楊舒婷,歐 靜,李林盼
(貴州大學林學院,貴州 貴陽 550025)
杜鵑(Rhododendron simsii)是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑屬(Rhododendron)落葉灌木,主要分布在我國西南山區(qū)[1],杜鵑花科大多數(shù)植物能與杜鵑花類菌根真菌(Ericoid mycorrhiza,ERM)形成內生菌根共生體。馬尾松(Pinus massoniana)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)喬木[2],能與外生菌根真菌(Ectomycorrhiza,ECM)形成外生菌根共生體[3]。杜鵑與馬尾松均喜酸性土,且在貴州山林中杜鵑常以馬尾松的伴生樹種存在。貴州多為喀斯特地貌,土壤較貧瘠[4],施肥能促進植株生長,但長期施肥實驗發(fā)現(xiàn),養(yǎng)分過高或過低對植株生長都不利,且成本過高,破壞土壤結構[5]。養(yǎng)分吸收是植物生長發(fā)育的重要基礎,近年來,植物–微生物共生系統(tǒng)對養(yǎng)分吸收的促進效應受到廣泛關注。歐靜等[6]對桃葉杜鵑(R. annae)接種ERM,能促進植株生長;張春英等[7]對云錦杜鵑(R. fortunei)接種菌根真菌,菌根苗對氮源吸收增強,促進植株干物質的積累。關于馬尾松外生菌根真菌的研究表明,馬尾松與菌根真菌共生在干旱條件下可以促進馬尾松苗木生長[8];馬尾松接種外生菌根真菌,能促進植株對土壤養(yǎng)分的吸收[9]。對混合菌劑的接種也有相應的研究,真菌群落較單一接菌的菌根效應更明顯,如用彩色豆馬勃(Pisolithus tinctorius)和美味牛肝菌(Boletus edulis)混合接種馬尾松,其幼苗生長效果最好[10];陳應龍等[11]采用彩色豆馬勃和 VA菌根真菌蘇格蘭球囊霉(Glomus caledonium)對尾葉桉(Eucalyptus urophylla)苗進行混合接種,苗高和生物量均超過單接種,同時混合接種還促進幼苗氨基酸的合成,說明仿自然真菌群落較單一接菌具有更重要的現(xiàn)實意義。
研究菌根真菌的接種效應,不僅有利于進一步篩選適宜的菌根真菌,亦有助于解釋植株對立地的適應性。然而,馬尾松外生菌根與杜鵑花類菌根對杜鵑促生作用的對比研究較為欠缺,利用杜鵑花類菌根真菌群落與馬尾松外生菌根真菌群落共同作用減少化肥施用的研究也較少。本實驗在前期對馬尾松–杜鵑群落杜鵑根內和根圍真菌進行分離與鑒定的基礎上[12—13],模擬自然馬尾松–杜鵑自然群落狀態(tài),利用前期從馬尾松林下杜鵑根內分離鑒定的菌根真菌菌株回接杜鵑苗,比較ERM和ECM+ERM對杜鵑生長和營養(yǎng)吸收積累的影響,旨在充分利用菌根真菌資源,促進杜鵑栽培合理施肥。
供試的4個菌株MG27、LL16、LL03、MG17分離自貴州省貴陽市孟關鎮(zhèn)及龍里市馬尾松林下杜鵑根系[12—13],包括杜鵑內生菌在內的豐度較高的內生真菌,具體菌株分別屬于錘舌菌綱(Leotiomycetes)、子囊菌門(Ascomycota)(2種菌)、擔子菌綱(Basidiomycota)。采用PDA液體培養(yǎng)基對實驗菌株進行培養(yǎng),置于28 ℃搖床上振蕩(160 r·min-1)暗培養(yǎng)15 d,打碎并制成液體菌劑備用。供試的外生菌菌株為市場購買的美味牛肝菌。
杜鵑2年生無菌扦插苗種植于花盆中。種植土壤有機質 27.38 g·kg-1,全氮 1.10 g·kg-1,全磷 0.31 g·kg-1,全鉀 9.33 g·kg-1,有效氮 33.67 mg·kg-1,有效磷 2.48 mg·kg-1,有效鉀 120.90 mg·kg-1,pH 5.39。在種植前利用高溫高壓法(121 ℃,0.1 MPa)對基質滅菌120 min。
1.2.1 接菌
3個接菌組合,分別為ERM菌株混合接種處理(J1)、ECM+ERM菌株混合接種處理(J2)和等量不接菌的土豆培養(yǎng)液處理(J3)。第一次接菌采用蘸根法,與換盆同時進行,第二次和第三次接菌采用注射法,每次間隔10 d,每盆施用10 mL菌液。
1.2.2 施肥組合
