邓薇，张祖衔，曹宇航，徐洪伟，周晓馥

（吉林师范大学生命科学学院／吉林省植物资源科学与绿色生产重点实验室，吉林 四平 136000）

干旱缺水是制约中国农业稳定发展和粮食安全的主要因素［1］。玉米（Zea maysL.）属于禾本科玉蜀黍属［2］，为高耗水植物［3］，整个生育期需要充足的水分供应，大致为500～800 mm，这样才能保证玉米正常发育。随着全球气候的变化，特别是在气候异常波动情况下［4］，水资源匮乏，旱情的发生也逐渐加重，这已成为限制玉米产业可持续发展的重要因素［5］，严重干旱时甚至造成绝产绝收。

干早胁迫会导致幼苗生长受阻、植株矮小。植物根系是影响产量的重要器官［6］，是连接地上部与土壤水分、养分的桥梁，发挥着固持地上组织和汲取地下水分养分的双重功能［7］。通过观察植物根部形态，可以直接了解到根系发育状况是否良好，尤其是在幼苗阶段。好的根系构型不仅可以提高根系对土壤养分和水分的利用效率，而且也是构建稳定生态群落的基础［8］。根系形态决定着作物获得土地营养资源状况，同时也是影响养分吸收的重要因素［6］，与作物的品质和产量息息相关。玉米作为单株生产力较强的禾谷类作物，强大的根系是其高产的重要原因之一［9］。所以，玉米根系研究是其抗旱性研究的重要内容。

木霉菌（Trichodermaspp.）属于半知菌亚门丝孢纲丝孢目粘孢菌类［10］，自然界中广泛存在，通常分布于植物残体、植物根以及土壤等环境中，是一类普遍存在的真菌［11］。木霉菌主要的促生机制包括分泌类植物激素丁烯烃酸内酯以刺激作物根系伸长，而根系的伸长又有利于植物吸收土壤深处的养分与水分［12］。刘爱荣等［13］研究发现，木霉菌可以促进根系发育，提高作物产量，也能在一定程度上抵抗生物与非生物胁迫。有研究表明，木霉是落叶松根际优势真菌之一［14］，可通过诱发植物自身的抵抗潜能来提高植物自身的抗性［15］。本团队通过室内盆栽控水试验，研究绿色木霉对干旱胁迫下玉米幼苗根系生长的影响，以期为利用绿色木霉缓解干旱胁迫伤害提供科学依据，为玉米的抗旱避灾生产提供一种新的技术手段。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2020年9月在吉林省植物资源科学与绿色生产重点实验室进行。

供试玉米品种郑单958，由本实验室保存。

供试绿色木霉（Trichoderma viride），本实验室分离鉴定而得。具体过程与方法为：分离于四年生大田参根部，该人参取自临江市四道沟镇岗头村，PCR产物送至长春北科生物技术有限公司进行测序，将测得序列片段NCBI网站进行BLSAT比对，确认为绿色木霉。

供试土壤为黑土，取自梨树试验田，用立式压力蒸汽灭菌器于121℃、0.22 MPa条件下灭菌2 h，自然冷却备用。

1.2 材料处理与试验设计

1.2.1 绿色木霉发酵液制备 将绿色木霉接种于PDA培养基，并28℃活化培养3～5 d。蒸馏水冲洗分生孢子，调节孢子浓度为5.0×108个／mL。按照5%的接种量将液体种子转接入装有100 mL PD培养液的250 mL三角烧瓶中，28℃、180 r／min摇床振荡培养制备发酵液。

1.2.2 盆栽试验 取灭菌后试验土并装入塑料育苗盆（规格：28 cm×25 cm），每盆装土2 kg。玉米种子45℃温水浸泡8 h后恒温培养箱37℃暗萌芽24 h。选取大小一致的露白玉米种子，每盆3穴、每穴2粒播种。幼苗二叶一心期定植，每盆3株。四叶一心期，将菌剂稀释200倍后灌根接种处理，14 d后进行7 d自然干旱胁迫。试验共设4个处理，分别为对照（CK，正常灌水）、绿色木霉处理（TK）、干旱处理（DSCK）、绿色木霉＋干旱处理（DSTK），每处理重复3次。

