摩西球囊霉促進花生光合作用的機制

胡彥江++楊德翠

摘要：以摩西球囊霉（Funneliformis mosseae）侵染的花生植株為研究材料，測定了在苗期、花期、結莢期和飽果期4個不同時期花生葉片熒光動力學的變化，從而探索摩西球囊霉促進花生光合作用的機制。結果表明：與非菌根對照相比，菌根花生地上部干質量、開花數、果莢數、果莢質量均顯著或極顯著增加，葉綠素含量、凈光合速率Pn增加；基于光吸收的性能指數PI與實際光化學效率ΦPSⅡ均明顯升高；菌根與非菌根間的熒光差值ΔVt曲線變化最大處在30 ms 附近，Ⅰ相降低，而光系統線性電子傳遞速率ETR與電子傳遞的量子產額ΦEo升高，單位面積有活性反應中心數量RC/CSo增加，光化學猝滅系數qP升高；PSⅠ的活性（ΔI/Io）明顯升高。摩西球囊霉侵染增強了花生葉片PSⅠ和PSⅡ的活性，促進了電子的傳遞，增強了對光能的利用，從而提高了花生生長量和產量。

關鍵詞：花生；摩西球囊霉（Funneliformis mosseae）；葉綠素熒光；光系統Ⅰ；光系統Ⅱ

中圖分類號： S565.201文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0145-04

叢枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）是植物根系與某些種類的真菌形成的互惠共生，70%以上的陸生植物能夠形成這種共生體[1]。AM真菌不僅能改善植物營養、生長狀況[2]，還能提高植物的抗逆性[3-5]。光合作用是高等植物合成有機物和獲得能量的基礎，葉綠素是綠色植物進行光合作用的最主要色素，是植物光合作用時捕獲光能的重要物質。AM真菌能夠通過提高葉綠素含量，改善葉片葉綠素熒光和光合作用[3，5-6]。玉米在高溫或低溫脅迫下對植株造成的傷害可通過接種AM真菌提高葉綠素含量及光合作用來減輕[3，6]。

葉綠素熒光技術是近年來應用于光合作用機理研究的新技術[7]，是研究光合器官的無損傷探針，通過熒光參數和熒光動力學曲線的變化量化分析光系統的性能。趙昕等報道，接種AM真菌能有效提高喜樹幼苗葉片的最大光能轉換效率（Fv/Fm），提高光化學猝滅系數（qP），有效降低非光化學猝滅系數（NPQ）[8]；不同AM真菌對喜樹幼苗葉片葉綠素熒光參數影響不同。

花生產業在我國經濟中占有重要的地位，2013年我國花生種植面積471萬hm2[9]。目前，我國花生栽培和其他作物栽培中遇到的同樣問題之一，是由于長期重施化肥，導致土壤板結、貧瘠、微生物活性降低。因此，如何利用有限的土壤資源，最大限度地提高作物產量，實現資源的可持續性發展顯得尤為重要。研究表明，AM真菌能夠促進花生生長，提高其產量，特別是在營養貧瘠土壤中效果尤為顯著[10-12]。本研究發現，AM真菌侵染花生后，產量和光合速率均有提高，那么提高光合作用的機制是什么呢？AM真菌侵染對光合機構又有怎樣的影響？

本研究旨在通過熒光動力學技術研究AM真菌促進花生光合作用的機制，為AM真菌在農業中的應用提供理論支持，為花生的高產栽培提供指導。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供AM真菌摩西球囊霉[Funneliformis mosseae （Nicoll. & Gerd.） Gerd. & Trappe]，分離自山東省花生研究所萊西花生試驗田花生根際土。接種前進行擴大培養：將園土和河沙按1 ∶1體積比混合，121 ℃、0.1 MPa蒸汽滅菌2 h，放置1周后裝入花盆（23 cm×20 cm），每盆先裝2 000 g培養土、50 g AM真菌菌劑，上面撒三葉草種子，最后用1 cm厚滅菌河沙覆蓋。每周澆1次Hoagland營養液，其他均按常規管理。播種3個月后，用土壤鉆隨機挖取三葉草根系，剪成 1 cm 長根段，用Phillips & Hayman染色方法[13]對根段染色，檢查菌根形成情況。待形成泡囊、叢枝及孢子時，剪去三葉草地上部，將盆土及剪碎的根系混合均勻，裝入布袋，保存在陰涼、干燥的地方。

1.1.2供試植物供試花生品種為花育22號，是目前山東省主栽品種之一，由植物病理生理研究室提供。

1.1.3接種及管理栽培基質由園土和河沙按2 ∶1體積比混合，高壓蒸汽滅菌2 h后混合均勻，每個花盆（23 cm×20 cm）裝入2 000 g。花生播種時先將50 g摩西球囊霉菌劑平鋪于滅菌栽培基質上，然后撒花生種子，用厚度為1 cm的栽培基質覆蓋。待種子發芽出土后露天放置，并定苗至每盆4株。對照不接AM菌劑。每個處理9盆，每3盆1個重復，不同處理間隨機放置。每周澆1次Hoagland營養液，其他按常規管理。

