鹽脅迫對AMF介導下兩種荒漠植物生長和生理特性的影響

王海鷗, 麥格皮熱提古麗·達吾提, 高文禮, 陳曉楠,伊力努爾·艾力, 馬曉東*

(1.新疆師范大學生命科學學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆特殊環境物種保護與調控生物學實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054;3.平原縣綜合行政執法局, 山東 德州 253100)

塔里木河下游光照強烈,降水量少,土壤含鹽量高,形成大面積的鹽漬化土地,導致該區植被嚴重退化[1]。多枝檉柳(Tamarixramosissima)是檉柳科(Tamaricaceae)檉柳屬(Tamarix)植物,具有耐干旱、耐鹽堿、耐沙埋和廣泛的生態適應性,為塔里木河下游荒漠河岸林灌木層建群種之一[2]。疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)是豆科(Leguminosae),駱駝刺屬(Alhagi)多年生草本植物,作為塔里木盆地南緣的優勢草本,分布范圍廣,有發達的根系,具有防風固沙的特性[3]。二者常常相伴而生,共同維護荒漠河岸林的生態安全。然而,鹽脅迫嚴重限制多枝檉柳和疏葉駱駝刺幼苗的生長,導致二者實生幼苗更新受阻。為此,積極探究疏葉駱駝刺和多枝檉柳幼苗在鹽脅迫下的生存策略,對荒漠河岸林植被恢復具有重要意義。

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一種古老的共生微生物,能夠與世界上90%左右的植物建立互惠共生關系[4]。AMF廣泛存在于鹽漬土壤周圍,通過多種機制提高宿主植物的耐鹽性,如促進植物對水分的吸收[5],提高光合能力[6],增強植物的抗氧化能力[7]。研究表明,與未接種植物相比,鹽脅迫下接種AMF會提高植物體內的SOD,POD和CAT活性,這說明鹽脅迫下AMF與宿主植物的共生在激活抗氧化酶活性方面具有促進作用[8-9]。此外,由于大多數叢枝菌根真菌缺乏宿主特異性,其一部分侵入宿主植物根系內細胞形成泡囊和叢枝,另一部分不斷向外延伸,再次侵染其他植物根系而形成叢枝菌根網絡(Arbuscular mycorrhizal network,AMN)[10],介導植物之間氮、磷等礦質營養元素的轉移[11-12],促進植物生長。研究表明,不同菌絲傳遞距離可使菌絲介導下供受體植物中菌根定殖情況產生差異[13]。

目前,有關AMF對荒漠植物抗逆性研究主要集中在單一植物上[14-16],不同植物在菌絲介導尤其是不同傳輸距離影響下生長生理特性的變化鮮有報道。疏葉駱駝刺和多枝檉柳不僅是塔里木盆地南緣的綠洲—荒漠過渡帶上所形成的優勢植物群落,還是關鍵的菌根植物,前者的侵染率高達97%[17]。與此同時,作為豆科植物,疏葉駱駝刺能夠通過生物固氮的方式,將空氣中的氮轉化到植物體內,促進植物生長[18]。因此,本研究以疏葉駱駝刺為供體植物,多枝檉柳為受體植物,通過盆栽試驗設計不同梯度的鹽濃度水平和不同的菌絲傳遞距離處理,分析在菌絲介導下多枝檉柳和疏葉駱駝刺生長和生理特性的變化,探究兩種植物幼苗期的生存策略,以期為荒漠植物的耐鹽機制的揭示和塔里木河下游生態恢復與重建提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試疏葉駱駝刺和多枝檉柳種子及河沙均采集于塔里木河下游。河沙過2 mm篩去除雜質后,與蛭石按體積比3∶1混合均勻,在110℃,0.14 Mpa下連續濕熱滅菌1 h備用。供試AM真菌為摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae,BGC XJ01),購于北京市農林科學院植物營養與資源研究所。

