姚玉珊，林珍珍，李媛，贾彤*

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西省黄河实验室，黄土高原生态恢复山西省重点实验室，山西 太原 030006；2.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006）

0 引言

丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）作为一类共生真菌，其广泛分布于森林、草地、荒漠、农田等生态系统中，与绝大多数的陆生植物形成菌根共生体系［1-3］。AMF通过菌丝侵入到植物根系，并在根表皮层内形成丛枝和泡囊等结构，与植物建立起共生体［4］。研究表明，丛枝菌根能够提高宿主植物和根系对氮、磷等营养元素的吸收，进而提高植物的生物量［5］，并且AMF对氮素的代谢受自身种属、共生环境微生物、氮素形态、光照、水分、外界盐胁迫等影响［6］。此外，AMF还可以通过多种途径，例如，提高吸水效率［7］、扩展植物的根系［8］、分泌螯合物［9］、提高植株生物量［10］、增强植物竞争力和抗胁迫能力［11］及促进光合作用［12］等，影响宿主植物对土壤养分元素的吸收和利用［13］。

AMF对植物的生长速率和光合作用的影响已有不少报道。研究发现，接种AMF植株的镁含量要高于不接种植株，进而影响叶绿素含量，提高植物的光合作用效率［14］。AMF通过分泌细胞分裂素，促进叶绿体发育，提高植株叶绿素含量和光合作用强度，并通过增加生物量来应对环境胁迫［15］。研究发现，AMF通过提高水稻叶片蒸腾作用和水分利用效率，增强光合作用，同时，降低植株的暗呼吸速率，减少水稻自身碳物质消耗，促进其物质积累能力［16］。此外，接种AMF也可以提高甜瓜、玉米等植物叶片中的叶绿素含量，促进植物的光合作用能力［17］。

由于AMF本身不能进行纯培养，因此，可以利用宿主植物对AMF大量扩繁来获得所需菌剂。其中一年生草本植物高粱（Sorghum bicolor）是菌剂扩繁的宿主植物之一［18］，其生物量大、根系发达、生长速度快，有利于对土壤中污染物的富集，是一种具有修复潜力的能源作物［19］。目前大多数研究集中在单一AMF对植物生理生态特征的研究，而不同AMF是否对植物生长和光合特性的影响也存在一定差异呢？因此，本试验选择高粱为研究对象，通过接种四种不同类型的AMF菌剂，研究不同AMF对高粱生长、生物量、叶绿素和净光合速率等生理生态特征的影响，为受损生态系统筛选具有修复潜力的丛枝菌根真菌，也为我国高粱的高产种植以及微生物肥料的制备提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试高粱品种为北京金盛优品科技有限公司研发的京杂抗四杂交高粱。试验选用4种AMF，包括近明球囊霉菌（Glomus claroideun）、幼套球囊霉菌（Glomus etunicatum）、摩西球囊霉菌（Glomus mosseae）和根内球囊霉菌（Glomus intraradices），菌种由南开大学和北京市农林科学院植物营养与资源研究所提供。

1.2 试验设计

2020年9月采用温室盆栽试验，对高粱植株设置4种不同AMF接种的处理，各个接种组分别标记为：近明球囊霉菌处理组（GC）、幼套球囊霉菌处理组（GE）、摩西球囊霉菌处理组（GM）和根内球囊霉菌处理组（GI），同时，将不接种AMF的处理设为对照组（CK），共5个处理，每种处理4个重复。土壤基质使用灭菌后以2∶1比例混合的河沙和蛭石，每盆种植高粱15株，接种菌剂30 g。生长15 d后，每盆添加霍格兰营养液500 mL，每两周添加1次，培养90 d后进行植株菌根侵染率、生长和生理指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 高粱菌根侵染率的测定