1.3 测定指标及方法

7 d干旱胁迫结束后，测定玉米幼苗根系形态学指标：将洗净根系放入20 cm×40 cm根盘中，置于扫描仪上，根盘中添加高度为5～10 mm水，使水面恰好全部没过根系，再用仪器遮光板全部覆盖住根盘，进行根系全景扫描。待到扫描完成，通过WinRHIZO图像查看软件，调节阈值使效果最佳，获得如下指标值：总投影面积、总根长、总根表面积、总根体积、根尖数、分支数、交叉数、链接数、根链接平均长度、根链接平均直径、分形维数等。

各处理于播种后第30 d分别进行全株取样，重复3次，每个重复取样1株。将冲洗干净的根、冠分开，称量其鲜重后，放入恒温箱中105℃杀青15 min，80℃烘至恒重并分别称重，计算根冠比。

根据WinRHIZO测定的根长和根表面积，以及烘干称重测得的根系生物量计算比根长（SRL）、比根表面积（SRA）。计算公式如下：

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Microsoft Excel系统进行处理，利用SPSS 22.0软件最小显著差异法（LSD）检验进行多重比较（P＜0.05）分析，应用Sigma-Plot 12.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 绿色木霉对干旱胁迫下玉米根系形态学指标的影响

接种绿色木霉对玉米幼苗的总投影面积、总根表面积和总根体积均具显著影响，干旱胁迫对玉米幼苗的总根长、总投影面积、总根表面积和总根体积均具显著影响，但两者的交互作用对总根长、总投影面积、总根表面积和总根体积影响不显著（表1）。

表1 玉米幼苗根系形态学指标的双因素方差分析

由表2可见，与CK相比，正常水分条件下施加绿色木霉处理（TK）玉米幼苗总投影面积和总根表面积分别增加18.41%、41.73%；干旱胁迫下施加绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗与DSCK相比，总投影面积增加不显著，总根表面积增加57.62%（P＜0.05）。TK处理玉米幼苗总根长与CK相比，差异虽不显著，但增加10.12%；DSTK处理玉米幼苗总根长与DSCK差异显著，增幅为52.32%。总根体积反映植株根系健壮程度，发达而健壮的根系是作物高产的基础［16］。TK处理玉米幼苗总根体积与CK相比差异显著，增100.07%；DSTK处理玉米幼苗总根体积较DSCK显著增加56.17%。以上结果表明，施加绿色木霉可以有效健壮玉米幼苗根系。

表2 绿色木霉对干旱胁迫下玉米根系形态学指标的影响

2.2 绿色木霉对干旱胁迫下玉米根系构型的影响

由表3可见，接种绿色木霉对玉米幼苗根的分支数、根链接平均直径和根链接平均长度均具显著影响，干旱胁迫对玉米幼苗根的交叉数、根尖数、链接数和根链接平均直径、根链接平均长度均具显著影响，两者的交互作用对根链接平均直径和根链接平均长度影响显著。

表3 玉米幼苗根系构型的双因素方差分析

由表4可见，正常水分条件下施加绿色木霉处理（TK）玉米幼苗根系分支数较对照（CK）增加86.39%，差异显著，交叉数和根尖数分别增加5.93%、5.16%；干旱胁迫条件下施加绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗根系分支数与DSCK差异显著，交叉数和根尖数差异不显著，但为上升趋势，增幅为13.66%、57.83%。

表4 绿色木霉对干旱条件下玉米根系构型的影响

根链接平均直径和根链接平均长度反映根系对土壤的穿透能力及其资源利用范围［17，18］。TK处理玉米幼苗根链接平均长度显著高与CK，而根链接平均直径略低于CK，但差异不显著；DSTK处理玉米幼苗根链接平均直径和根链接平均长度与DSCK差异显著。TK处理玉米幼苗根的链接数与CK差异显著，上升25.46%；DSTK处理玉米幼苗根的链接数与DSCK差异显著。表明，施加绿色木霉可以增强根系对土壤的穿透能力及其资源的利用范围。

2.3 绿色木霉对干旱胁迫下玉米根系几何特征的影响

由表5可见，接种绿色木霉对玉米幼苗的比根长、比根表面积和分形维数均具显著影响，但干旱胁迫对玉米幼苗的比根长、比根表面积和分形维数的影响不显著，两者的交互作用对比根长影响显著。

