喀斯特土壤生境下叢枝菌根真菌侵染對任豆根系構型的影響

屈明華， 李 生， 俞元春, 張金池

(1.南京林業大學南方現代林業協同創新中心 南京林業大學林學院，210037， 南京；2.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所, 311400， 杭州)

根系是植物的重要器官，吸收水分和礦物質養分，穩固和儲存同化物[1]。根系形態是描述植物根系隨環境變化的重要指標，植物對養分吸收效率與根系構型有關[2]。植物根系構型特征參數主要有根系總長度、根表面積、根系平均直徑、比根長、比根面積、根系生物量等。根長是根系形態的重要指標，反映根系空間吸收范圍，影響養分和水分吸收，是根系生長發育的重要特征；根表面積反映根系對土壤接觸面積，影響植物對土壤資源利用；根系直徑影響水分傳導效率，直徑大，輸送水分效率增加[3]。養分脅迫下，植物通過改變根系構型及形態，增加根長度、表面積和根毛數量及密度或形成排根來增強對養分獲取[4]。低磷脅迫下，紫穗槐(Amorphafruticosa)能調節光合產物分配格局，使其優先向根系分配，根系生物量增加，根冠比達到最大，與土壤接觸面積擴大，從而獲得更多磷素，植物通過維持較大比例根冠比來響應低磷脅迫[5]。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能與絕大多數植物根系形成共生體，促進植物養分吸收(尤其是P)，提高植物抗旱性[6]，對植物生長發育有重要作用。菌根接種不僅影響根系形態，還影響宿主植物的生理狀態[7]。AMF與香樟幼苗共生提高了根系生物量、根系總長、根系表面積、根體積[8]，導致宿主細根比例降低，粗根比例增加[9]。菌根有利于桑樹在極端逆境中生長，提高桑苗主根長、根尖總長，促進植株營養生長[10]。摩西球囊霉(Funneliformismosseae)和根內球囊霉(Rhizoglomusintraradices)有助于菌根釋放多種揮發性物質，改變根際環境和根系形態，促進高粱苗(Sorghum)細根直徑、總根長和比根長增加[11]；提高枳(Poncirustrifoliata)根系表面積、投影面積、根體積和0～1.5 cm短根系總長度[12]。摩西球囊霉、地表球囊霉(Glomusversiforme)和混合接種顯著提高枳生物量，誘導1級、2級和3級側根發生，增加根系投影面積、表面積、體積和總長度(主要是0～1 cm根長)，根系平均直徑降低[13]。干旱脅迫，接種摩西球囊霉顯著增加小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar.microphylla)幼苗總根長、根表面積，中度和輕度脅迫，顯著促進小馬鞍羊蹄甲根鮮質量、根體積增加[14]。

我國西南喀斯特地區巖溶作用強烈，土層淺薄且不連續，生態環境極其脆弱，是我國水土流失最嚴重的的地區之一[15]，植被恢復困難。接種菌根真菌能顯著促進喀斯特地區造林樹種植物地上部生長，提高植株對土壤養分元素和水分吸收，養分和干旱脅迫下，菌根真菌能改變植物根系形態，促進植物對水分和礦質元素吸收[16]。任豆(Zeniainsignis)學名翅夾木，是我國特有樹種，也是石山地區造林的先鋒樹種，主要分布于貴州、廣西、廣東、云南等石灰巖地區[17]。任豆萌芽性強，側根粗壯發達，穿透能力強，能固氮且耐干旱瘠薄，可在石縫中生長，是我國南方綠化石山的優良速生樹種[18]。本研究以喀斯特侵蝕區土壤為基質，任豆為試驗材料，供試AMF為喀斯特優勢菌屬—摩西球囊霉、根內球囊霉[19]，研究不同喀斯特土壤養分生境下接種AMF對任豆根系生長和根系構型影響，探討喀斯特土壤生境下菌根真菌對宿主根系構型特征的影響，為喀斯特地區高基巖裸露，土層淺薄，蓄水能力差的自然條件下植被定植恢復、水土保持提供微生物干擾途徑，同時也為喀斯特地區篩選優勢菌種提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