設14組N、P、K施肥配比組合(表1)。N肥主要成分為CO(NH2)2,有效N含量46.2%;P肥主要成分為P2O5,有效P含量為16.0%;K肥主要成分為K2O,有效K含量為51.0%。
1.2.3 實驗方法
每個接菌處理下均設置1.2.2中的14個施肥處理,共42個處理,每處理重復9次,共378盆。2018年5月開始實驗。實驗中進行日常澆水、除草等管理,2019年1月5日至6日采集數(shù)據(jù)。
1.2.4 項目測定
菌根侵染率采用醋酸墨水染色法統(tǒng)計[14];株高、冠幅用卷尺和游標卡尺在實驗前后測量;實驗結束時分別采集各處理幼苗,在105 ℃下殺青30 min后于75 ℃烘36 h,然后稱取整株植物干重生物量;用蒸餾法、鉬藍比色法、火焰光度計法依次測定植株的N、P、K含量[15]。
表1 施肥方案Table 1 Fertilization scheme
1.2.5 數(shù)據(jù)處理
利用 SSPS24.0單因素分析比較處理間的差異性,采用Duncan法進行多重比較,用Origin 8.0軟件作圖及參數(shù)分析。
取樣前對根系用醋酸墨水染色法進行浸染率測定,發(fā)現(xiàn)兩組接菌組合杜鵑苗均被成功侵染,兩組菌株的侵染率存在顯著差異(P<0.05),其中ECM+ERM菌株混合接種(J2)侵染率最高,比ERM菌株混合接種(J1)高 4.07%,未接種的對照處理(J3)幼苗根系侵染率為 8.85%,顯著低于接種處理幼苗根系的侵染率。
表2 不同接菌處理杜鵑菌根真菌侵染率比較Table 2 Comparison of infection rate of mycorrhizal fungi of azalea under different treatment
如表3所示,對于株高而言,ERM菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理比 F1(N0P0K0)增加0.16~2.10 倍,F(xiàn)12(N1P1K2)和 F3(N1P2K2)對 ERM菌株混合接種(J1)處理的株高促進作用最為顯著;ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比F1增加0.31~1.50倍,F(xiàn)3(N1P2K2)和F6(N2P2K2)對ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理的株高促進作用最為顯著;J3對照處理中,各施肥處理比 F1增加0.30~1.98倍,F(xiàn)3(N1P2K2)和F12(N1P1K2)對J3對照株高促進作用最顯著。ERM 菌株混合接種(J1)和J3對照處理的N水平在1水平時對杜鵑苗的縱向生長具有明顯的促進作用,ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的N水平在1水平和1/2水平時促進株高生長,過低與過高養(yǎng)分都不利于ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理杜鵑苗縱向生長,且不同接菌處理的株高是J2>J1>J3。
對于冠幅而言,ERM菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理比F1增加0.10~1.12倍,F(xiàn)6(N2P2K2)對ERM菌株混合接種(J1)處理的冠幅促進作用最顯著;ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比 F1增加 0.06~1.35倍,F(xiàn)6(N2P2K2)對ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理的冠幅促進作用最顯著;J3對照處理中,各施肥處理比 F1增加0.32~1.55 倍,F(xiàn)12、F13(N1P2K1)、F14(N2P1K1)對J3對照處理的冠幅促進作用最為顯著,說明隨著施肥量增加而促進冠幅生長。在接菌處理下,N、P、K施用 1/2水平對冠幅促進效果明顯,過低與過高養(yǎng)分都不利于冠幅橫向生長,且不同接菌處理的冠幅是J2>J1>J3。
