CK中6个品种小麦根长与比根长、根表面积、根体积之间均呈显著正相关。根表面积与根体积，根直径与根体积，比根长、根冠比与酸性磷酸酶活性之间均呈显著正相关，但比根长与根冠比之间呈显著负相关。

由表5可知，低磷胁迫下，+B处理小麦的根长与比根长、根表面积、根体积之间均呈显著正相关，但根长与根冠比、酸性磷酸酶活性呈显著正相关。根冠比与酸性磷酸酶活性呈显著正相关，与比根长、根表面积、根体积均呈显著负相关。同时，根表面积与根体积，比根长与根表面积、根直径之间均呈显著正相关。

低磷胁迫下，CK中6个品种小麦有8组地下部性状显著相关，但+B处理中有12组地下部性状显著相关；相较于CK，+B处理的地下部性状协同相关性提升50%，见表4和表5。

3 讨 论

低磷胁迫下，植物为满足自身生长发育的需求，通过与AMF共生吸收土壤中的磷。田间低磷土壤中添加苯菌灵能够抑制AMF活性，从而降低AMF对植物根系的侵染。本研究中添加苯菌灵对小麦的菌根侵染率有显著的抑制作用(图1)。

低磷胁迫下，添加苯菌灵处理(+B)使小麦的地上部磷含量与叶面积较CK有所降低，但地上部干重有所增加(图2)。低磷胁迫下，AMF与植物共生提高植物对磷素的吸收能力，随着AMF侵染率的下降导致磷吸收能力下降，使得小麦生物量发生变化，造成小麦的地上部磷含量降低。Paszkowski等研究发现，AMF可使植株体内的激素含量发生变化，如细胞分裂素等，从而促进植物细胞的分裂、分化，使得植物的叶面积增加，因此随着AMF侵染率的降低，小麦的叶面积也随之减少。本研究中，+B处理的小麦地下部干重、地下部磷含量、根长以及根冠比较CK均显著减少，但比根长却显著增加(图3)。Veresoglou等通过Meta分析表明被AMF侵染的植物显示出较低的根冠比，因此认为菌根共生减轻了植物的养分限制，更有利于植物生长。

表3 不添加(CK)和添加(+B)苯菌灵处理小麦性状与菌根响应度的相关性
Table 3 Correlation between mycorrhizal shoot biomass or shoot P uptake responsiveness and traits of wheat without benomyl (CK) and with benomyl (+B) %

地上、地下部性状Above- andbelow-ground traits地上部生物量菌根响应度Mycorrhizal shoot biomass responsiveness地上部磷吸收量菌根响应度Mycorrhizal shoot P uptake responsivenessCK+BCK+B地上部干重Shoot dry weight0.81∗∗0.200.57∗0.03地上部磷含量Shoot P content0.16-0.400.56∗0.13叶面积Leaf area0.430.450.49∗0.35地下部干重Root dry weight0.21-0.200.050.03地下部磷含量Root P content-0.04-0.02-0.31-0.35根长Root length0.07-0.10-0.18-0.12根冠比Root/Shoot ratio-0.63∗∗0.05-0.46-0.03比根长Specific root length-0.190.01-0.16-0.11根直径Root diameter0.110.13-0.040.21根际土壤溶液pHRhizosphere soil pH-0.63∗∗0.38-0.57∗0.12酸性磷酸酶活性A-Pase activity-0.81∗∗-0.66∗∗-0.66∗∗-0.35

表4 未添加(CK)苯菌灵条件下小麦地下部性状相关分析
Table 4 Correlation of below-ground traits of wheat without (CK) benomyl

指标Index根长RL根冠比R/SR比根长SRL根表面积RSA根体积RV根直径RD根冠比 R/SR-0.173比根长 SRL0.407∗-0.427∗根表面积 RSA0.557∗∗0.1290.013根体积 RV0.654∗∗-0.002-0.0180.862∗∗根直径 RD0.207-0.3670.0710.2490.242∗酸性磷酸酶活性A-Pase activity0.1380.480∗0.436∗0.2390.134-0.072

