干旱胁迫下丛枝菌根真菌对疏叶骆驼刺和多枝柽柳生长及生理的影响

2023-12-05麦格皮热提古丽达吾提王海鸥陈晓楠伊丽努尔艾力马晓东

西北植物学报 2023年11期

麦格皮热提古丽·达吾提,王海鸥,陈晓楠,伊丽努尔·艾力,马晓东*

(1 新疆师范大学生命科学学院;2 新疆特殊环境物种保护与调控生物试验室,乌鲁木齐 830054)

幼苗发育是植物生命中最关键而脆弱的阶段,易受干旱等非生物胁迫的影响[1]。塔里木河下游属于典型的极端干旱区,对环境变化极为敏感、降水量稀少、蒸发强度大、土壤持水性差、具有自然资源相对丰富但生态环境极端脆弱的双重性特点,该地区生长着乔木、灌木、草本等天然植被,骆驼刺与柽柳是该植被群落常相伴而生的优势物种,维持该区生态平衡起着重要的作用[2-3]。土壤水分主要通过影响植物根系生长速率、生物量的分配、土壤养分有效性、资源综合利用等,最终影响植物的生理生态功能[4]。

疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)是豆科,典型的荒漠深根草本植物,是塔克拉玛干沙漠南缘适应性强、根系发达、耐旱、耐盐的优势种之一,防风、固沙的重要植被,是该区域重要的牧草资源,也是药用和花蜜来源的植物[5-6]。多枝柽柳(Tamarixramosissima)是柽柳科柽柳属,具有耐旱的特征,塔里木河下游荒漠河岸林的关键物种,改善荒漠生态系统的稳定性、荒漠河岸植被带的恢复方面起着重要作用[7]。这2个重要的优势种在维持荒漠河岸林的生态系统中起着极其重要的作用。与全球其他生态系统相比,荒漠生态系统的荒漠土壤含水量较陆地低,干旱胁迫是影响荒漠植物生存的胁迫因子之一[8]。因此,研究荒漠植物在干旱胁迫下的生存策略和提高存活状况对于维护荒漠生态系统稳定性具有重要意义。

荒漠区植物通常与土壤微生物形成共生体系从而适应严酷的生态环境[9]。丛枝菌根真菌(AMF)是存在于土壤中的根际微生物,与植物根系形成互利共生关系,具有能够明显提高植物抵抗自然生物危害和逆境的能力[10]。菌根真菌侵染宿主植物的根系后形成根外菌丝并不断向外扩展侵染邻近植物的根系,形成广泛的菌根菌丝网络[11]。有研究表明,AMF通过根外菌丝网络直接吸收水分、提高养分吸收和根系的水分运输能力、增强植物的光合能力、增加渗透调节物质的含量和抗氧酶化活性[12]。此外,菌根菌丝直径小(2～5 μm),通过与土壤水分直接接触吸收宿主植物根系无法获得的水分,提高宿主植物对胁迫的耐受度[13]。Schutz等[14]在微体系当中不同距离处理的木豆和谷子的研究证明,AMF与宿主植物的共生也跟菌丝传递距离有关。前人的研究[15-16]已证明,在干旱条件下,菌根真菌的接种显著增加了根系生长指标。当发生水分亏缺时,植株体内活性氧的产生与消除会被破坏,细胞器的完整性受到结构和功能上的损伤, AMF 在根系定植后能够激活抗氧化酶系统,从而减轻胁迫对植株所带来的伤害[17]。齐晨汐等[18]的研究表明,在干旱条件下接种AMF降低了MDA含量、增加了抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量,AMF在一定程度上增强鹅绒委陵菜(PotentillaanserinaL.)的抗旱能力。