表5 玉米幼苗根系几何特征的双因素方差分析

根系几何特征是根系结构与功能之间关系的反映［19］。由表6可见，正常水分条件下施加绿色木霉处理（TK）玉米幼苗的比根长和比根表面积与CK差异显著，分别增加150.44%、88.40%；干旱胁迫下施加绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗的比根长和比根表面积与DSCK差异显著，分别增加57.65%、78.94%。

表6 绿色木霉对干旱条件下玉米根系几何特征的影响

正常水分条件下施加绿色木霉处理（TK）玉米幼苗根的分形维数与CK差异显著，增幅为34.69%；干旱胁迫下施加绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗根的分形维数与DSCK差异显著，增加42.75%（图1）。

图1 干旱胁迫下玉米根系扫描图

2.4 绿色木霉对干旱胁迫下玉米幼苗生物量的影响

由表7可见，接种绿色木霉、干旱胁迫及两者的交互作用对玉米幼苗地上部鲜重、地下部鲜重和根冠比均具显著影响。

表7 玉米幼苗生物量与根冠比的双因素方差分析

由表8可以看出，正常水分条件下施加绿色木霉处理（TK）玉米幼苗地上部鲜重和地下部鲜重与CK差异显著，分别增加200.5%和162.4%；干旱胁迫下施加绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗地上部鲜重和地下部鲜重与DSCK差异显著，分别增加207.2%和147.5%。与CK相比，TK处理玉米幼苗根冠比增加11.13%；DSTK处理玉米幼苗根冠比与DSCK相比，增加25.28%。这表明在不同水分处理下，接种绿色木霉可促使玉米幼苗地下部、地上部鲜重和根冠比增幅更大，抵御干旱的能力更强。

表8 绿色木霉对干旱胁迫下玉米幼苗生物量的影响

3 讨论与结论

根系是影响植物产量的重要器官，同时也是影响养分吸收的重要因素，进而影响植物地上部光合作用与生长发育，与作物的品质和产量息息相关［20］。植物的根系构型是根系在土壤中生长、分布与觅食特点的表征，反映了根系的平面结构与立体空间特征及根系获取土壤资源的方式与能力［21，22］，良好的根系构型有利于植物在逆境胁迫中提高根系形态稳定性和资源利用效率［9］。根系几何特征与根系对土壤资源的吸收能力和利用潜力密切相关［23，24］，是根系结构与功能之间关系的反映。玉米作为单株生产力较强的禾谷类作物，其强大的根系是成为高产作物的重要原因之一。改变根系特征促进作物生长是直接且有效的方法，目前许多栽培手段都是通过直接影响根系实现作物的高产。本研究结果显示，正常水分条件下接种绿色木霉处理（TK），与CK相比，玉米幼苗的总根表面积、总投影面积、总根长分别增加41.73%、18.41%、10.12%，总根体积增加100.07%（P＜0.05）；根系构型中分支数、链接数、根链接平均长度与CK差异显著（P＜0.05），交叉数、根尖数与CK差异不显著，分别增加5.93%、5.16%；比根长、比根表面积、分形维数、地上部鲜重、地下部鲜重与CK差异显著（P＜0.05）。与DSCK相比，干旱胁迫下接种绿色木霉处理（DSTK）玉米幼苗的总根长、总根体积、总投影面积和总根表面积均显著提高（P＜0.05）；根系构型中分支数、链接数、根链接平均长度、根链接平均直径与DSCK差异显著（P＜0.05）；比根长、比根表面积、分形维数、地上部鲜重、地下部鲜重与DSCK差异显著（P＜0.05），根冠比与DSCK差异不显著，增幅为25.28%。这与丁红等［20］的试验结果一致。张树武等［25］也指出，绿色木霉发酵液处理黑麦草和白三叶草幼苗后的根长、幼苗鲜重相对增长率分别达到37.09%、57.73%和16.95%、40.57%，与本研究结果一致。

综上看出，绿色木霉可通过扩大幼苗根系的吸收范围和能力，增加幼苗对矿质元素的吸收，减少水分散失，使幼苗更好地利用和保持土壤水分。绿色木霉通过自身或利用周围微生物及植物等分泌多种酶类以及次生代谢产物来分解有机质，活化土壤中的营养物质，改善土壤结构，降低干旱胁迫对玉米幼苗的伤害［26］。因此，绿色木霉在农业和环境修复领域具有广阔的应用前景。