AM 真菌与氮交互作用对高粱根系侵染率及光合特性的影响

马英慧，马英智，马英杰

（1.吉林省农业科学院，吉林长春 130033；2.长春市农业科学院四平分院，吉林长春 130022）

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］又名蜀黍，是世界上仅次于小麦、水稻、玉米和大麦的第五大重要谷物，我国主要种植粒用高粱[1]。高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱特性和适应性，是优良的高产、稳产作物[2]。高粱是为数不多可在边际性土地大面积推广种植的能源作物，目前我国高粱种植面积为70%以上，主要集中在黑龙江、吉林以及辽宁西部和北部、内蒙古中东部[3-4]，但产区栽培技术落后仍是制约高粱产量提高的主要原因。

丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AM真菌）广泛存在于我国北方旱作区，能与80%的高等植物根系形成互利互惠的菌根共生体[5]。AM 真菌在植物根部形成的致密菌丝网能够促进植物生长发育，菌根的形成不仅可以帮助植物获得更多的营养，还可以提高植物对环境胁迫的适应能力，增强土壤的生物活性和生态系统的稳定性[6]。植物吸收的75%的氮是通过AM 真菌获得的，而植物又会将10%～20%的碳水化合物及脂肪酸转运给AM 真菌[7]。可见，生物肥料的利用是促进高粱生长和生产的另一种途径。

氮素在一定程度上直接影响生态系统的多样性，是构成植物体内蛋白质、核酸、叶绿素等重要有机化合物的主要成分[8]。据报道，供氮不足会造成作物在生长过程中叶绿素含量降低、光合速率下降、光合作用减弱、生长缓慢等问题[9]；过量施氮会降低作物根系活力，抑制根系生长，减少根系对氮素的吸收，甚至造成作物减产[10]。因此，合理施用氮肥对促进高粱生长发育至关重要。

高粱是AM 真菌扩繁接种试验的主要研究材料[11]。土壤氮的存在显著影响了AM 真菌侵染植物根系的能力，AM 真菌的存在会减少植物对氮素的依赖，而土壤氮的增加又会造成AM 真菌群落组成产生改变，最终影响植物AM 真菌的网络结构[12]。氮与AM 真菌添加是否会通过影响植物光合特性来改善高粱的生长，目前这方面研究尚少。因此，本研究采用盆栽试验，通过添加AM 真菌与不同浓度氮肥，探讨氮与AM 真菌添加对高粱根系侵染率及光合特性的影响，旨在为高粱合理施用氮肥和生物菌肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验时间和地点

试验于2021 年5—9 月在吉林省农业科学院高粱试验区进行。

1.2 试验材料

供试高粱品种为吉杂355，属中熟品种。吉杂355 需≥10 ℃活动积温2 550 ℃左右，其生长发育的最适温度为20～30 ℃。温度过高，苗高且细弱；温度过低，重者发生烂种，轻者幼苗生长缓慢。供试AM 真菌为摩西球囊霉（glomus mosseae，GM），每10 g 菌剂含有孢子（100±5）个，购置于北京市农林科学院植物营养与资源研究所“丛枝菌根真菌种质资源库”。

供试土壤取自0～25 cm 耕作层，自然风干后过小于5 mm 筛，其砂粒含量43%、粉粒含量40%、黏粒含量17%，pH 值8.24（土∶水=1.0∶2.5），有机质含量18.43 g/kg，全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮含量分别为838.14、39.18、8.46、8.37 mg/kg。为消除土中AM 真菌，将过筛后的供试土壤高压蒸汽灭菌（115 kPa，120 ℃）2 h 后，放置于酒精擦拭过的塑料袋中备用。

1.3 试验设计

试验采用施氮和接种AM 真菌双因素随机区组设计，共6 个处理，每个处理设置6 个重复，共36 盆。根据查阅文献以及生产实践，设置了0、150、300 kg/hm23 个施氮水平（分别表示为N0、N1、N2），2 个AM 真菌处理：接菌处理表示为GM（每盆土壤中均匀混入50 g AM 真菌菌剂）、未接菌处理表示为NGM（每盆土壤中均匀混入50 g 灭菌菌剂）。