近年来,荒漠植物疏叶骆驼刺、多枝柽柳等的研究多集中在单一物种在水分、盐分条件下的形态结构、生理特性、光合生长以及影响因素和抗逆性方面[19-20]。疏叶骆驼刺和多枝柽柳作为生态优势物种和极其重要的菌根共生植物,在维持塔河下游的生态平衡中起着极其重要的作用,而关于干旱胁迫及不同菌丝传递距离下疏叶骆驼刺和多枝柽柳生长及生理方面的研究鲜有报道。丛枝菌根真菌的优势种广泛分布在在豆科植物根部以及根际土壤的周围,豆科植物与AMF的亲和力高于其他生活型植物[21]。AMF通过菌丝网络将植物与周边的植物连接起来,维持该地区的植物多样性起着极其重要的作用。因此本研究是以骆驼刺作为供体植物,多枝柽柳作为受体植物,设置供受体之间长距离(30 cm)和短距离(15 cm),研究干旱胁迫下菌丝传递距离对疏叶骆驼刺、多枝柽柳的根系形态和生理特征的的影响,探讨它们的水分适应策略,为荒漠植物的恢复和生态维护提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

疏叶骆驼刺、多枝柽柳种子和试验用的土均来自于塔里木河下游地区。

播种前,解除疏叶骆驼刺种子休眠,再用75%的酒精浸泡10 min,最后用无菌水清洗备用,多枝柽柳用落水法播种。供试沙土经过 2 mm 筛去除杂质后,用清水洗3次,再用无菌水洗1次,经110 ℃、0.14 MPa的条件下进行2 h 连续湿热灭菌处理[22-23],沙土与蛭石按体积1∶3比例均匀混合成栽培基质,再装入花盆内。供试AMF采用摩西球囊霉(Glomusmosseae)和幼套球囊霉(Gl.etunicatum)(比例为1∶1)的混合菌株,购买于北京市农林科学院植物营养与资源研究所,菌剂孢子密度为22.87个/g。试验开始之前,供试土壤的田间持水量为32.6%。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验于2022年3-10月进行。选取颗粒饱满、大小基本一致的疏叶骆驼刺和多枝柽柳种子,在塑料花盆中育苗。将长势一致且健康的疏叶骆驼刺及多枝柽柳幼苗分别移栽到试验装置的供体室和受体室,并在每个供体室、受体室留3株健壮的幼苗。

试验设计包括3个因素即水分处理、接种处理、菌丝传递距离,根据前期研究[5,21,24]水分等级设定,共设定正常水分[土壤相对含水量(70±5)%,D0]、中度水分胁迫[土壤相对含水量(40±5)%,D1]、重度水分胁迫[土壤相对含水量(20±5)%,D2]3个水分梯度;接种处理包括接种AMF与不接种AMF;菌丝传递距离包括供受体之间长菌丝传递距离(30 cm,L)和短菌丝传递距离(15 cm,S)。AMF的接种方法为:精确称取丛枝菌根真菌接种物22.87 g,接种于供体室幼苗根部离土壤表层下5 cm处,对照组加入等量灭活菌土。

使用便携式水分快速测定仪(WET-2)测定土壤含水量,计算失水量并用称重补水法来控制土壤相对含水量。水分胁迫持续40 d,期间保证幼苗正常生长,采集功能叶片用于各生理指标的测定。

1.2.2 菌根侵染率测定

干旱胁迫培养 40 d后,疏叶骆驼刺及多枝柽柳带着盆土收苗,再将幼苗浸泡到无菌水中,洗净后取新鲜根样剪成长度1～2 cm的根段,对其进行固定、碱解离、酸化、染色处理,制成装片在显微镜下观察。用网格交叉法计算菌根侵染率。计算公式为:AMF侵染率= 侵染根段数/全部根段数×100%。

1.2.3 生长指标测定

株高和基径:在干旱胁迫处理开始的第1天和第40天,分别使用游标卡尺和卷尺测量不同处理组幼苗的基径、株高,计算如下指标:

相对株高增长率=(最终幼苗高度-最初幼苗高度)/最初幼苗高度;相对基径增长率=(最终幼苗基径-最初幼苗基径)/最初幼苗基径。

生物量:不同处理组植物幼苗从地径部分分为地上部分和地下部分,105 ℃杀青15 min后将其置于80 ℃的恒温干燥箱中烘干至恒重,称取生物量。

1.2.4 根系生长和生理指标测定

清水洗干净后的幼苗根系用(EpsonV700, Japan)根系扫描仪扫描,使用根系分析软件Win-Rhizo进行总根长、根表面积、根体积等指标分析。

SOD、POD、CAT活性分别采用羟胺法、愈创木酚法、钼酸铵法进行测定。可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量测定分别用蒽酮比色法、考马斯亮蓝法、磺基水杨酸法。试剂盒来源于南京建成生物工程研究所和北京索莱宝科技有限公司。

1.2.5 叶绿素含量和叶片相对含水量测定

用乙醇丙酮混合提取法[25-26]测定各处理组幼苗叶绿素含量,用烘干法测定叶片相对含水量。

1.3 数据分析

用Excel 2021进行数据整理和处理,通过SPSS 26.0分析软件,采用单因素方差分析,用Duncan法对不同处理数据进行多重对比检验(P<0.05),结果用平均值±标准误差表示。采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下AMF对植物侵染率的影响

AMF与供体植物疏叶骆驼刺和受体植物多枝柽柳幼苗根系均能形成良好的菌根共生关系(表1)。对供体植物来说,随着D0-D1-D2水分梯度变化侵染率和孢子数量呈下降的趋势,各水分之间差异显著(P<0.05)。在D1、D2水分处理下,受体植物在L处理下的侵染率比S处理分别显著降低 39.74%、46.16%(P<0.05),D1水分处理下L处理的孢子数量比S处理的显著降低 19.53%,D2水分处理下S与L处理孢子数量之间无显著差异(P>0.05)。可见,干旱胁迫会降低菌根在供受体植物中的侵染和孢子数量,D2水分处理下严重降低了L处理下受体植物的侵染率和孢子数量。

表1 干旱胁迫下AMF对供体和受体植物侵染率的影响

2.2 干旱胁迫下接种AMF对植物表观生长的影响

随着干旱胁迫程度的增大,供、受体株高、基径相对增长率均呈下降趋势(图1)。各水分处理下与未接种相比接种AMF显著提高了供体植物株高、基径相对增长率(P<0.05)。

柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平上存在显著性差异(P<0.05)。D0为正常水分、D1为中度水分胁迫、D2为重度水分胁迫,S-AMF、 S+AMF、L-AMF、L+AMF分别表示短菌丝传递距离下未接种AMF,短菌丝传递距离下接种AMF,长菌丝传递距离下未接种AMF,长菌丝传递距离下接种AMF。下同。图1 干旱胁迫下AMF 对供体(A、B)和受体植物(C、D)生长的影响Different lowercase letters on the columns indicate significant differences between treatments at the 0.05 level (P<0.05). D0 is normal moisture, D1 is moderate moisture stress, D2 is severe moisture stress, S-AMF, S+AMF, L-AMF, and L+AMF denote: Not inoculated with AMF under short hyphal transmission distance, inoculated with AMF under short hyphal transmission distance, not inoculated under long hyphal transmission distance, inoculated with AMF at long hyphal transmission distance, respectively. The same as below.Fig.1 Effects of AMF on the growth of donor (A, B) and receiver plants (C, D) under drought stress

对于受体植物,在D0、D1水分处理下与未接种相比接种AMF显著提高了S和L处理受体株高、基径相对增长率,在D2水分处理下AMF对S处理株高增长率具有显著促进作用,增幅为 29.22%,对 L处理受体的株高、基径增长率均无促进作用(P>0.05)。