1.2 試驗設計

試驗裝置如圖1所示,將兩個PVC三通管中間用PVC管道相連,連接部分的管道兩端均固定住孔徑為20 μm的尼龍網(20 μm尼龍網允許根外菌絲通過,而阻止根系通過),其中左面為供體室并作接種處理,右面為受體室,供體室和受體室間為尼龍網隔開的土隔。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗設2個接種處理,即接菌組(M)和滅菌組(NM);3個NaCl水平,0(對照,S0),0.4%(S1,低鹽脅迫,),0.8%(高鹽脅迫,S2);2個菌絲傳遞距離處理,15 cm土隔(短距離,L1)和30 cm土隔(長距離,L2),每個處理重復3次。其中15 cm土隔處理下未接種AMF(菌根未定殖)、15 cm土隔處理下接種AMF(菌根定殖)、30 cm土隔處理下未接種AMF(菌根未定殖)、30 cm土隔處理下接種AMF(菌根定殖)分別用L1-NM,L1-M,L2-NM,L2-M表示。選取飽滿,大小一致的多枝檉柳和疏葉駱駝刺種子播種于塑料盤中,待幼苗萌發30天后,將幼苗移至實驗裝置中,其中疏葉駱駝刺幼苗移至供體室,多枝檉柳幼苗移至受體室,每分室保留3株健康、長勢一致的幼苗。移苗的同時進行接種處理,方法如下:僅在接菌處理組供體室中距離土壤表層10 cm處均勻地接種25 g菌劑,不接菌處理組供體室加入25 g滅菌的菌種。幼苗培養30天后進行鹽脅迫處理,為避免對幼苗造成滲透休克,每隔三天加一次鹽溶液,每次按照0.2%的梯度遞增,直到達到預定的鹽度水平,期間為防止鹽份流失保持鹽濃度,每個裝置下邊放一個托盤,如有滲漏,將滲出鹽溶液倒回試驗裝置中。鹽脅迫40天后進行采樣,測定相關指標。

1.3 測定指標與方法

1.3.1AMF侵染率測定 取直徑為(小于等于)2 mm的新鮮細根,剪成長度1～2 mm的根段,對其進行固定、堿解離、酸化和染色等處理后,制成裝片在顯微鏡下觀察。根據網格交叉法計算菌根侵染率,計算公式如下:

1.3.2生長指標的測定 采用直接測量法,在鹽脅迫處理的前一天和第40天測量用卷尺和游標卡尺分別測量不同處理組幼苗的株高和基徑,計算相對株高增長率和相對基徑增長率,公式如下:

1.3.3葉綠素含量的測定 采用乙醇丙酮法,選取植株自上到下第3～5片葉進行葉綠素含量的測定。

1.3.4葉綠素熒光參數的測定 使用Junior-Pam便攜式調制葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數,對幼苗進行暗處理30 min后,選取幼苗由上至下的第3～5片葉,測定其初始熒光(Fo),最大熒光(Fm) 和PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)。

1.3.5生理指標的測定 超氧化物酶(Superoxide dismutase,SOD) 活性采用羥胺法測定,過氧化物酶(Peroxisome,POD) 活性采用愈創木酚法測定,過氧化氫酶(Catalase,CAT) 活性采用鉬酸銨法測定,丙二醛(Malondialdehyde,MDA) 含量采用硫代巴比妥酸法測定,脯氨酸(Proline,Pro) 含量采用磺基水楊酸法測定,可溶性糖(Soluble sugar,SS)含量采用蒽酮比色法測定。

1.4 數據處理

本研究采用Microsoft office 2019進行數據整理,使用SPSS26.0統計軟件分析,多重比較采用Duncan法(P<0.05),用Origin2021軟件作圖。數據均用平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對植物AMF侵染率的影響

本研究中在未接種處理組中均未發現有菌根侵染的情況,而在接菌處理組的供、受體植物中觀察到有菌絲、泡囊等典型的菌根結構(圖2),說明AMF接種效果良好且在供、受體植物間形成了菌絲網絡。

圖2 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,B)和受體植物(C,D)幼苗根系的侵染效果

如圖3所示,供體植物在同一鹽水平下的菌根侵染率均無顯著差異,但在低鹽(S1)和高鹽(S2)水平下,受體植物在L2-M處理下的侵染率比L1-M處理分別顯著降低46.00%和64.29%(P<0.05)。此外,隨著鹽濃度的升高,各處理供、受體植物的侵染率均逐漸下降。由此可知,鹽脅迫會降低菌根在供、受體植物中的侵染率,且受體植物在遠距離處理下的侵染率均低于近距離,尤其是高鹽脅迫下最為明顯。