對于干重而言,ERM菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理比F1增加0.17~1.77倍,F(xiàn)5(N2P1K2)對ERM菌株混合接種(J1)處理的干重促進作用最顯著;ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比F1增加0.15~2.24倍,F(xiàn)5對ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的干重促進作用最顯著;J3對照處理中,各施肥處理比F1增加0.10~1.63倍,F(xiàn)3、F5、F12、F13、F14施肥處理對J3對照處理的干重促進作用最顯著。ERM 菌株混合接種(J1)和ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理在施P為1水平時促進效果最顯著,J3對照處理在N、P、K施用量為1水平時對干重促進最顯著,且不同接菌處理的干重是J2>J1>J3。
表3 菌根真菌與施肥下杜鵑苗生長指標的對比Table 3 Comparison of growth indexes of azalea seedlings with mycorrhizal fungi and fertilization
綜上所述,施肥處理F3、F5、F6、F12、F13、F14,接菌處理J2、J1較能有效促進杜鵑苗生長。
如表4所示,對于根而言,ERM菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理的N含量比F1(N0P0K0)增加 1.16~6.76 倍,F(xiàn)3(N1P2K2)和 F12(N1P1K2)對ERM 菌株混合接種(J1)處理的氮素積累最為顯著,其次是F5(N2P1K2)和F9(N2P2K1);ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比 F1增加0.91~19.8倍,F(xiàn)3(N1P2K2)對ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的氮素積累促進作用最顯著,其次是F6(N2P2K2);J3對照處理中各施肥處理的N含量比F1增加0.75~5.39倍,F(xiàn)3(N1P2K2)和F12(N1P1K2)對J3對照處理的氮素積累促進作用最為顯著,其次是F5(N2P1K2)??梢娛┯玫租洖?水平促進ERM菌株混合接種(J1)處理根系氮素積累,氮為1水平和氮磷鉀均為1/2水平促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理根系氮素積累,氮、磷為1水平促進J3對照處理根系氮素積累,且不同接菌處理杜鵑苗根的氮含量是J1>J3>J2。
在杜鵑苗莖中,ERM 菌株混合接種(J1)處理下各施肥處理比 F1處理氮含量增加 0.89~3.93倍,F(xiàn)3(N1P2K2)對ERM菌株混合接種(J1)處理氮素積累促進效果最明顯;ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比 F1處理的氮含量增加 1.45~9.97倍,F(xiàn)3(N1P2K2)對ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理氮素積累促進效果最明顯;J3對照處理中,各施肥處理比 F1處理氮含量增加 0.13~2.04倍,F(xiàn)3(N1P2K2)、F12(N1P1K2)和 F13(N1P2K1)對 J3 對照處理的氮素積累效果最明顯。由此可見,施用氮磷鉀為1水平促進ERM菌株混合接種(J1)處理和J3對照處理莖中氮的積累,氮、磷為1水平和氮磷鉀均為1/2水平能促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理莖的氮素積累,且不同接菌處理杜鵑苗莖的氮含量是J1>J3>J2。
