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(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶400716)

玉米是我國北方和西南山區(qū)的主要糧食作物之一，目前限制玉米生長及其產(chǎn)量的重要因素之一是干旱［1］。在我國干旱和半干旱地區(qū)約占國土面積的50%，主要分布于西部地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于干旱造成的作物減產(chǎn)和植物生長減少遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他逆境造成的總和［2］。因此水分脅迫一直是農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)之一。

叢枝菌根 (arbuscular mycorrhiza fungus，AMF)是分布于各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中最廣的一類內(nèi)生菌根，它能夠與大多數(shù)植物共生，目前已知世界上大約有90%的有花植物以及苔蘚、蕨類等植物都能與AMF形成叢枝菌根［3］。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明，AM真菌能夠改善植物的水分狀況，提高植物的抗旱能力［4］。因此利用叢枝菌根生物技術(shù)提高玉米抗旱能力具有重要的實(shí)踐意義和理論意義。

然而，農(nóng)田土壤中的有效磷直接影響到AMF的發(fā)育和對植物的接種效應(yīng)，土壤磷營養(yǎng)狀況會影響叢枝菌根真菌的侵染。在玉米生產(chǎn)過程中，經(jīng)過過去30年大量施用化肥，我國農(nóng)田有效磷含量整體上得到了很大的提高［5］。因此，有關(guān)AM真菌作用的研究，應(yīng)該考慮到土壤肥力變化的新情況，更多地關(guān)注在土壤有效磷含量逐漸升高的條件下AM真菌的作用及其機(jī)制，以往研究AM真菌促進(jìn)植物的生長及抗旱性多是在土壤磷含量較低的條件下進(jìn)行的，在高磷土壤條件下研究較少。在土壤中磷營養(yǎng)狀況較高的情況下，菌根共生體是否還會發(fā)揮其抗旱的作用成為叢枝菌根真菌在玉米生產(chǎn)中應(yīng)用須首先考慮的因素［6］。因此，本試驗(yàn)通過盆栽試驗(yàn)采用有效磷較高的土壤(48.73 mg/kg)，研究三種不同水分處理下AMF對玉米抗旱效應(yīng)的影響，探討AMF的抗旱性作用和機(jī)理，為其進(jìn)一步的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物:玉米(Zea mays L．)品種為東單80，播種前用10%H2O2對種子表面消毒10 min，然后用去離子水清洗，在25℃恒溫培養(yǎng)箱催芽，種子露白大約1cm左右進(jìn)行播種。

供 試 AM 菌 種:Glomusintraradices(G．intraradices)和 Glomus etunicatum(G．etunicatum)，兩個菌種均來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院。菌種采用了三葉草、玉米盆栽擴(kuò)繁，接種劑含有真菌孢子、根外菌絲和以及被宿主植物侵染的根段，每克菌劑含有孢子數(shù)20～30個。

供試土壤為中性紫色土，采自西南大學(xué)國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測站。基本性狀為pH 6.7、有機(jī)質(zhì) 21.51g/kg、全氮 0.57 g/kg、全磷 1.07 g/kg、全鉀15.44 g/kg、堿解氮28.34 mg/kg、有效磷48.73 mg/kg、速效鉀72.95 mg/kg。田間最大持水量36.06%。土壤經(jīng)濕熱滅菌處理，風(fēng)干后備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院網(wǎng)室中進(jìn)行，試驗(yàn)采用兩因素設(shè)計(jì)，設(shè)置3個水分梯度，分別為田間最大持水量的70%(正常供水)、45%(中度干旱)、20%(重度干旱)，同一水分條件下設(shè)接種G．intraradices、G．etunicatum 和不接種(CK)3個處理，每個處理重復(fù)5次，隨機(jī)排列，共45盆。每盆裝土6 kg，接種處理每盆施菌劑600 g，對照處理加同等質(zhì)量的滅菌菌劑。選出芽1cm左右顆粒飽滿的種子播種，每盆播種3粒。出苗5 d后間苗，每盆留長勢相近的兩棵。植株生長期間各處理統(tǒng)一正常澆水量，考慮到早期干旱對于AMF孢子萌發(fā)、菌絲侵染可能會有抑制作用，待生長45 d(AMF侵染根系后)開始土壤水分處理，每天用稱重法澆水補(bǔ)充水分。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