菌種摩西球囊霉和根內球囊霉由長江大學園藝園林學院提供，接種菌劑含有孢子、菌絲片段和侵染根段。供試土壤采自貴州省普定縣喀斯特高原生態綜合治理試驗示范區，分別為貧瘠喀斯特土壤(簡寫為S)和20年林齡滇柏林下土壤(簡寫為D)，土壤理化性質見表1。土壤過2 mm篩孔，高壓蒸汽滅菌(121 ℃，0.11 MPa，1 h)后作為試驗基質。任豆種子采自喀斯特地區任豆次生林，試驗前用10%的雙氧水表面消毒15 min，滅菌水沖洗多次，備用。試驗用塑料盆規格：上口徑16 cm、下口徑11 cm、高13 cm，用75%酒精表面擦拭消毒。

表1 供試土壤理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，2種土壤處理和4個接種處理(2×4)。其中每個處理9個重復，接種處理設置為：接種摩西球囊霉處理(Fm)、接種根內球囊霉處理(Ri)、混合接種處理(mixture inoculation,Mi)和不接種處理(CK)。接種方法：塑料花盆中裝入滅菌土1.5 kg，稱取菌劑平鋪在滅菌土上，同時點播入消毒并催芽的任豆種子3粒，用滅菌土覆蓋。單菌種接種處理按25 g/盆施加菌劑(孢子密度7～12個/g)；混合接種處理：2種菌劑按1∶1混合后，再稱取25 g菌劑施入花盆中；對照處理不加菌劑，加入經微孔濾膜過濾的菌液和25 g高溫滅菌后的混合菌劑，以保持除目的菌外和其他處理土壤微生物組成一致。各處理每3 d用去離子水補充水分，以水分不流出盆底為準。幼苗正常生長30 d后，每盆定苗1株。2018年3月13日播種至2018年8月9日共培育150 d，采集植物樣品測定生物量及根系指標。

1.3 測定指標

試驗結束后，將植株連同花盆放入水盆中，小心沖掉土壤，以獲取完整根系，利用根系掃描儀(Epson Perfection V700)掃描完整根系圖像，用Win-Rhizo根系分析系統軟件分析根系總根長、總根表面積、總根體積、根系平均直徑等。參照吳強盛等[20]方法進行菌根侵染率觀察，馬放等[21]方法計算菌根依賴性。

(1)

(2)

式中：C為菌根侵染率，%；ni為侵染根段數，i為1，2，…，m；N為觀察總根段數；MD為菌根依賴性，%；M+為接種后植物生物量，g；M-為未接種植物生物量，g。

1.4 數據處理

試驗數據利用Excel 2010軟件進行計算及繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行統計分析，用LSD多重比較法進行差異顯著性檢驗(差異顯著水平P<0.05)。菌根侵染率在方差分析之前利用Excel進行反正弦轉換。

2 結果與分析

2.1 任豆根系侵染率

由表2，任豆根系侵染率在不同養分土壤處理和接種處理間有極顯著交互作用(P<0.001)。接種處理任豆根系均能形成菌根共生體，未接種處理植株根系也受到侵染，但顯著低于接種處理。圖1，貧瘠喀斯特土壤，接種處理根系侵染率顯著高于CK，Fm處理具有最侵染率，其次是Mi和Ri處理，均達到顯著差異水平；滇柏林下土壤，接種處理根系侵染率顯著高于CK，Fm和Ri處理侵染率顯著高于Mi處理，單接種差異不顯著。養分貧瘠土壤上侵染效果好于養分較豐富土壤，Fm侵染率達到89.79%，與不同土壤不同菌種處理達到顯著差異水平，Mi略低于Fm為76.22%，Ri處理侵染率盡管低于養分較高土壤上Ri處理，但差異不顯著，貧瘠土壤上Mi處理侵染率顯著高于養分較高土壤上Mi處理。