圖3 鹽脅迫對供體植物(A)和受體植物(B)AMF侵染率的影響

2.2 鹽脅迫下AMF對植物表觀生長的影響

由圖4所示,隨著鹽濃度的升高,各處理供、受體植物的株高和基徑相對增長率均呈下降趨勢,接種AMF均能夠顯著提高各處理下供體植物的株高和基徑相對增長率(P<0.05)。對受體植物來說,接種AMF能顯著提高其在S0和S1水平下各處理的株高和基徑相對增長率(P<0.05);但在S2水平下,與未接菌組相比,接種AMF對各處理下受體植物的株高和基徑相對增長率分別為增加10.76%,-1.73%,20%和0%,小于其他各鹽水平處理。由此可知,接種AMF能夠促進鹽脅迫下供、受體植物的生長,但在高鹽脅迫下,對受體植物生長的促進作用不大。

圖4 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,C)和受體植物(B,D)表觀生長的影響

2.3 鹽脅迫下AMF對植物葉綠素含量的影響

如圖5所示,隨著鹽濃度的升高,各處理供、受體植物的葉綠素a,b和葉綠素總含量逐漸下降,接種AMF均能顯著提高供體植物在各處理下的葉綠素a,b和葉綠素總含量。受體植物中,在S0和S1水平下,除對S1+L2處理的葉綠素b含量無明顯促進作用,其他各處理接種AMF均能顯著提高葉綠素a,b和葉綠素總含量(P<0.05)。但在S2水平L2處理下,相較于對照組,接種AMF后受體植物葉綠素a,b和葉綠素總含量分別降低1.39%,3.15%和7.40%。由此可知,接種AMF能夠顯著促進各處理供體植物葉綠素含量的增加,但對高鹽脅迫長距離處理下的受體植物并不能起到同樣的促進作用。

圖5 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,C,E)和受體植物(B,D,F)葉片葉綠素含量的影響

2.4 鹽脅迫下AMF對植物葉綠素熒光參數的影響

由圖6可知,隨著鹽濃度的升高,供、受體植物的Fo值呈逐漸上升的趨勢,而Fm和Fv/Fm值則呈降低趨勢。接種AMF均能降低供體植物的Fo值,但與對照組相比差異不顯著,且各處理下Fm和Fv/Fm值均得到提高;對受體植物來說,接種AMF后,在S1水平兩種菌絲傳遞距離處理下的Fo,Fm和Fv/Fm值差異不顯著,但在S2水平下,與對照組相比,L2處理下的Fo增加2.39%,Fm降低1.67%以及Fv/Fm值增加0%,沒有產生促進作用。由此可知,菌根定殖均能夠從不同程度上降低供、受體植物的Fo值并提高Fm及Fv/Fm值,提高植物的光合能力;在低鹽脅迫下,受體植物在不同距離處理下的葉綠素熒光參數無明顯差異,但在高鹽脅迫下,接種AMF對長距離處理下受體植物的葉綠素熒光參數無促進作用。

圖6 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,C,E)和受體植物(B,D,F)葉片葉綠素熒光參數的影響

2.5 鹽脅迫下AMF對植物MDA含量和抗氧化酶活性的影響

由圖7可知,隨著鹽濃度的增加,各處理供、受體植物的MDA含量逐漸增加,SOD,POD,CAT活性先上升后下降,但均高于對照組。接種AMF均能顯著降低所有鹽水平下供體植物的MDA含量,提高SOD,POD和CAT活性(P<0.05);菌根化受體植物中,其中在S1水平下,兩種菌絲傳遞距離處理下的MDA含量和抗氧化酶活性均差異不顯著。在S2水平下,L1處理的MDA含量比L2處理顯著降低12.62%(P<0.05),SOD,POD和CAT活性則分別顯著升高8.20%,25.08%和24.98%(P<0.05),且對L2處理下的MDA含量和抗氧化酶活性無促進作用。由此可知,接種AMF均能降低鹽脅迫下供體植物的MDA含量并提高抗氧化酶活性,其中低鹽脅迫下不同距離處理受體間MDA含量和抗氧化酶活性無明顯差異,但在高鹽脅迫下,接種AMF對長距離處理下受體植物的MDA含量和抗氧化酶活性無促進作用。