盆栽干旱脅迫期間每天上午11時測定每株玉米同一部位葉片水勢，脅迫7 d后進(jìn)行取樣測定玉米葉片過氧化物酶、過氧化氫酶、脯氨酸、丙二醛含量，之后對植株地上部和地下部分別收獲。根系用去離子水洗凈，剪成1cm左右的根段，混勻后隨機(jī)取約1g測菌根侵染率。剩下的樣品105℃殺青30 min時后70℃烘干，用于生物量的測定。土壤樣品風(fēng)干備用。

植株收獲時菌根侵染率按照方格交叉法測定［7］;菌絲密度按照 Abbott等人［8］的方法進(jìn)行。植株全磷含量采用釩鉬黃比色法［9］。過氧化物酶和過氧化氫酶活性分別采用愈創(chuàng)木酚法和高錳酸鉀滴定法，脯氨酸采用茚三酮比色法，丙二醛的含量采用硫代巴比妥酸法［10］測定。玉米水勢的測定采用美國產(chǎn)PSYPRO型便攜式露點(diǎn)水勢儀，用L51探頭活體測定，原位探頭夾住各處理植株頂部以下第3片葉測定讀數(shù)，重復(fù)測定3次，取其平均值作為該處理葉片水勢值，連續(xù)測定7 d，取其平均數(shù)。

應(yīng)用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二因素和單因素統(tǒng)計(jì)分析，5%水平下LSD多重比較檢驗(yàn)各處理平均值之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下接種叢枝菌根真菌對玉米生長狀況的影響

結(jié)果表明，玉米植株地上部的生物量隨著土壤水分含量的減少顯著降低，因此水分脅迫明顯抑制了玉米的生長。在不同的水分梯度下，與對照相比，接種G．intraradices和G．etunicatum均都顯著促進(jìn)了玉米的地上部的生長，接種AMF處理對植物磷含量也有相同的趨勢，但接種 G．intraradices和 G．etunicatum處理之間的差異不明顯。對照處理玉米根系未檢測到菌根真菌侵染結(jié)構(gòu)(表1)，接種處理的菌根真菌侵染率隨著水分梯度的下降而顯著性降低，說明了土壤干旱抑制了菌根真菌對玉米根系的侵染。隨著水分脅迫的加強(qiáng)，接種處理的菌絲密度也顯著降低，表明水分脅迫明顯抑制了菌根的發(fā)育。在同一水分梯度條件下，接種不同叢枝菌根真菌之間侵染率和菌絲密度均無顯著差異。

表1 不同處理對玉米生物量、磷含量、菌根侵染率和菌絲密度的影響Table 1 Effects of different treatments on dry weight，P content，percentage of root colonized and hyphal density of maize plants

2.2 水分脅迫下接種叢枝菌根真菌對玉米葉水勢的影響

水勢是作物水分狀況的一個重要生理指標(biāo)，作物在干旱下維持較高的水勢是作物適應(yīng)干旱的重要生理機(jī)能［11］。圖1表明，水分脅迫顯著降低了玉米葉片水勢，接種AMF均不同程度地顯著提高了玉米葉片水勢，在正常供水下，與對照相比接種 G．intraradices和G．etunicatum的葉水勢分別提高了21.52%和19.73%。同樣，中度干旱和重度干旱處理時，與未接種株相比較，接種株表現(xiàn)出了相同的趨勢。且在重度干旱處理時，叢枝菌根真菌提高葉片水勢能力最強(qiáng)。