表2 土壤處理和接種處理對任豆侵染率與根系形態指標影響的雙因素方差分析

圖中數據為平均值，不同小寫字母表示同一土壤不同接種處理間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示不同土壤不同接種處理間差異顯著(P<0.05)；Fm、Ri、Mi和CK表示摩西球囊霉、根內球囊霉、混合接種和對照處理，下同。The data in the figure are average, and different lowercase letters indicate significant differences in different inoculation treatment of the same inoculated soil at the 5% level by LSD (P<0.05); different uppercase letters indicate significant differences in different inoculation treatment of the different inoculated soil at the 5% level by LSD (P<0.05).Fm，Ri，Mi and CK in the figure represents the Funneliformis mosseae, Rhizophagus intraradices, mixture inoculation and the control, the same below.圖1 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗根系菌 根侵染率Fig.1 Colonization rate of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

圖2 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗根系生物量Fig.2 Root biomass of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

2.2 任豆根系生物量和菌根依賴性

貧瘠喀斯特土壤Fm和Mi處理均顯著提高任豆地下生物量，分別提高460.49%和246.91%，與對照差異顯著，2種處理具有高強度菌根依賴性，分別達到366.91%和314.38%，Ri對根系生物量累積無顯著影響，菌根依賴性為70.60%，為無依賴；滇柏林下土壤接種處理均促進任豆根系生物量累積，Fm、Ri和Mi處理根系生物量提高分別138.04%、128.62%和51.45%，單接種之間差異不顯著，與混合接種差異顯著。3種處理菌根依賴性為弱依賴，各處理間差異不顯著。不同養分喀斯特土壤生境下，Fm均促進任豆根系生物量累積，貧瘠土壤上累積效應更大，Mi處理在低養分土壤生境下根系生物量累積效應介于單接種之間，Ri在養分較高喀斯特土壤生境下對根系生物量累積效應大(圖2和圖3)。

2.3 任豆根系總根長

任豆根系總根長在土壤處理和接種處理之間交互作用極顯著(P<0.001)，不同養分土壤處理差異顯著(P<0.05)，不同接種處理差異極顯著(P<0.001)(表2)。貧瘠喀斯特土壤，Fm和Mi處理總根長提高分別233.91%和44.64%，Ri處理總根長降低46.67%，Fm顯著促進任豆總根長生長，Mi和Ri對總根長影響不顯著；養分較高喀斯特土壤接種處理任豆根系總根長均高于對照，Fm、Mi和Ri處理分別提高28.51%、39.79%和57.30%，單接種間差異顯著，單接種與Mi處理差異不顯著。Fm在養分貧瘠喀斯特土壤上顯著提高任豆根系總根長，不同土壤不同接種處理達到顯著差異水平，Ri在養分較高喀斯特土壤生境下顯著促進任豆根系總根長增加(圖4)。

圖3 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗菌根依賴性Fig.3 Mycorrhizal dependency of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

圖4 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗總根長Fig.4 Total root length of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

2.4 任豆總根表面積

任豆總根表面積在土壤處理和接種處理之間交互作用極顯著(P<0.001)，不同養分土壤處理差異顯著(P<0.05)，不同接種處理差異極顯著(P<0.001)(表2)。貧瘠喀斯特土壤Fm和Mi處理總根表面積較CK分別擴大258.99%和70.22%，Ri總根表面積降低42.70%，Fm和Mi與CK差異顯著，Ri與CK差異不顯著；養分較高喀斯特土壤接種任豆總根表面積均獲得提高，Fm、Mi和Ri處理分別提高50.79%、38.89%和66.27%，單接種間差異不顯著，Fm與Mi差異不顯著，Ri與Mi差異顯著。Fm在貧瘠喀斯特土壤上顯著擴大任豆總根表面積，不同土壤不同菌種處理差異顯著，Ri在養分較高喀斯特土壤生境下顯著促進任豆總根表面積增加(圖5)。