1.2花生菌根侵染率測定

播種后1個月，用土壤鉆隨機挖取花生根樣，流水輕輕洗掉黏附在根部的沙土，剪成1 cm長根段，用Phillips等的方法[13]對根進行染色。菌根侵染率測定參考劉潤進等的方法[2]。

1.3花生生長量的測定

待花生生長至開花下針期時測量株高，統計開花數；收獲后將花生地上、地下部分分開，在80 ℃烘箱烘至恒質量后稱其干質量。

1.4花生葉片氣體交換參數的測定

使用便攜式光合儀CIRAS-1（英國，PP-Systems公司），分別在花生生長的苗期、花期、結莢期、飽果期，取花生的功能葉測定氣體交換參數。以儀器自帶二極管提供光源，設置光照度1 200 μmol/（m2·s），溫度25 ℃，相對濕度45%，CO2為大氣濃度。09：00至11：00測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和細胞間隙CO2濃度（Ci），重復6次。

1.5花生葉片葉綠素含量的測定

花生葉綠素含量測定參考Arnon的方法[14]。稱取花生功能葉片0.1 g，置于10 mL 80%丙酮中暗處浸提48 h后，用U-2900分光光度計（日立、日本）分別測定663、645 nm處的吸光度，計算總葉綠素含量，重復3次。

1.6花生葉片葉綠素熒光參數的測定

Fo、Fm、Fm′、Fs 等熒光參數用FMS-2脈沖調制式熒光儀（Hansatech，英國）測定。在生長不同時期取花生功能葉，將葉片暗適應30 min后，測定最大熒光Fm及PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm。光適應下PSⅡ實際光化學效率按ФPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′計算；電子傳遞速率ETR=PFD×0.84×0.5，PFD為測定時的照度；光適應下熒光參數Fm′和Fs的測定參考陳大印等的方法[15]。

1.7花生葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線測定以及PSⅠ活性的測定

花生葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP曲線）測定參考Schansker等方法[16]，利用M-PEA（Hansatech，英國）測定光吸收曲線表示PSⅡ活性的變化，利用820 nm光吸收相對差值（ΔI/Io）表示PSⅠ活性變化。在花生苗期、花期、結莢期、飽果期，測定菌根花生和非菌根花生功能葉葉綠素熒光。用暗適應夾夾住葉片暗適應20 min，再用M-PEA進行測定，測定方法參照楊德翠等的方法[17]，參數計算公式參考Strasser等的方法[18-20]。

1.8數據處理

用SAS 8.1數據分析軟件對各處理間的數據進行方差分析。

2結果與分析

2.1花生根系摩西球囊霉侵染率

花生菌根侵染率為70%，根內形成叢枝、泡囊結構，根外外延菌絲發達。未接種AM菌劑的花生根部未觀察到叢枝、泡囊、根內和根外外延菌絲。這說明菌根菌與花生根系已建立了良好的共生關系。

2.2摩西球囊霉對花生生長量和產量的影響

從表1看出，在測定時間內，菌根花生株高、地下部干質量與非菌根花生相比無顯著差異，但地上部干質量、開花數、果莢數或果莢質量與非菌根相比有顯著或極顯著的差異。菌根花生地上部干質量、開花數、果莢數、果莢質量分別比非菌根花生分別增長了100%、33%、60%、37%。

2.3 摩西球囊霉對花生葉片凈光合速率（Pn）和葉綠素含量的影響

花生凈光合速率和葉綠素含量如圖1所示，在不同測定時期，凈光合速率和葉綠素含量曲線均表現為先升高后降低的趨勢，高峰值均在花期，且二者在菌根花生葉片中高于非菌根花生葉片。

這說明AM真菌侵染增加了花生葉片葉綠素含量，從而促進了花生的光合作用。

2.4摩西球囊霉對花生PSⅡ活性的影響

2.4.1摩西球囊霉對花生葉片熒光動力學曲線（OJIP）的影響菌根花生與非菌根花生OJIP曲線的熒光差值ΔVt 曲線變化如圖2所示。Ⅰ相反應了PQ庫的異質性，即快還原型PQ庫和慢還原型PQ庫的大小。二者最大差值出現在約30 ms 處，說明AM真菌侵染最大程度地影響了曲線上I點的變化。Ⅰ相降低，說明AM真菌侵染加快了電子傳遞速度。