2.3 水分脅迫下叢枝菌根真菌對玉米葉片脯氨酸、丙二醛、保護(hù)酶活性的影響

脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在土壤干旱條件下，植物通過合成大量的脯氨酸來增強(qiáng)植株的滲透調(diào)節(jié)作用，以保護(hù)各種抗氧化酶的活性。因此，脯氨酸含量的高低可以反映植物遭受干旱的強(qiáng)弱［10］。由表2可見，玉米葉片脯氨酸隨著脅迫的加強(qiáng)而顯著升高，在中度干旱和重度干旱下接種AMF均顯著降低了葉片脯氨酸的含量，說明接種AMF能夠改善玉米的水分代謝。水分脅迫與AMF對葉片脯氨酸的含量有極顯著的交互作用。

植物在干旱脅迫下，產(chǎn)生的氧自由基增多，會增加植物葉片膜脂過氧化程度，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其含量的多少反映細(xì)胞膜脂過氧化強(qiáng)弱程度。表2表明，隨著脅迫的加強(qiáng)，玉米葉片的MDA含量顯著增加，在不同水分梯度下接種AMF均顯著降低玉米葉片的MDA含量，且在重度干旱脅迫下接種AMF對于膜脂過氧化程度的緩解作用最強(qiáng)。水分脅迫與AMF的交互作用對于葉片MDA的影響未達(dá)到顯著水平。

圖1 不同處理對玉米葉水勢的影響Fig．1 Effects of different treatments on leaf water potential of maize

表2 不同處理對玉米葉片脯氨酸、丙二醛和保護(hù)酶(POD和CAT)活性的影響Table 2 Effects of different treatments on the activities of Prolin，MDA，POD and CAT of maize leaves

過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物重要的保護(hù)酶，其活性與植物的抗旱性密切相關(guān)。由表2可以看出，隨著脅迫的增強(qiáng)，POD和CAT的活性顯著增加。與未接種處理相比，在正常供水條件下，接種G．intraradices處理的POD和CAT分別提高了100%、11.87%;接種G．etunicatum處理分別提高了135.60%、11.97%。在重度干旱下，接種G．intraradices處理的 POD和 CAT分別提高了25.61%、10.16%;接種G．etunicatum處理的分別提高了33.47%、12.11%。在正常供水和重度干旱下，接種G．intraradices和G．etunicatum與對照相比均差異極顯著，說明無論是否干旱接種AMF均能夠有效地增強(qiáng)保護(hù)酶活性。因此，也可以初步認(rèn)為，AMF對于提高植物抗旱性是與提高保護(hù)酶活性密切相關(guān)的。水分脅迫與AMF的交互作用對于葉片POD的影響達(dá)到顯著水平，但對 CAT的影響不顯著。

3 討論

已有大量研究表明接種AMF能改善宿主植物的水分狀況［1，3－4］，但大部分研究是在低磷營養(yǎng)狀況下進(jìn)行的，且認(rèn)為在磷水平較高的土壤中作用不明顯［12］。

干旱條件下菌根對植物的效益首先要保證菌根有較高的侵染率。大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為高磷環(huán)境不利于菌根侵染［13－14］。然而，在本試驗(yàn)土壤有效磷含量較高的條件下，AMF不僅與宿主植物形成了菌根共生體，在3種不同水分梯度處理下均達(dá)到了40%以上，顯著增加玉米植株地上部和地下部的磷含量，促進(jìn)了地上部的生長。這對于改善植株的生理狀況，促進(jìn)作物的生長發(fā)育有著重要作用。在干旱條件下植株的水勢可降到較低的水平(圖1)，在高磷土壤中，Nelsen等［15］的試驗(yàn)表明，接種 AM 菌根沒有影響洋蔥的葉水勢和蒸騰速率等。Bolgiano等［16］認(rèn)為，高磷對菌根菌侵染的抑制作用會導(dǎo)致對植物水分代謝的不明顯。然而，本研究表明玉米葉片水勢隨著干旱脅迫的加強(qiáng)而顯著降低，且AM真菌顯著提高了同一水分處理下的葉片水勢，利于植株從土壤中吸收水分，提高了植物耐旱能力，對于 G．intraradices和G．etunicatum菌種，提高玉米葉水勢的能力差異不顯著，這與曾秀華等［17］的研究結(jié)果相似。這可能是試驗(yàn)選取的菌種本身比較耐旱，因?yàn)锳M真菌本身具有一定的抗旱性［18］。也可能是由于玉米生長需磷量大，在高磷的土壤條件下玉米通過吸收大量的磷來滿足自身對磷素的需求從而改善了植物的營養(yǎng)狀況，有利于光合磷酸化等許多與光合作用有關(guān)的環(huán)節(jié)正常運(yùn)行，也促進(jìn)光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和分配，光合產(chǎn)物向根的運(yùn)輸和分配又促進(jìn)了AM真菌菌絲的生長發(fā)育和對玉米根系的侵染［19］，通過菌絲的直接吸水影響植物的水分代謝［20］。二者相互作用使得AM真菌提高了植株的抗旱性。