在杜鵑苗葉中,ERM 菌株混合接種(J1)處理下各施肥處理比 F1處理的氮含量增加 5.94%~78.32%,ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理下各施肥處理的氮含量增加0.58%~104.11%,J3對照處理下各施肥處理的氮含量增加 23.01%~152.08%。F3(N1P2K2)對ERM菌株混合接種(J1)、ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的氮素積累促進效果最明顯,F(xiàn)12(N1P1K2)對J3對照處理氮素積累效果最明顯。施用氮磷鉀為1水平促進ERM菌株混合接種(J1)處理和J3對照處理葉片氮的積累,氮為1水平和氮磷鉀均為1/2水平促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理葉片氮的積累,且不同接菌處理杜鵑苗葉的氮含量是J2>J3>J1。
表4 菌根真菌與施肥下杜鵑苗根、莖和葉的N含量Table 4 N content in roots, stems and leaves of azalea seedlings under mycorrhizal fungi and fertilization treatment
綜上所述,接菌和施肥均能提高植株氮含量,特別是施氮肥;施肥處理為1水平,即F3、F5、F9、F12、F13時,ERM菌株混合接種(J1)和J3對照處理促進植株積累氮含量,而ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理除施氮為1水平外,氮磷鉀各處理為1/2水平也顯著促進植株積累氮含量,ERM菌株混合接種(J1)處理的根莖氮含量高于對照J3,說明ERM菌株混合接種(J1)處理氮含量集中在根莖中,ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理氮素集中在葉片中,J2促進養(yǎng)分向葉片運輸。
如表5所示,在杜鵑苗根中,ERM菌株混合接種(J1)、ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理下各施肥處理比F1處理的P含量分別增加0.30~2.04倍和0.42~1.87倍,F(xiàn)5(N2P1K2)施肥處理對ERM菌株混合接種(J1)、ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的磷積累促進作用最顯著;J3對照處理中各施肥處理比處理F1的P含量增加0.20~3.68倍,F(xiàn)12(N1P1K2)和F14(N1P2K1)施肥處理對J3對照處理磷積累促進作用最為顯著,其次是F5(N2P1K2)。施用磷或鉀為1水平處理(F5、F9)促進 ERM 菌株混合接種(J1)根系磷素積累,磷、鉀為1水平(F5、F14)和氮磷鉀均為 1/2水平(F6)促進 ECM+ERM 菌株混合接種(J2)根系中磷的積累,氮磷或磷鉀為 1水平(F12、F14)促進J3對照處理根系磷素積累。不同接菌處理的杜鵑苗根的磷含量是J2>J1>J3。
在杜鵑苗莖中,ERM 菌株混合接種(J1)、ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理下各施肥處理比F1處理的 P含量分別增加 0.14~1.62倍和 1.03~5.40倍,F(xiàn)5(N2P1K2)對兩種接菌處理磷含量促進作用最為顯著;J3對照處理中各施肥處理的P含量比F1增加 0.68~3.78倍,其中 F5(N2P1K2)、F12(N1P1K2)、F13(N1P2K1)、F14(N1P2K1)處理對磷積累的促進作用最為顯著,其次是F9(N2P2K1)。施用磷為1水平時促進ERM菌株混合接種(J1)和J3對照處理杜鵑苗莖部磷的積累,磷為 1水平(F5)和氮磷鉀均為1/2水平(F6)促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)莖部磷的積累。不同接菌處理的杜鵑苗莖的磷含量是J2>J1>J3。