试验用盆为无孔不透明塑料花盆，上部直径33 cm、底部直径30 cm、盆深40 cm。每盆装供试土壤6 kg，并在土壤表面均匀铺撒约2 cm 厚蛭石，以最大限度地减少土壤水分无效蒸发，同时防止灌水后出现土壤板结现象。挑选籽粒饱满的高粱种子催芽后于5 月8 日播种，每盆播8 粒，5 月19 日出苗，在三叶期（5 月27 日）定植1 株。种植期间，定期定量浇水。

1.4 样品采集与测定

在高粱生长至灌浆期（8 月18 日，晴天）进行各指标测定及根系取样。根系取样：将高粱植株从花盆中连根土取出，放入水池中浸泡冲洗，冲洗干净后收集鲜嫩细根，用70%乙醇保存，待测AM 真菌对高粱根系侵染率。

1.4.1 高粱根系侵染率的测定

首先，参考VIERHEILIG 等[13]的醋酸墨水染色法进行染色。褪色后将各处理着色后的根系剪成1 cm 左右的根段，随机抽取30 根放于10 个载玻片上用体视正置显微镜观察，计算AM 真菌对高粱根系侵染率，公式如下

1.4.2 叶绿素含量测定

叶绿素含量采用95%酒精提取法测定。选取新鲜完整旗叶，去掉主叶脉后将其剪碎，称取0.05 g 放置于25 mL 容量瓶，定容后在避光处放置24 h。各处理选取3 盆进行测量，取平均值。在波长649、665 nm 处用分光光度计测定，计算公式如下

式中，Ca表示叶绿素a 浓度；Cb表示叶绿素b 浓度；V 表示定容后体积；W 表示叶片鲜重；n 表示稀释倍数。

1.4.3 光合特性测定

8：30—10：30，选取每盆高粱自上而下第3～5 片叶片中的1 片，使用LI-6800 便携式光合仪测定气孔导度（Gs）、叶片净同化速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）。各处理选取3 盆进行测量，取平均值。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019 软件进行数据处理，SPSS 26.0 统计学软件进行方差分析，Originpro 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 氮与AM 真菌添加下高粱根系侵染状况

由图1 可知，接菌处理后高粱根系有侵染现象，未接菌处理未发生侵染现象。

图1 AM 真菌对高粱根系的侵染Figure 1 Infection of AM fungi on sorghum root

由表1 可知，氮处理和AM 真菌处理对高粱根系侵染率有显著影响（P＜0.05），二者对高粱根系侵染率也存在显著交互作用（P＜0.05）。在接菌处理下，相较于N0 水平，N1 和N2 水平高粱根系侵染率分别降低35.38%和30.77%（P＜0.05），N1 与N2 水平间无显著差异（P＞0.05），表明施氮会显著降低高粱根系侵染率。

表1 氮与AM 真菌添加下高粱根系侵染率Table 1 Root infection rate of sorghum after applying nitrogen and AM fungi

2.2 氮与AM 真菌添加下高粱叶片叶绿素含量变化

由图2 可知，氮处理和AM 真菌处理对高粱叶片叶绿素含量有显著影响（P＜0.05），二者对高粱叶片叶绿素含量不存在显著交互作用（P＞0.05）。未接菌处理下，相较于N0 水平，N1 和N2 水平高粱叶片叶绿素含量分别提高8.36%、6.07%（P＜0.05），N1 与N2 水平间无显著差异（P＞0.05）。接菌处理下，相较于N0 水平，N1 和N2 水平高粱叶片叶绿素含量分别提高5.91%、4.14%（P＜0.05），N1 与N2 水平间无显著差异（P＞0.05），这表明无论接菌与否，施氮后高粱叶片中叶绿素含量均有显著提高的趋势。在N0、N1 和N2 水平下，与未接菌处理相比，接菌处理均显著提高了高粱叶片叶绿素含量，分别提高10.80%、8.29%、8.78%（P＜0.05），这表明在3 个施氮水平下，接菌会显著提高高粱叶片叶绿素含量。