干旱能夠影響植物的水分狀態(tài)，而缺水會降低植物體內(nèi)的代謝活動，植物體為緩解干旱脅迫的影響會誘導(dǎo)或加速多種生理反應(yīng)，如脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累［21］。該物質(zhì)的積累可以通過滲透調(diào)節(jié)來穩(wěn)定植物體內(nèi)滲透壓的平衡以增強(qiáng)自身保水的能力，其積累量隨植物體受脅迫程度的增加而增加［22］。本試驗(yàn)的研究中，玉米葉片的脯氨酸含量隨著水分脅迫的加強(qiáng)而顯著增加。在同一水分處理下，接種AMF顯著降低了脯氨酸累積量，這說明接種AMF改善了植株水分代謝，有效減輕了植株受脅迫的程度。POD和CAT是植物體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)，在逆境下，保護(hù)酶活性下降，細(xì)胞內(nèi)自由基平衡被打破，自由基累積增加，造成膜脂過氧化，產(chǎn)生較多有毒產(chǎn)物MDA，使膜結(jié)構(gòu)受損程度加重，導(dǎo)致植物受害甚至死亡。在本研究中隨著水分脅迫的加強(qiáng)植株保護(hù)酶活性顯著提高，且不同水分梯度接種AM真菌的植株保護(hù)酶活性均顯著高于未接種株，膜脂過氧化程度輕，其產(chǎn)物MDA含量低，膜損傷程度就低，增強(qiáng)了植物抗旱性。這與前人研究AMF提高植物抗旱機(jī)理結(jié)果是一致的［4，23－24］，本研究也充分證明了叢枝菌根增強(qiáng)了與寄主植物抗旱性相關(guān)的保護(hù)酶(如POD、CAT)活性，從而增強(qiáng)了玉米的抗旱性這一觀點(diǎn)。

目前，叢枝菌根真菌在提高植物玉米抗旱性的機(jī)理研究有著多種結(jié)論［1，3］。有研究者認(rèn)為接種AMF提高宿主植物抗旱主要是AMF的侵染擴(kuò)大了宿主植物根系與土壤接觸的表面積從而增強(qiáng)了宿主植物對水分的運(yùn)輸，菌絲增加對土壤中水分的吸收，改善植株水分狀況，從而提高植株抗旱性［25］;AMF通過改變植物體內(nèi)源激素來間接影響植物水分代謝［26］;通過增加植物體內(nèi)可溶性碳水化合物，如游離氨基酸、可溶性糖等物質(zhì)的濃度，使細(xì)胞滲透勢降低，提高宿主植物保持水分的能力［26］。

綜上所述，本次試驗(yàn)證明了在土壤有效磷較高的土壤條件下，AMF也能與玉米根系建立良好的共生關(guān)系，改善水分狀況。這為叢枝菌根技術(shù)在玉米抗旱性上的應(yīng)用提供依據(jù)，關(guān)于其機(jī)理還需要更進(jìn)一步的研究，特別是叢枝菌根真菌的外延菌絲網(wǎng)絡(luò)在提高宿主植物抗旱性中的作用。

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