可见,接种AMF能够促进干旱胁迫下供、受体植物的生长,但在重度水分处理下,对长距离处理的受体植物生长无促进作用。

2.3 干旱胁迫下接种AMF对幼苗根系形态的影响

随着胁迫程度的严重,供、受体植物总根长、根表面积、根体积逐渐呈降低的趋势。各水分处理下,与未接种AMF相比,接种AMF提高了供体植物(图2,A-C)总根长、根表面积、根体积,各水分处理间差异显著(P<0.05)。对于受体植物多枝柽柳,各水分处理下接种AMF对S、L处理的总根长、根表面积、根体积均具有显著促进作用(P<0.05),其中D0、D1水分处理下,总根长、根体积在S处理和L处理之间存在显著差异,S处理的均高于L处理,D2水分处理下L处理根体积比S处理显著降低36.48%。由此可见,在重度水分胁迫下AMF对L处理幼苗根系生长并不能起到跟S处理同样的促进作用。

图2 干旱胁迫下接种AMF对供体(A、B、C)和受体植物(D、E、F)根系形态参数的影响Fig.2 Effects of AMF inoculation on root morphological parameters of donor (A, B, C) and receiver plants (D, E, F) under drought stress

2.4 干旱胁迫下AMF对幼苗生物量的影响

由表2可知,与未接种处理相比接种AMF不同程度的提高了供、受体生物量(地上、地下、总生物量)。对于供体植物,各水分下接种AMF对地上、地下、总生物量均有显著促进作用(P<0.05)。对受体植物,与未接种相比接种AMF在D0水分处理下的地上、地下、总生物量均有显著促进作用(P<0.05),在D1水分处理下与未接种相比接种AMF对S、L处理地下部分干重和总干重均有显著促进作用且S处理的显著高于L处理(P<0.05),在D2水分处理下接种AMF仅对S处理地上、地下、总生物量具有显著促进作用,增幅分别为 29.41%、73.91%、47.37%,对L处理地上、地下、总生物量在接种AMF与未接种AMF处理间无显著差异(P>0.05)。可见,接种AMF能够促进干旱胁迫下供、受体植物的生物量积累,但在重度水分处理下,对长距离处理的受体植物生物量积累无促进作用。

表2 不同水分及接种处理下供体和受体植物生物量的变化

2.5 干旱胁迫下接种AMF对幼苗抗氧化酶活性的影响

供、受体SOD、POD活性变化随干旱程度增加呈先增加后下降的趋势;CAT活性变化随着胁迫程度的增加持续增加。与未接种相比接种AMF提高了供体植物(图3,A-C)的SOD、POD、CAT活性。对于菌根化受体植物,在D1水分处理下,S处理受体SOD 活性显著高于L处理,增幅为14.11%,长、短距离处理下的POD、CAT活性差异均不显著(P>0.05)。在D2水分处理下,S处理的SOD、POD活性比L处理分别显著升高13.24%、13.02%,对L处理的SOD、POD、CAT活性均无显著促进作用。由此可见,接种AMF均能提高供体植物抗氧化酶活性,其中中度水分胁迫处理下不同距离处理菌根化受体间POD、CAT活性无显著差异,但在重度水分胁迫下AMF对L处理受体的抗氧化酶活性无显著促进作用。

图3 干旱胁迫下接种AMF对供体(A、B、C)和受体植物(D、E、F)抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of AMF inoculation on the antioxidant oxidase activities of donor (A, B, C) and receiver plants (D, E, F) under drought stress

2.6 干旱胁迫下AMF对幼苗渗透调节物质的影响

由表3可知,随着胁迫程度的增加供、受体幼苗可溶性糖和脯氨酸含量整体呈“先升后降”,可溶性蛋白含量逐渐降低。对于供体,各水分处理下,与未接种处理相比,接种AMF对可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量具有显著促进作用(P<0.05)。对于受体植物,D1水分处理下AMF对S、L处理的3种渗透调节物质均有显著促进作用,S与L处理间无显著差异(P>0.05),在D2水分处理下AMF仅对S处理可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量具有显著促进作用,S处理可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量比L处理分别显著升高23.92%、21.71%、22.14%。对L处理的3种渗透调节物质均无促进作用。可见,随着干旱胁迫程度的增大,接种AMF均能够显著促进各处理供体植物渗透调节物质的积累,对于重度水分处理下的长距离端受体均无促进作用。