圖7 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,C,E,G)和受體植物(B,D,F,H)MDA含量和抗氧化酶活性的影響

2.6 鹽脅迫下AMF對植物滲透調節物質的影響

由圖8可知,供、受體植物可溶性糖和脯氨酸含量隨著鹽濃度的增加呈現先升高后降低的趨勢。在所有鹽水平下,接種AMF均顯著增加供體植物可溶性糖和脯氨酸含量(P<0.05);在S1水平下,接種AMF能夠顯著促進受體植物可溶性糖和脯氨酸含量的增加,且L1處理和L2處理下的中可溶性糖和脯氨酸含量差異不顯著,但在S2水平下L2處理的可溶性糖和脯氨酸含量分別比L1處理顯著降低10.15%和39.89%(P<0.05)。由此可知,隨著鹽濃度的升高,接種AMF能夠顯著促進各處理供體植物可溶性糖和脯氨酸含量的積累,在低鹽脅迫下,兩種距離處理下受體植物的可溶性糖和脯氨酸含量差異不顯著,但在高鹽脅迫長距離處理下,菌根定殖對受體植物中滲透調節物質的積累無促進作用。

圖8 鹽脅迫下AMF對供體植物(A,C)和受體植物(B,D)滲透調節物質含量的影響

3 討論

AMF侵染率能夠直接反映菌根的形成和叢枝菌根真菌與宿主植物之間的親和力[19]。本研究中接菌組供、受體植物的侵染率處于10.00%～84.33%,說明AMF與供、受體植物建立了良好的共生關系。鹽脅迫降低了AMF在供、受體植物中的侵染率,這與Christian等[20]研究結果相近,說明鹽脅迫對AMF孢子萌發和菌絲生長產生不利影響,導致其在植物根部的侵染率降低。此外,對于受體植物而言,與長距離相比,較短的菌絲傳遞距離更有利于菌絲的傳遞和AMF的侵染,表明在相同處理下,供、受體植物之間的距離是限制菌根侵染的重要因素。AMF促進了供、受體幼苗的生長,增加了供、受體植物的株高和基徑相對增長率,這與前者的研究結果一致[21]。但在S2水平下,與未接菌組相比,AMF對受體植物的株高和基徑相對增長率的促進作用遠小于低鹽脅迫,這可能是因為高鹽脅迫不僅會對受體植物產生嚴重傷害,還降低了AMF在受體植物中的侵染率,使得菌絲生長被抑制,進而限制了菌絲對水分和營養物質的吸收[22],導致AMF對受體植物株高和基徑的生長無明顯促進作用。

葉綠素作為光合作用主要色素,其含量高低是衡量植物光合作用強弱的重要因素之一[23-24]。接種AMF對各鹽水平下供、受體植物葉綠素含量均有提高,這與以往的研究結果相近[1],說明AMF可以通過增加光合色素含量減輕鹽脅迫對植物的傷害。而在高鹽脅迫下,與對照組相比,菌根定殖對長距離處理下受體植物的葉綠素a,b含量無促進作用,這可能是高鹽脅迫使得AMF和受體植物葉綠體結構和功能遭到嚴重破壞,葉綠素降解酶活性增強,降解了葉綠素,即使接種AMF也不能得到恢復的緣故[25]。葉綠素熒光參數作為光合作用的探針,能夠反映其過程的變化[26]。正常環境下的Fv/Fm值通常在0.7～0.8之間,但植物受到鹽脅迫會造成Fo值升高,Fm值下降,進而導致Fv/Fm值下降[27]。本研究中,接菌組中的受體植物在低鹽脅迫兩種距離處理下的Fo值均下降,Fm和Fv/Fm值均升高,且無明顯差異[28],但在高鹽脅迫長距離處理下,菌根定殖并不能緩解鹽脅迫導致的受體植物Fo值的升高和Fm,Fv/Fm值的下降,其原因可能與葉綠素合成的減少影響了受體植物光合作用的正常進行,使得光能利用效率降低有關。