图2 氮与AM 真菌添加下高粱叶片叶绿素含量Figure 2 Chlorophyll content of sorghum leaves by applying nitrogen and AM fungi

2.3 氮与AM 真菌添加下高粱叶片气孔导度变化

由图3 可知，氮处理和AM 真菌处理对高粱叶片气孔导度有显著影响（P＜0.05），二者对高粱叶片气孔导度也存在显著交互作用（P＜0.05）。未接菌处理下，施氮对高粱叶片气孔导度无显著影响（P＞0.05）。接菌处理下，相较于N0 水平，N1 和N2水平高粱叶片气孔导度分别降低15.96%、19.54%（P＜0.05），表明接菌条件下，施氮有显著降低高粱叶片气孔导度的趋势。在N0 水平下，接菌处理后高粱叶片气孔导度较未接菌处理显著提高22.80%（P＜0.05），表明不施氮处理下，接菌有显著提高高粱叶片气孔导度的趋势。

图3 氮与AM 真菌添加下高粱叶片气孔导度Figure 3 Gs of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.4 氮与AM 真菌添加下高粱叶片净同化速率变化

由图4 可知，氮处理和AM 真菌处理对高粱叶片净同化速率有显著影响（P＜0.05），二者对高粱叶片净同化速率不存在显著交互作用（P＞0.05）。未接菌处理下，相较于N0 水平，N1 和N2 水平高粱叶片净同化速率分别提高了5.36%、6.68%（P＜0.05），N1与N2 水平间无显著差异（P＞0.05）。接菌处理下，N1水平高粱叶片净同化速率比N0 和N2 水平分别提高5.95%、3.92%（P＜0.05），表明无论接菌与否，适量施氮后高粱叶片净同化速率均有显著提高的趋势。在N0、N1、N2 水平下，与未接菌处理相比，接菌处理均显著提高了高粱叶片净同化速率，分别提高8.86%、9.47%、4.03%（P＜0.05），表明在3 个施氮水平下，接菌均会显著提高高粱叶片净同化速率。

图4 氮与AM 真菌添加下高粱叶片净同化速率Figure 4 Pn of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.5 氮与AM 真菌添加下高粱叶片蒸腾速率变化

由图5 可知，氮处理和AM 真菌处理对高粱叶片蒸腾速率有显著影响（P＜0.05），二者对高粱叶片蒸腾速率也存在显著交互作用（P＜0.05）。未接菌处理下，施氮对高粱叶片蒸腾速率无显著影响（P＞0.05）。接菌处理下，高粱叶片蒸腾速率随施氮水平的增加而显著降低，相较于N0 水平，N1 与N2 水平高粱叶片蒸腾速率分别下降8.98%、24.57%（P＜0.05），这表明在接菌处理下，施氮不利于高粱叶片蒸腾速率的提高。在N0、N1 水平下，与未接菌处理相比，接菌处理均显著提高了高粱叶片蒸腾速率，分别提高24.85%、16.14%（P＜0.05），这表明不施氮或少施氮处理下，接菌会显著提高高粱叶片蒸腾速率。

图5 氮与AM 真菌添加下高粱叶片蒸腾速率Figure 5 Tr of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.6 各指标间相关性分析

由图6 可知，添加AM 真菌后，高粱根系侵染率与叶片叶绿素含量、气孔导度、净同化速率、蒸腾速率呈显著正相关（P＜0.05），叶片叶绿素含量与净同化速率呈显著正相关（P＜0.05），气孔导度与蒸腾速率呈显著正相关（P＜0.05）。