表3 干旱胁迫下接种AMF对供体和受体植物渗透调节物质含量的影响

2.7 干旱胁迫下接种AMF对幼苗叶绿素含量和叶片相对含水量的影响

随着胁迫程度的增加,叶绿素含量、叶片相对含水量逐渐降低。供体植物(图4,A-C),各水分条件下,与未接种相比接种AMF不同程度增加了叶绿素含量和叶片相对含水量。

图4 干旱胁迫下接种AMF对供体(A、B、C)和受体植物(D、E、F)叶绿素含量及叶片相对含水量的影响Fig.4 Effects of AMF inoculation on chlorophyll content and leaf relative water content of donor (A, B, C) and receiver plants (D, E, F) under drought stress

对于受体植物,在D0、D1水分条件下AMF对S、L处理受体叶绿素a、b、叶片相对含水量均具有显著促进作用且S与L处理间无显著差异(P>0.05)。D2水分处理下AMF仅对S处理叶绿素a、b、叶片相对含水量具有显著促进作用(P<0.05),对L处理叶绿素a、b、叶片相对含水量均无显著促进作用(P>0.05)。由此可见,随着胁迫程度的增大AMF能够促进供、受提植物叶绿素含量和叶片相对含水量,但在重度水分胁迫下对L处理受体无促进作用。

3 讨论

疏叶骆驼刺,作为塔里木河下游典型的荒漠深根草本植物,与AMF有很高的共生能力[20-21,24]。根际微生物—丛枝菌根真菌对植物没有严格的专一性,接种AM真菌后形成的菌丝网络将同种或不同种的菌根植物连接在一起[27]。本研究发现,AM真菌侵染供体植物疏叶骆驼刺根系后,菌根向外伸长生长,跨过一定的距离会侵染受体植物多枝柽柳的根系,这与前人[28]的研究中得出的供体植物接种菌根真菌后第 8 周时,在供体和受体植物根系均检测到菌根侵染的结论一致。研究[29-30]证明,摩西球囊霉是骆驼刺根系周围AM真菌的优势种,促进幼苗生长方面摩西球囊霉的接种效果最优,提高幼苗抗旱性方面幼套球囊霉的接种效果最好,本研究中,干旱条件下根外菌丝跨越15 cm、30 cm距离能侵染受体植物且侵染率为16.33%～62.67%,桑钰等[21]对多枝柽柳的研究中AMF侵染率为33.4%～86.4%,两者相比相差不大,说明摩西球囊酶和幼套球囊霉的混合菌株对于菌丝传递研究效果最好。Fang等[31]的研究中,接种菌根真菌的供体植物(白三叶草)和受体植物(柑橘)之间成功建立了CMN,这与本试验结果相符。遭遇干旱胁迫后供受体菌根侵染率均显著降低,AMF对长距离、短距离处理的受体均有侵染,但是AMF对与供体植物较近的受体侵染率显著高于比供体距离远的受体,这与Schutz等[14]的研究结果一致。本研究又发现,在重度水分胁迫下长距离处理受体与短距离处理受体之间的孢子数量无显著差异,可能是因为植物遭受胁迫时,长、短距离处理的寄主植物都减少了对碳水化合物的供应,导致孢子萌发受到限制,AMF的孢子数量逐渐降低。