鹽脅迫下植物體內活性氧的過度積累會導致氧化損傷,MDA作為膜脂質過氧化的主要產物能夠破壞生物膜的結構與功能[29]。為了清除活性氧,植物會憑借體內的抗氧化酶和抗氧化劑,減輕鹽脅迫對其造成的傷害[30]。本研究中,接種AMF能降低低鹽脅迫下受體植物中MDA含量,提高SOD,POD和CAT活性,這與Wang等[31]對皂莢(Gleditsiasinensis)的研究結果一致,且兩種菌絲傳遞距離處理下MDA含量和抗氧化酶活性能夠達到同等程度的促進作用,這一方面可能因為多枝檉柳作為泌鹽植物,自身就具有比較強的耐鹽能力;另一方面也說明在低鹽脅下,AMF能夠促進植物積累更多的抗氧化酶,其中SOD將超氧化物代謝為H2O2,保護植物細胞免受損傷,產生的H2O2又能被CAT和POD代謝為H2O和O2,在提高受體植物的抗氧化能力方面發揮極大的促進作用。而在高鹽水平下AMF對L2處理下受體植物的促進作用遠遠小于L1處理,這可能是因為,高濃度鹽脅迫使受體植物細胞內膜系統和AMF均受到嚴重損傷,即使接種AMF也并未產生促進作用。另外,為了抵抗鹽脅迫帶來的滲透脅迫,植物會通過積累滲調節物質,如脯氨酸和可溶性糖,增強滲透調節,以保證生理功能的正常行使[32-33]。本研究中,接種AMF能夠提高低鹽脅迫各處理下受體植物的可溶性糖和脯氨酸含量,維持幼苗體內的滲透平衡,這與朱天奇等[33]研究結果相近。但在高鹽脅迫下,菌根定殖對L2處理下的受體植物滲透調節物質含量基本無促進作用。這說明,在高鹽脅迫長距離處理下,由于受體植物自身遭到不可逆的鹽害作用,加之菌絲的傳遞和生長被抑制,導致AMF并不能對受體植物的滲透調節能力起到促進作用。

在野外自然環境中,多枝檉柳與疏葉駱駝刺的生長周期存在差異[34]。疏葉駱駝刺作為草本植物,生長速率較快、周期短,多枝檉柳則與之相反。本研究中供體植物接種AMF后,AMF會與供體植物疏葉駱駝刺幼苗根系形成共生關系,促進其生長發育。此外,AMF還會和疏葉駱駝刺根部的根瘤菌產生協同作用,對疏葉駱駝刺幼苗生長和AMF在其根部的侵染率均產生促進作用[35]。與此同時,根外菌絲會不斷向外延伸,進一步侵染植物多枝檉柳幼苗根系,并通過菌絲網絡,向其運輸水分和養分,促進多枝檉柳幼苗期的形態建成。而當多枝檉柳幼苗建成后,可能還會通過發達的菌絲網絡,促進周圍疏葉駱駝刺的生長。本試驗表明,接種AMF不僅會提高供體植物幼苗的存活率,還會通過菌絲網絡與周圍植物相互聯系,對維持塔里木河下游荒漠植物多樣性具有重要意義。本研究僅從生長和部分生理指標上初步探討了接種AMF對不同菌絲傳遞距離下疏葉駱駝刺和多枝檉柳幼苗耐鹽性的影響,但供、受體之間如何傳遞養分及其機制還不清楚,仍需展開進一步研究。

4 結論

接種AMF不僅能夠促進供體植物生長,還能夠通過AMN緩解鹽脅迫對受體植物的傷害。其中,低鹽脅迫長距離處理下,菌根定殖主要通過降低Fo值和MDA含量,提高Fm和Fv/Fm值、抗氧化酶活性及滲透調節物質含量來緩解鹽脅迫對受體植物的傷害;高鹽脅迫下,較長的距離并不適宜菌根定殖和植物生長,導致AMF并未對受體植物生長和生理指標產生促進作用。綜合來看,AMF在不同長短菌絲傳遞距離下能夠通過適宜的非生物環境條件對受體植物產生促進作用,說明其在荒漠地區植被恢復中具有一定的應用潛力。