對于葉而言,ERM 菌株混合接種(J1)、ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理中各施肥處理的P含量比 F1處理分別增加 0.39~3.26倍和 0.11~1.63倍,F(xiàn)5(N2P1K2)對 ERM 菌株混合接種(J1)、ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理的磷積累促進作用最為顯著;J3對照處理中,各施肥處理的P含量比 F1增加 0.13~0.62倍,F(xiàn)12(N1P1K2)、F13(N1P2K1)、F14(N1P2K1)處理對 J3對照處理葉的磷積累促進作用最為顯著,其次是F5(N2P1K2)。不同接菌處理的杜鵑苗葉片磷含量依次是 J3>J2>J1。施用磷、鉀為1水平時促進ERM菌株混合接種(J1)處理葉片磷的積累,施用磷為1水平或氮磷鉀均為1/2水平時促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理葉片磷的積累,施用氮磷鉀為1水平時促進J3對照處理葉片磷的積累。
表5 菌根真菌與施肥下杜鵑苗根、莖和葉中P含量Table 5 P content in roots, stems and leaves of azalea seedlings under mycorrhizal fungi and fertilization treatment
綜上所述,接菌和施肥均能提高根莖P含量,特別是施磷肥;施肥處理的磷鉀為1水平時,即F5、F9、F12、F13、F14施肥處理,ERM菌株混合接種(J1)和J3對照處理促進P含量積累,ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理除施磷在1水平外,氮磷鉀各處理在1/2水平,即F5、F6,也顯著促進杜鵑苗P含量的積累;ERM菌株混合接種(J1)、ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理的杜鵑苗根和莖P含量高于J3對照,但在葉中低于J3對照,說明接菌處理促進磷養(yǎng)分向根莖積累。
如表6所示,對于根而言,ERM菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理比F1增加0.10~1.16倍,F(xiàn)9(N2P2K1)對ERM菌株混合接種(J1)處理鉀含量促進效果最顯著,其次是F5、F13和F14;ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比 F1增加0.11~0.95倍,F(xiàn)9(N2P2K1)對ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理鉀含量促進效果最顯著,其次是 F6;J3對照處理中,各施肥處理比 F1增加 0.29~1.71倍;F9、F13、F14對J3對照處理鉀含量的積累作用最為顯著,其次是 F5和 F12,且接菌處理是 J3>J1>J2,說明氮磷鉀為1水平促進ERM菌株混合接種(J1)和J3對照的積累,鉀為1水平和氮磷鉀均為 1/2水平促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)根系中鉀的積累。
對于莖而言,ERM 菌株混合接種(J1)處理中,各施肥處理比F1增加0.12~1.12倍,F(xiàn)9(N2P2K1)對ERM菌株混合接種(J1)處理鉀含量促進效果最顯著,其次是F5和F14;ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理中,各施肥處理比 F1增加 0.11~1.29倍,F(xiàn)9(N2P2K1)對ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理鉀含量促進效果最顯著,其次是F6;J3對照處理中,各施肥處理比F1增加0.13~1.04倍,F(xiàn)9、F13、F14對J3對照處理鉀含量的積累作用最為顯著,其次是F3、F5、F12,且接菌處理是J2>J3>J1,說明磷和鉀為1水平促進ERM菌株混合接種(J1)鉀含量的積累,鉀為 1水平和氮磷鉀均為 1/2水平促進ECM+ERM 菌株混合接種(J2)莖部鉀的積累,氮磷鉀為1水平促進J3對照的積累。