收获后测定高粱菌根感染率，取新鲜高粱根段0.5 g。将根段缩小为0.5 cm～1.0 cm，放入试管中。添加20 mL质量分数为5%KOH，并在90°C水浴加热30 min。根系用自来水冲洗3次，浸泡在20 mL质量分数为2%盐酸溶液5 min。去除酸溶液，加入20 mL质量分数为0.05%乳酸-苯胺蓝染液。然后将试管放回90℃水浴中30 min，加入20 mL乳酸进行脱色。随机选取15个根段固定在载玻片上，将根切为两部分，得到30个染色后的植物须根段，置于显微镜下观察并计数。

菌根感染率（MIR）的计算公式参考见式（1）：

其中，MIR为根菌根侵染率（%），NS为菌根菌节数，TNS为根段总数。

1.3.2 形态和生物量指标

高粱种植90 d后测量植株株高、叶长和叶宽。将高粱收获后的地上和地下部分分别装信封后，放在恒温干燥箱中60℃、48 h烘干至恒重后，用电子天平（0.000 1 g）称其生物量。

1.3.3 光合指标

植株培养8周后，使用光合仪（CIRAS-3 Portable Photosynthesis System）对高粱的光合特性进行测定。选择晴天上午进行测定，光照强度设定为 1200 μmol/（m2·s），温度 25 ℃，选取新叶完全展开的第1片叶进行测定，每个处理5个重复。测定的光合指标包括：净光合速率（A）、胞间 CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、水分利用效率（WUE）、水蒸气压亏缺（VPD）和蒸腾速率（E）。

1.3.4 叶绿素含量

称取叶片0.5 g，浸泡于20 mL丙酮∶乙醇 =1∶1的混合溶液中，黑暗处理7 d后，用酶标仪测定溶液在663 nm、645 nm处的吸光度，计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量，计算公式参考见式（2）、式（3）、式（4）。

其中A663nm、A645nm分别表示在663 nm、645 nm处的吸光值，V表示乙醇和丙酮混合溶液体积，w表示称取叶片重量。

1.3.5 铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量

培养结束后收获的植物地上部分用冷冻研磨仪磨成粉末状，称取0.5 g于50 mL离心管，加入1 mol/L KCl溶液 100 mL，震荡 30 min～60 min后，过滤，取其滤液。用全自动间断化学分析仪（De Chem-Tech，CleverChem380，Germany）测定铵态氮（NH4+）、硝态氮（NO3-）和亚硝态氮（NO2-）的含量。

1.4 数据分析

采用SPSS 25.0获得的实验数据进行统计分析。采用单因素方差分析对接种不同丛枝菌根真菌的处理间植株生长和光合特征进行比较。

2 实验结果

2.1 高粱接种AMF后的菌根侵染率

接种4种类型的AMF，菌根侵染率都超过50%，接种不同类型AMF的高粱菌根侵染率具有显著差异（P＜ 0.05；图1和图2）。接种不同AMF对其根系侵染率的各处理组高低顺序为：GM＞GE＞GC＞GI。其中，摩西球囊霉菌侵染率最高且显著高于其他菌种（P＜0.05），达到75.25%。接种摩西球囊霉菌后的菌根侵染率显著高于接种根内球囊霉菌（P＜0.05），但是接种摩西球囊霉菌、近明球囊霉菌和幼套球囊霉菌的高粱侵染率并没有显著差异（P＞ 0.05）。

图1 高粱接种不同AMF后的菌根侵染率（平均值±标准误）Fig.1 Mycorrhizal infection rates of S.bicolor inoculated with different AMF(Mean±SE)

图2 高粱接种四种AMF的土壤孢子（a）及菌根侵染状况（b）Fig.2 Soil spore(a)and mycorrhizal infection status of S.bicolor inoculated with different AMF(b)