2.5 任豆總根體積

任豆總根體積在土壤處理和接種處理之間交互作用極顯著(P<0.001)(表2)。貧瘠喀斯特土壤，Fm和Mi處理總根體積分別提高292.04%和101.99%，與CK差異顯著，Ri處理任豆總根體積降低39.30%，與CK差異不顯著；滇柏林下土壤接種處理任豆總根體積均獲得提高，Fm、Mi和Ri處理總根體積分別提高76.37%、36.99%和75.68%，單接種間差異不顯著，單接種與混合接種差異顯著。Fm在貧瘠喀斯特土壤上顯著擴大任豆總根體積，不同土壤不同菌種處理差異顯著，Ri在養分較高喀斯特土壤生境下顯著促進任豆總根體積增加(圖6)。

圖5 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗總根表面積Fig.5 Total root surface area of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

圖6 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗總根體積Fig.6 Total root volumes of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

2.6 任豆根系平均直徑

任豆根系平均直徑在土壤處理和接種處理之間交互作用顯著(P<0.05)(表2)。貧瘠喀斯特土壤，Fm、Ri和Mi處理根系平均直徑分別提高9.29%、6.14%和23.64%，單接種與CK差異不顯著，Mi處理與CK差異顯著；滇柏林下土壤，Fm、Ri和Mi處理根系平均直徑分別提高20.71%、8.63%和1.29%，單接種與CK差異顯著，Mi與CK差異不顯著。Mi在養分貧瘠喀斯特土壤上具有最高根系平均直徑，Fm和Ri在不同養分喀斯特土壤上對任豆根系平均直徑的促進作用沒有顯著差異(圖7)。

圖7 不同喀斯特土壤不同接種處理任豆幼苗根系 平均直徑Fig.7 Average root diameters of Zenia insignis seedlings at different inoculations in different karst soils

3 討論

3.1 接種處理對任豆根系生物量影響

叢枝菌根真菌對植物顯著效應表現在促進植物生長，特別是在低磷條件下接種效果更顯著。AMF促進植物生長不僅表現在正常生態環境條件下，逆境條件下也具有顯著效果[22-23]。本試驗中，喀斯特土壤無論養分高低，任豆根系均受到AMF侵染，說明摩西球囊霉和根內球囊霉均可與任豆形成內生菌根，相同菌屬不同菌株之間侵染效果不同。養分脅迫，摩西球囊霉具有最大侵染率、最強菌根依賴性，顯著促進任豆地下生物量提高，而根內球囊霉促生效應不顯著，混合接種促生效應介于單接種之間。養分較高喀斯特土壤，接種處理均促進任豆根系生物量提高，Fm和Mi處理提高效應低于貧瘠土壤處理，Ri處理促生效應提高。

菌根植物通常比非菌根植物生長快速且更茂盛，肥力低土壤上更顯著。土壤高濃度磷降低了葉片組織中Zn含量和菌根活性，高含量有機質、銨態氮降低了菌根侵染率[24]，從而使AMF在肥力較高土壤上促生效果與貧瘠土壤上表現不同。低養分土壤上摩西球囊霉促使任豆地下生物量顯著提高，可能為了適應低養分環境，摩西球囊霉具有增強根系覓食養分能力。低養分條件下，植物為尋求礦質養分，根系發育增強、伸長，通過對根冠比增加與根軸增長的方式改變自身根系形態和根系構型，增強對低養分環境適應[25]，摩西球囊霉促生效應好，可作為喀斯特石山地區任豆接種的優勢菌種，這與姜英等[26]、宋鳳鳴等[18]研究結果一致。