對于葉而言,ERM 菌株混合接種(J1)、ECM+ERM 菌株混合接種(J2)處理中各施肥處理的鉀含量比F1處理分別增加 0.05~1.37倍和0.06~1.40倍,F(xiàn)9(N2P2K1)對 ERM 菌株混合接種(J1)、ECM+ERM 菌株混合接種(J2)的杜鵑苗葉鉀積累效果最顯著;J3對照處理中,各施肥處理比 F1增加0.19~0.68倍,F(xiàn)9、F13、F14對J3對照處理鉀含量的積累作用最為顯著,其次是 F5、F12,且接菌處理是J2>J1>J3,說明磷和鉀為1水平促進ERM菌株混合接種(J1)鉀含量的積累,鉀為1水平和氮磷鉀均為 1/2水平促進ECM+ERM菌株混合接種(J2)葉部鉀的積累,氮磷鉀為1水平促進J3對照的積累。
綜上所述,接菌和施肥均能提高植株鉀含量,特別是施鉀肥;氮磷鉀施肥在1水平,即F3、F5、F9、F12、F13、F14,ERM 菌株混合接種(J1)和 J3對照促進鉀含量積累,ECM+ERM菌株混合接種(J2)處理除施鉀在1水平(F9)外,氮磷鉀各處理在1/2水平(F6)也顯著促進杜鵑苗鉀含量的積累;接菌處理根部K含量低于對照,莖部和葉部高于對照,說明接菌處理促進鉀向地上部分運輸。
表6 菌根真菌與施肥下杜鵑苗根、莖和葉中K含量Table 6 K content in roots, stems and leaves of azalea seedlings under mycorrhizal fungi and fertilization treatment
菌根真菌能與宿主形成良好的共生關系,擴大根系吸收面積,在植株根際形成龐大的菌絲網絡,提高植物吸收養(yǎng)分的能力,擴大根系吸收范圍,從而促進植物生長[16]。本研究表明,不同養(yǎng)分條件下,接種ERM菌群與ERM+ECM菌群均能顯著提高杜鵑苗菌根侵染率和生物量。由此可見,ERM菌群、ERM+ECM 真菌菌群與杜鵑之間的選擇適應性更好,可以更好地發(fā)揮菌根–植株共生體優(yōu)勢作用。此外,ERM、ERM+ECM真菌菌群對杜鵑的高侵染率和良好的促生長能力,揭示了菌根真菌在喀斯特地區(qū)的養(yǎng)分吸收能力與可持續(xù)發(fā)展的重要潛力。
接種ERM能促進杜鵑對N源的吸收[17—18],因為ERM可分泌胞外蛋白酶、糖酶、幾丁質酶等從蛋白質以及復雜有機質中吸收 N素[19]。唐振堯等[20]和Fdriss等[21]認為接種ERM可以提高植物的P含量,菌根共生體能促進難溶P轉變?yōu)橐妆桓滴绽玫腜[22]。菌絲可以伸到K虧缺區(qū)以外,吸收根系吸收不到的K并運輸給植物[21]。也有學者指出,接種菌根真菌在提高植物吸收P量的同時也提高植物吸收K量[23]。菌根真菌促進植株對N、P、K的吸收,且主要體現(xiàn)在植株的N、P、K含量上。與對照相比,ERM菌群促進N向根莖部積累,ERM+ECM菌群促進N向葉部運輸,ERM、ERM+ECM菌群均促進P向根莖積累,促進K向莖葉積累,可能是接種菌根真菌P轉運蛋白基因在根莖中表達[24]。此外,接種外生菌根真菌可以使N和K積累在葉中[25—26],而接種ERM真菌菌群N卻向根莖積累,其原因可能與菌株類型、菌株間相互作用等因素有關。
研究表明,高養(yǎng)分會抑制菌根真菌生長和代謝活性[27],降低菌根效應,過高養(yǎng)分環(huán)境中,植物依靠根系即可吸收養(yǎng)分,滿足自身生長需求[28],同時,過量施用養(yǎng)分還會使菌根菌絲成為光合產物的消耗者[29]。本實驗中,ERM+ECM真菌菌群在較低養(yǎng)分條件下就能使植株養(yǎng)分吸收量高于其他水平,可能因為低養(yǎng)分條件更有利于菌根效應的發(fā)揮[30],而ERM真菌菌群促進植株氮磷鉀積累,但是總體遠低于ERM+ECM真菌菌群,卻高于對照,可能是ERM真菌菌群處理只接種了杜鵑花類內生菌根真菌,杜鵑花類菌根是在皮層細胞充滿大量菌絲圈[31],擴大根系面積,促進根系生長,而ERM+ECM真菌菌群是同時接種外生菌根真菌和杜鵑花類內生菌根真菌,皮層細胞充滿菌絲圈,同時每個細胞內的菌絲圈都直接同根表面的根外菌絲相聯(lián)[31],根系面積較只擴大菌絲圈的杜鵑花類內生菌根真菌更大,所以ERM+ECM真菌菌群吸收的養(yǎng)分高于ERM真菌菌群,而接菌處理總體高于不接菌處理,前人對杜鵑花菌根的觀察也證實了這一點[32—33]。