外生菌根真菌對薄殼山核桃幼苗生長的影響

張仕杰 陳鑫林 陳 于 白曉倩 趙玉強 王 武 朱燦燦* 陸小美

（1江蘇省中國科學院植物研究所，江蘇南京 210014；2常州果美農業(yè)科技有限公司，江蘇常州 213245）

薄殼山核桃（Carya illinoinensis（Wangehn.） K.Koch）為胡桃科山核桃屬植物，原產(chǎn)美國和墨西哥，是世界上重要的油料干果樹種之一，極具經(jīng)濟價值和開發(fā)潛力[1]。目前，我國已在江蘇、安徽、浙江、云南等省大面積推廣種植薄殼山核桃[2]。隨著薄殼山核桃種植面積的不斷增加，種植園肥水管理等技術滯后，出現(xiàn)了果園低產(chǎn)、經(jīng)濟效益差等制約薄殼山核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[3]。從高效、環(huán)保、節(jié)約成本的角度出發(fā)實施科學合理施肥，提高肥料利用效率，促進薄殼山核桃快速生長，提高產(chǎn)量，是目前薄殼山核桃生產(chǎn)亟待解決的問題[4]。利用促進植物營養(yǎng)高效吸收的微生物進行生物施肥，是改善過量施肥造成的土壤環(huán)境惡化問題的最可行途徑，也是現(xiàn)代農業(yè)科技研究領域的熱點[5]。

薄殼山核桃可與多種外生菌根真菌形成共生關系[6]。菌根是普遍存在于植物根系和土壤真菌之間的互惠共生體，兩者在長期共生過程中互利共生、協(xié)同進化[7]。菌根共生的最普遍類別之一是外生菌根，外生菌根真菌在增強樹木根系對水分及氮、磷等礦質元素的吸收、改良土壤結構、提高抗逆性和生產(chǎn)力等方面具有重要作用[8]。

有研究表明，外生菌根真菌接種結合氮磷鉀施肥有利于薄殼山核桃樹體生長以及薄殼山核桃結實率的提高[9]。通過對感染腐霉菌根腐病的薄殼山核桃根部接種大孢硬皮馬勃菌，發(fā)現(xiàn)根部腐霉菌數(shù)量明顯減少[10]。因此，外生菌根在促進薄殼山核桃生長發(fā)育和提高抗逆性方面具有重要作用。目前，外生菌根真菌對薄殼山桃生長的影響研究仍存在較大不足。因此，本研究以薄殼山核桃實生苗為試驗對象，探討外生菌根真菌接種對薄殼山核桃幼苗生長的影響，以期為利用外生菌根真菌提高薄殼山核桃生長樹勢、促進薄殼山核桃增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

薄殼山核桃波尼品種的種子經(jīng)萌發(fā)、生長至子葉期（苗齡45 d）移入根箱進行外生菌根真菌接種。接種方法參考Zhang等[11]的方法，即將薄殼山核桃幼苗移栽于根際盒中，然后將新鮮并具活力的菌絲塊（2cm×2cm）貼于薄殼山核桃幼苗根系進行接種培養(yǎng)。對照苗用無菌瓊脂塊代替。所有幼苗均在氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（16 h，25℃光照培養(yǎng)；8 h，23℃黑暗培養(yǎng)）。

供試外生菌根菌株為本實驗室保存的外生菌根真菌土生空團菌（Cenococcum geophilum，Cg）和豆馬勃屬（Pisolithus sp.，PS）。外生菌根真菌菌絲保存在MMN培養(yǎng)基中[11]，25℃黑暗培養(yǎng)。

1.2 試驗設計

薄殼山核桃外生菌根苗（成功接種菌種Cg和PS，3個月苗齡）以及對照苗（3個月苗齡）被用于后續(xù)試驗。采用盆栽試驗（盆高16 cm，直徑18 cm），設置未接種的對照組和接種外生菌根真菌Cg和PS的處理組。每盆移栽1株苗，各處理分別重復3盆。培養(yǎng)基質（蛭石和珍珠巖的混合物、田園土壤、草炭按3∶2∶1混合，每盆 1 200 g）經(jīng)過高壓滅菌（121 ℃，180 min）。盆栽苗培養(yǎng)在半封閉避雨設施場地內，每隔3～4 d用自來水澆灌1次（達到田間最大持水量）。植株經(jīng)6個月生長后測定光合指標，然后收獲，分別測定薄殼山核桃幼苗葉片含水率，地上莖、干樣重量，地下菌根侵染率和根系的干樣重量。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 光合指標。利用LI-6800光合-熒光測量系統(tǒng)（美國LI-COR公司），于幼苗收獲前的晴朗天氣，分別測定對照區(qū)和菌根處理區(qū)植株的光合性能參數(shù)，測定環(huán)境為試驗基地自然環(huán)境，選擇熒光葉室（葉室面積 2×3 cm2），氣體流速為 500 μmol/s，濕度控制為55%，采用CO2鋼瓶將CO2濃度控制為400μmol/mol，測定葉室溫度控制為28℃，測定光照度設置為1 500 μmol/（m2·s）。 測定時間為上午 8：30—11：30。每株幼苗選擇長勢良好且具有代表性的葉片3片進行測定，然后求其平均值。測定參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間 CO2濃度（Ci）及氣孔導度（Gsw）。