3.2 接種處理對任豆根系構型影響

AMF能改變宿主植物根系形態和生理特性，進而影響植物對礦質養分和水分吸收[27]。接種改變根系結構，促進根系發育，誘發生根，增加根系數量[21]。養分和水分脅迫下，植物通過提高細根量，比根長(單位重量的根長)、根冠比、根毛長度來適應環境，從而使植物對菌根依賴性增強[16]。本試驗，摩西球囊霉在養分脅迫下顯著促進任豆總根長、總根表面積、總根體積增加，這與前人對枳苗[7,28]、高粱苗[11]、土沉香[29]、翅果油樹[30]、草莓[31]接種摩西球囊霉顯著提高根系長度、根表面積和根體積的研究結果一致。養分較高喀斯特土壤，摩西球囊霉促進根系總根長、總根表面積、總根體積、平均根系直徑提高，但提高效應低。Ri在不同喀斯特養分生境下對根系構型影響效應不同，養分脅迫下降低任豆總根長、總根表面積、總根體積，養分較高土壤生境下，Ri顯著促進任豆總根長、總根表面積、總根體積、平均根系直徑提高。養分脅迫，單接種沒有顯著增加根系平均直徑，混合接種顯著促進根系平均直徑提高。土壤中礦質養分含量低會增加根系長度，降低根系平均直徑[32]，摩西球囊霉對根系平均直徑影響與對照無顯著差異，這與Wu等[7]研究枳(Poncirustrifoliate)接種AMF沒有提高平均根系直徑結論類似。養分較高喀斯特土壤，單接種顯著促進根系直徑提高，混合接種根系直徑與對照差異不顯著。養分脅迫下Mi處理對任豆根系構型影響介于單接種之間(除根系平均直徑最高)。

3.3 接種處理對任豆根系促生效應機制

AMF種類對植物生長增強、促生效應不同[7]，叢枝菌根改善根系構型依賴寄主植物和AM真菌兩者的兼容性[20]。Ri對垂穗披堿草(Elymusnutans)地下生物量、根長具有顯著促進效應[33]，川梨(Pyruspashia)接種Ri對根系生長促進效應顯著高于Fm[34]，高養分基質上Ri與桑樹共生顯著促進根系表面積和總根長增加，與貧瘠養分基質達到顯著差異水平[35]，本試驗中，Ri在養分較高喀斯特土壤上與任豆共生具有良好的兼容性，從而改善根系構型。不同菌根真菌具有不同生態功能，菌絲生長模式、分支頻率差異導致菌絲不同的營養策略和對土壤中不同生態位反應，而土壤物理性質及化學性質(顆粒表面積、體積、溫濕度、酸堿性以及有機配體、養分濃度)也會影響AMF與植物共生進程，植物和AMF共生體對不同類型養分基質響應不同，具有不同菌根效應[36]，從而造成AMF真菌在不同養分基質上對同一宿主植物促生效應不同。AMF與宿主具有一定偏好選擇性，同樣對不同養分基質也具有一定選擇性，因此對于不同養分喀斯特土壤，選擇合適的AM菌種與適生植物共生，AMF- 養分基質-宿主三者共生體系養分協調分配利益最大化才能獲得最高促生效應，才能顯著促進貧瘠喀斯特土壤生境上植被定植、恢復。

4 結論

本試驗結果表明任豆根系能與AMF真菌形成侵染結構，低養分條件下，接種摩西球囊霉和混合接種任豆具有高侵染率和強菌根依賴性。不同菌種在不同養分喀斯特土壤上對任豆根系構型促生作用不同，貧瘠喀斯特土壤上，摩西球囊霉顯著促進任豆根系生物量累積，促進根系形態向有益于覓食養分方向轉變。根內球囊霉對任豆生長促進作用不顯著，混合接種介于單接種之間；養分較高喀斯特土壤上，摩西球囊霉對根系促生作用降低，Ri表現出較強的促生效應，促進任豆根系生物量、總根長、總根表面積、總根體積、平均根系直徑提高。摩西球囊霉可作為貧瘠喀斯特土壤植被恢復優勢菌種，利用菌根生物技術有助于促進喀斯特地區植被恢復。