表5 添加(+B)苯菌灵条件下小麦地下部性状相关分析
Table 5 Correlation of below-ground traits of wheat with (+B) benomyl

指标Index根长RL根冠比R/SR比根长SRL根表面积RSA根体积RV根直径RD根冠比 R/SR-0.680∗∗比根长 SRL0.856∗∗-0.816∗∗根表面积 RSA0.819∗∗-0.7570.847∗∗根体积 RV0.799∗∗-0.848∗∗0.0870.856∗∗根直径 RD-0.075-0.413∗0.857∗∗0.1520.347酸性磷酸酶活性A-Pase activity-0.416∗0.115∗∗-0.309-0.2080.3040.053

低磷胁迫下，+B处理导致小麦根系的酸性磷酸酶活性较CK显著降低(图3(f))。一方面，小麦根长、根冠比等根系指标下降，小麦自身根系的分泌能力下降。另一方面，AMF通过调控植物根系酸性磷酸酶的分泌来提高磷的吸收，Ezawa等研究发现，AMF能够分泌有机酸和磷酸酶来活化土壤磷，这也是造成酸性磷酸酶活性降低的原因。同时根系形态变化与AMF相互作用增加对土壤磷的吸收。本研究中，低磷条件下，CK中6个品种小麦的根系性状与酸性磷酸酶活性显著相关，但在+B处理6个品种小麦的根系性状与酸性磷酸酶活性的相关性较CK有所降低。主要是由于CK小麦根系AMF侵染程度高，小麦更依靠根外菌丝进行磷素的吸收，同时，小麦根系酸性磷酸酶活性增强，使土壤磷酸酯水解增加，释放无机磷，供植物吸收利用，提高对磷素的吸收。

本研究结果表明，小麦的生物量能够直观地反映出不同小麦品种对菌根的依赖性差异(图2(a)、图3(a)、图4)。低磷胁迫下，CK中地上部生物量、地上部磷吸收量较+B处理增加的小麦品种，其地下部生物量较+B处理均有所降低(图1和图3(a))。相反，低磷胁迫下，CK中地上部生物量、地上部磷吸收量较+B处理降低的小麦品种，其地下部生物量较+B处理变化均不显著。低磷胁迫下，CK中地上部生物量、地上部磷吸收量比+B处理增加的小麦品种更依赖与AMF共生，根外AMF菌丝对磷的强烈吸收作用相对于根系直接吸收途径占主导地位。因此，当菌根侵染率下降后，菌根正依赖性的小麦品种地上部生物量减少，地下部生物量无显著变化。

本研究中低磷胁迫下，相较于CK，+B处理能够显著提高小麦地下部指标相关性(表4和表5)。这种现象的出现可能是由于土壤中磷素过低导致小麦地下部指标协同作用升高，从而提高了小麦对土壤中有限磷的吸收效率。高AMF侵染率(CK)可使小麦根系直接吸收土壤中的磷减少，而依靠根外菌丝吸收的磷素会增加，因此地下部性状相关性显著降低。

4 结 论

在低磷胁迫下，未添加苯菌灵(CK)的6个品种小麦幼苗AMF侵染率显著高于添加苯菌灵处理(+B)，小麦根系酸性磷酸酶活性比添加苯菌灵处理(+B)显著提高，除‘北京13’外，其他5个品种小麦的地上部磷含量均高于添加苯菌灵处理(+B)；添加苯菌灵处理(+B)的小麦根长较CK均有所降低，除‘石麦15’外，其他5个品种小麦的根冠比均低于未添加苯菌灵的CK，小麦地下部性状相关性显著提升。因此，田间低磷胁迫下，小麦根系AMF侵染率提高，可导致小麦根系酸性磷酸酶活性增强，根长与根冠比增大，从而提高地上部磷含量，有利于苗期小麦的生长。