參考陳雅琦等[12]的公式計算氣孔限制值（Ls），計算公式如下：

式中，Ca為大氣CO2濃度，本研究CO2濃度控制為 400 μmol/mol。

參考鄒英武等[13]的公式計算水分利用率（WUE）。計算公式如下：

1.3.2 地上生物量。將收獲的薄殼山核桃幼苗地上部和地下部分開，待地上部葉片鮮重測定后，將地上莖葉放入烘箱（60℃），干燥48 h后測定干重。葉片含水率計算公式如下：

葉片含水率（%）=（葉片鮮重-葉片干重）/葉片鮮重×100

1.3.3 地下生物量。分別隨機選取對照和外生菌根真菌侵染苗的10條側根，在體式顯微鏡下（光學顯微鏡LIOO SZ850）進行菌根的觀察計數(shù)（平均計數(shù)根尖1 200個左右）。菌根計數(shù)觀察后，將地下根系60℃干燥48 h后確定地下根系干重。菌根侵染率計算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 365和R 4.0.2（Window 10 64位）對數(shù)據(jù)進行處理分析，采用配對t檢驗法進行差異顯著性（P<0.05）檢驗，P值采用Benjamini-Hochberg法進行矯正。采用GraphPad Prism 8繪制柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 接種外生菌根真菌對薄殼山核桃光合作用的影響

由表1可知，與對照相比，接種外生菌根處理的薄殼山核桃幼苗凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gsw）均顯著提高（P<0.05），但胞間 CO2濃度（Ci）無顯著差異。 水分利用效率（WUE）方面，雖然在數(shù)值上高于對照，但沒有統(tǒng)計學差異，氣孔限制值（Ls）在數(shù)值上雖然低于對照，但也無統(tǒng)計學差異。

表1 不同處理薄殼山核桃幼苗光合特性參數(shù)

2.2 接種外生菌根真菌對薄殼山核桃幼苗生物量的影響

由圖1可知，相較于對照，接種外生菌根處理可顯著提高薄殼山核桃幼苗的地上莖葉干重和葉片含水率。其中，Cg接種處理地下根系干重和植株地徑也顯著高于對照和PS接種處理（P<0.05）。由圖2可知，PS接種處理根冠比顯著低于Cg接種處理和對照。由此說明，不同外生菌根真菌對根系生長的影響存在差異。

2.3 不同菌種菌根侵染率

顯微鏡下檢測顯示，所有未接種的對照盆中均沒有發(fā)現(xiàn)菌根。接種處理的根系均觀察到典型的外生菌根外觀形態(tài)結構。PS接種處理菌根侵染率（65.5%）顯著高于Cg接種處理菌根侵染率（28.1%）（P<0.05）。通過觀察發(fā)現(xiàn)，PS接種處理菌根主要形成于幼嫩新根處，并且附著大量的根外菌絲以及菌索；Cg接種處理菌根主要形成于老根處，根外菌絲呈頭發(fā)狀稀疏發(fā)散，但沒有PS接種處理豐富。

3 結論與討論

薄殼山核桃是重要的經(jīng)濟林樹種，也是典型的外生菌根真菌共生樹種[6]。菌根真菌是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的功能菌群之一，外生菌根真菌在森林生態(tài)系統(tǒng)中分布極其廣泛，它們可通過促進宿主植物對土壤礦質營養(yǎng)元素和水分等的吸收來促進宿主植物生長發(fā)育，同時提高植物抗旱、抗鹽脅迫的能力[7，14]。本研究通過在薄殼山核桃幼苗根系上接種外生菌根真菌，結果表明，外生菌根真菌對薄殼山核桃幼苗生長有不同程度的促進作用，這和外生菌根真菌在其他樹種上的研究結果一致[11，15]。但何種菌根真菌與薄殼山核桃是最佳組合，以及最優(yōu)外生菌根真菌的篩選還有待進一步試驗研究。本試驗結果表明，菌根侵染率較低的Cg接種處理反而可顯著提高宿主薄殼山核桃幼苗地上生物量，地下根系生物量也顯著高于對照苗和PS接種苗，表明不同外生菌根真菌菌種的促生特性存在差異。外生菌根植物的資源交換被認為發(fā)生在菌體與植物的界面上，而資源交換是促使菌根植物生長的主要原因。但一些研究結果表明，越來越多這種強化植物生長，特別是根系生長的促進，可能與根系定植率無關。Szuba等[16]研究表明，盡管根定植率很低（2.1%±0.3%），外生菌根真菌卷緣樁菇（Paxillus involutus）仍顯著促進了白楊（Populus×canescens）的生長。不同外生菌根真菌為宿主提供營養(yǎng)的能力可能會有所不同，目前已經(jīng)明確外生菌根真菌在吸收氮和磷的能力上有很大差異[17]。外生菌根的功能多樣性及其深層次的作用機制還有待進一步研究。深入研究不同菌種對薄殼山核桃生長發(fā)育的影響及其作用機制，將會成為后續(xù)薄殼山核桃菌根研究的一個重要方向，也為利用外生菌根真菌促進薄殼山核桃產(chǎn)業(yè)綠色生態(tài)優(yōu)質發(fā)展提供理論依據(jù)。