图6 各指标间相关性Figure 6 Correlation among indicators

3 讨论

AM 真菌与植物形成的菌根重塑了根系结构，扩大了根系的吸收范围[14]。氮添加会一定程度上影响AM 真菌泡囊的形成及对根系的侵染，土壤氮含量的增加可使缺氮区菌根侵染率增加[15-16]。本研究结果表明，AM 真菌对高粱根系侵染率随施氮水平的上升而显著下降（P＜0.05）。JOHNSON[17]研究认为，氮添加导致土壤氮富集，从而降低了寄主植物向AM真菌所分配的碳量，导致根系侵染率降低。田明慧等[18]研究表明，在两个氮肥水平（180、270 kg/hm2）下接种AM 真菌均能提高玉米根系侵染率，其中低氮条件下AM 真菌侵染潜力更大。本研究结果与田明慧等[18]的研究结果不一致，其原因可能与施氮量、播种前土壤环境条件、作物品种等有关。

氮是植物生长的必需养分，是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成成分[19]。叶绿素含量的高低是反映其光合能力的重要指标[20]。本试验研究发现，接菌处理下，适量施氮有显著提高高粱叶片叶绿素含量和净同化速率的趋势（P＜0.05），而施氮有显著降低高粱叶片气孔导度和蒸腾速率的趋势（P＜0.05）。有研究发现，当氮充足时，植物可合成较多的蛋白质，促进细胞分裂和增长，因此植物能有更多的叶面积用来进行光合作用[21]。目前，大部分对植物氮营养和光合作用之间影响的研究表明，氮添加会引起叶片氮含量增加，使植物的净光合速率升高，过量的氮素水平则会降低光合速率[22]。据报道，叶片气孔导度和叶片氮素含量间具有交互作用[23]，施氮后叶片气孔导度和蒸腾速率下降可能是由于水势下降导致原生质体的水合度降低，影响了保卫细胞膨压，从而对叶片气孔导度和蒸腾速率产生调节作用。

AM 真菌可以通过延长根的长度和深度来提高植物的水分吸收和叶水势来控制叶片气孔大小和蒸腾作用[24]。本研究结果表明，在3 个施氮水平下，接菌有显著提高高粱叶片叶绿素含量、净同化速率的趋势，致使高粱光合速率提升（P<0.05）。光合作用产生的ATP 是绿色植物生长发育的主要来源，直接影响其生长发育，AM 真菌可以通过增加光合色素积累、促进叶绿体中CO2扩散、增强电子扩散来提高光合速率[25-26]。目前，在施氮处理下接种AM 真菌对植物光合特性指标的研究尚少，未施氮的研究中，接种AM 真菌可促进高粱[27]、玉米[28]、大豆[29]、葡萄[30]等植物叶绿素含量的增加。前人研究发现，接种AM 真菌可提高植物叶片气孔导度[31]、净同化速率[32]、蒸腾速率[33]，从而促进植物生物量的增加和光合产物的积累。本研究结果中高粱叶片气孔导度和蒸腾速率的研究与该结果不一致，其原因可能与研究作物和AM 真菌添加量有关。此外，王琚钢等[34]研究发现，AM 真菌可以通过协调各种植物激素的平衡来实现对植物的调节，例如，AM 真菌通过促进植物气孔关闭来减少蒸腾失水，以及通过激活许多胁迫响应基因表达来调节植物生理光合特性[35]。

本研究结果显示，添加AM 真菌后高粱根系侵染率与叶片叶绿素含量、气孔导度、净同化速率、蒸腾速率呈显著正相关（P<0.05）。近年来，宿主植物和AM 真菌之间的营养交换和调节框架已经建立[36]。根系侵染率与光合特性之间的动态调节是植物维持稳定共生关系的策略。因此，理解AM 真菌与光合特性之间的相关性及协同效应是运用生物肥料来发展可持续农业的必要前提。

4 结论

氮处理和AM 真菌处理对高粱根系侵染率、叶片气孔导度、叶片蒸腾速率存在显著交互作用（P<0.05）。接菌处理下，适量施氮有显著提高高粱叶片叶绿素含量和净同化速率的趋势（P<0.05），而施氮会显著降低高粱根系侵染率、叶片气孔导度和叶片蒸腾速率（P<0.05）。相关性分析表明，添加AM 真菌后，高粱根系侵染率与叶片叶绿素含量、气孔导度、净同化速率、蒸腾速率呈显著正相关（P<0.05）。