2.4.2摩西球囊霉對花生葉片PI和ФPSⅡ的影響PI是基于光吸收的性能指數，能靈敏地反映PSⅡ的活性變化。從圖3-a可知，在不同測定時期，FM處理PI值分別比對照升高44.36%、39.31%、22.70%、37.90%，說明AM真菌侵染使PSⅡ的活性增強。ΦPSⅡ為實際光化學效率，它能反映在照光下PSⅡ反應中心部分關閉的情況下，實際光化學效率。與非菌根對照相比，在不同測定時期，菌根花生葉片ΦPSⅡ均明顯增強（圖3-b），在苗期、花期分別升高28.12%、21.83%。說明菌根花生PSⅡ的光合機構活性增強。

2.4.3摩西球囊霉對花生葉片光系統電子傳遞的影響ETR表示整個光系統線性電子傳遞速率，用來衡量植物體內總光合電子傳遞能力。菌根花生葉片ETR明顯高于對照（圖4-a），在4個時期分別升高51.8%、26.8%、23.1%、26.0%。ΦEo表示用于電子傳遞的量子產額。從圖4-b可知，菌根花生葉片ΦEo均有升高，說明電子傳遞能力增強。

上述結果說明，菌根花生葉片吸收的光能用于電子傳遞的能量增加，整個光系統電子傳遞速率加快。

2.4.4摩西球囊霉對花生反應中心活性的影響RC/CSo表示單位面積有活性反應中心數量。由圖5-a可知，與對照相比，在各測定時期菌根花生葉片RC/CSo明顯升高。光化學猝滅系數qP（圖5-b）反映PSⅡ反應中心的開放程度，與對照相比，菌根花生葉片反應中心的開放程度加大。

上述結果說明，FM處理植株葉片不但反應中心數量增加，而且反應中心的開發程度增加，利用光能的效率增加。

2.5摩西球囊霉對花生PSⅠ活性的影響

利用花生葉片820nm光吸收相對差值（ΔI/Io）代表PSⅠ的活性。從圖6看出，菌根花生葉片PSⅠ的活性顯著上升，在不同測定時期，菌根與非菌根對照相比在苗期沒有明顯差異，但在花期、結莢期和飽果期分別上升了30.31%、1422%、4219%。這說明摩西球囊菌侵染提高了PSⅠ的活性。

3結論與討論

AM真菌能夠促進植物的生長，增加其生物量[10，21]。本研究中，摩西球囊菌侵染花生植株，在花生的苗期、花期、結莢期和飽果期4個時期中，菌根花生與非菌根花生相比地上部干質量、開花數、果莢數、果莢質量均有顯著或極顯著增加，光合速率與葉綠素含量明顯升高。葉綠素含量的高低在一定程度上反映了植物光合能力的大小。AM真菌侵染后，宿主葉綠素含量增加，并伴隨著生物量的增加[3，6，8，21]。

僅用葉綠素含量的變化很難對光合性能的改變作出準確的解釋。本研究中用葉綠素熒光動力學技術對摩西球囊菌侵染花生植株后的光合機構進行研究。基于菌根花生葉片光吸收性能指數PI與實際光化學效率ΦPSⅡ顯著升高，說明摩西球囊霉侵染后光合機構性能增強。菌根花生葉片光系統線性電子傳遞速率ETR與電子傳遞的量子產額ΦEo也顯著升高，單位面積有活性反應中心數量RC/CSo增加，光化學猝滅系數qP升高，這也說明菌根花生葉片對光能的利用率增強。Pinior等在研究干旱脅迫下根內球囊霉（Glomus intraradices）對月季的影響時發現，與AM共生的植株在水分脅迫下有更高的PI值，有較高的活性反應中心數量，ΦEo也顯著升高，PSⅡ向PSⅠ電子傳遞加快[22]。Rathod等的研究發現，F. mosseae 可促進侵染大豆在水份脅迫下的生長，大豆葉片熒光參數RC/ABS 和 ETo/ABS 都顯著升高，故認為在AM菌存在時減少了反應中心的失活[23]。姚娟等研究發現，菌根煙苗的PSⅡ實際光合效率、光化學猝滅系數、最大相對電子傳遞速率均高于無菌根煙苗[21]。歐靜等發現，桃葉杜鵑接菌苗的ETR、Fv/Fm和光化學猝滅 qP 均顯著提高[24]。以上參數反映出PSⅡ活性的變化，對PSⅠ活性鮮有研究。本研究中利用820 nm光吸收相對差值（ΔI/Io）代表PSⅠ的活性，發現與非菌根相比，菌根花生葉片PSⅠ活性顯著升高，促進了電子由PSⅡ向PSⅠ的傳遞。另外，研究還發現菌根花生葉片與非菌根葉片之間的熒光差值ΔVt的變化在30 ms 附近，Ⅰ相降低，這說明AM真菌侵染使花生葉片電子傳遞速度加快，目前還未見這方面的研究報道。

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