植物株高、基径、生物量等生长指标是干旱胁迫下植物损伤最直观的表现。本研究发现,接种AMF可显著提升供体株高、基径的增长率和生物量;在正常水分和中度水分胁迫下,AMF显著提升长、短距离处理受体植物的株高、基径和生物量的积累。有研究[32]表明,AMF定殖的增加导致供体和受体植物生物量的显著增加,这与本研究结果一致,可能根外菌丝增强了根系养分吸收表面积,从而促进了植物的生物量积累。赵第锟等[33]的研究中西瓜-水稻系统中接种并未影响植株的生物量,这表明寄主植物种类和AMF都可能对双系统的生长反应产生显著影响。在重度水分胁迫下AMF对长距离处理受体株高、基径增长率和生物量的促进作用未达到显著水平,这可能是长距离端受体菌根定殖水平显著变弱,同时较细的根外菌丝对水分和养分吸收能力极其有限,从而无法对幼苗的光合碳积累做出贡献,因此对幼苗株高、基径的增长和生物量影响较低。根系形态参数是判断植物抗旱性的重要指标[34]。本研究中供、受体幼苗各根系形态参数均随着干旱胁迫加重而呈逐渐下降的趋势。接种AM真菌后根系形态指标显著增加,这与王宁等[35]和王如岩等[36]的研究结果一致,但与艾为党等[37]的研究相反,对三叶草 (供体)接种菌根真菌后三叶草(供体)、黑麦草(受体)根长均有变短的趋势,这可能源于宿主的不同。研究表明,各水分处理下接种AMF对长、短距离处理受体根系形态参数均具有显著促进作用,这可能是因为根系作为直接与AMF联系的部位,根内菌丝以及向外延伸而形成的根外菌丝通过获取地下水分来帮助宿主植物优先促进根系的生长;但在重度水分处理下的短距离受体根体积显著优于长距离处理端受体的根体积,说明较长的传递距离不利于AMF对根体积这个与生物量的积累紧密联系的指标产生显著促进作用,这与前述生物量的研究结果相互印证。

POD、SOD和CAT 是植物细胞内主要的抗氧化酶[38], 与生物机体的免疫水平密切相关[39],能够清除细胞内多余的活性氧、维持细胞的稳态,体内SOD、POD和CAT活性较高的植物抗逆性较强[40]。AMF与植物的共生关系可以显著促进幼苗的生长,增加抗氧化酶和渗透物质的积累,减少干旱对植物的伤害,从而提高植物对干旱胁迫的耐受性[41]。本研究表明,AMF在正常水分和中度水胁迫处理下发挥更大的促进作用,提高受体植物抗氧化酶活性;在Ding等[42]的研究中,玉米和大豆以CMNs连接的处理当中,受体植物POD活性比其他处理相比显著提高了,本研究中接种AMF的供体相连的受体植株的抗氧化酶活性比未接种AMF相连的受体植物的抗氧化酶活性高。在重度水分胁迫下,AMF对短距离的促进作用显著,对长距离处理下受体的3种酶活性均无显著影响,这可能是在重度水分胁迫下由于受体植物细胞膜系统和AMF也会受到严重的损伤,导致AMF没能明显提升长距离端受体植物的抗氧化酶能力。干旱胁迫下,植物体为缓解干旱胁迫的影响会诱导或加速多种生理反应,如可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质的积累[43]。本研究表明,AMF对中度水分胁迫下的长距离端受体渗透调节物质的积累发挥极大的促进作用,提高受体植物的渗透调节能力,从而提高其抗旱能力,但在重度水分处理下,受体植物本身就受到严重的干旱胁迫且菌根定殖水平显著变弱,导致AMF对长距离端受体3种渗透调节物质均无显著促进作用。

叶绿素含量是反映植物光合能力的重要因素[44];植物组织相对含水量是反映植物水分状况的重要参数[45]。干旱胁迫会损害光合过程和植物含水量,叶绿体结构破坏,从而影响光合色素的合成,对植物生长产生负面影响[46-47]。本研究发现,干旱胁迫下接种AMF可增加供、受体植物叶绿素含量和叶片相对含水量,Muneer等[48]的研究中,与非菌根处理相比,在菌根处理中CMNs增加了供体和受体植物中的叶绿素含量(Chl a、Chl b和类胡萝卜素),这与本试验结果一致。本研究还发现,在重度水分处理下AMF对长距离处理的受体叶绿素a、b含量和叶片相对含水量没有显著的促进作用,这可能是因为多枝柽柳以同化枝来代替叶片进行光合作用完成植物的生活史,遭受干旱胁迫时荒漠植物可通过减少光合色素的合成来适应逆境,虽AMF可在一定程度上提高光合色素的合成,但仍抵消不了干旱胁迫对植物光合作用的伤害。