2.2 接种AMF对高粱生长指标和生物量的影响

研究结果表明，接种AMF均可促进高粱的生长，且不同AMF对高粱生长和生物量的促进作用具有显著差异（P＜ 0.05）（图3）。其中，接种幼套球囊霉菌和摩西球囊霉菌对高粱生长的影响最为显著。与对照组相比，接种摩西球囊霉菌使得高粱植株高提高32.85%，接种幼套球囊霉菌后，高粱植株高提高17.71%（图3（a））。接种幼套球囊霉菌后，高粱叶长增加20.56%，接种其他类型的AMF对高粱叶长没有显著性差异（P ＜ 0.05）（图3（b））。接种摩西球囊霉菌和幼套球囊霉菌后，高粱叶宽分别增加27.50%、17.50%，显著高于其他处理（P＞0.05），接种近明球囊霉菌的实验组叶宽值最低（图3（c））。接种幼套球囊霉菌和摩西球囊霉菌后，高粱生物量分别提高90.57%、38.93%，其中接种摩西球囊霉菌后，高粱生物量达到最大值差异（P＞0.05），接种其他类型的AMF没有显著提高高粱幼苗的生物量（图 3（d））。

图3 接种AMF对高粱生长和生物量的影响（平均值±标准误）Fig.3 Effects of AMF inoculations on growth and biomass of S.bicolor(Mean±SE)

2.3 接种AMF对高粱叶绿素含量的影响

接种不同类型AMF对高粱叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量的影响具有显著差异（P＜ 0.05）（图4）。其中，接种近明球囊霉菌和摩西球囊霉菌使得高粱叶绿素a含量分别提高22.96%、17.27%。接种近明球囊霉菌和摩西球囊霉菌后高粱叶绿素a含量显著高于接种根内球囊霉菌（P＜0.05）。接种近明球囊霉菌的高粱叶绿素a含量最高，其次是接种摩西球囊霉菌处理组。接种根内球囊霉菌对高粱叶绿素a含量没有显著影响（P＞0.05）；接种摩西球囊霉菌促进高粱叶绿素b含量提高49.90%。接种不同类型AMF对高粱叶绿素总含量都有显著提高（P＜0.05）。接种摩西球囊霉菌后，叶绿素总含量提高26.56%，显著高于接种其他菌剂（P＜0.05）。

图4 接种AMF对高粱叶绿素含量的影响（平均值±标准误）Fig.4 Effects of AMF inoculations on the chlorophyll contents of S.bicolor(Mean±SE)

2.4 不同AMF侵染对高粱光合特性的影响

不同AMF对高粱的光合特性的影响具有显著差异（P＞0.05），接种AMF显著提高高粱的净光合速率（A）（P＜ 0.05）（表1）。接种根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌分别使高粱的A提高51.01%、54.36%。接种不同类型AMF对高粱Ci有不同的影响；接种近明球囊霉菌和根内球囊霉菌使高粱Ci分别增加94.79%和80.21%。接种四种类型AMF对高粱蒸腾速率（E）的影响明显不同（P＞0.05），其中，接种近明球囊霉菌使高粱的E提高70.34%，其他处理对高粱的E没有显著影响（P＞0.05）；接种近明球囊霉菌和根内球囊霉菌后，高粱气孔导度（Gs）分别提高81.89%和70.93%；接种摩西球囊霉菌的高粱WUE显著高于接种近明球囊霉菌和根内球囊霉菌的高粱WUE（P＜0.05），且接种摩西球囊霉菌使高粱的WUE达到最大值（表1）。

表1 接种不同AMF对高粱光合特性的影响Table 1 Effects of AMF inoculations on photosynthetic characteristics of S.bicolor

2.5 接种AMF对高粱氮素含量的影响

接种不同类型AMF对高粱铵态氮、硝态氮和亚硝态氮含量的影响均具有显著差异（P＜0.05）。与不接种相比，接种近明球囊霉菌、幼套球囊霉菌和根内球囊霉菌后，高粱铵态氮含量分别提高169.87%、167.42%、141.68%。接种近明球囊霉菌使高粱硝态氮含量增加58.38%，亚硝态氮含量增加36.28%（图5）。

图5 接种AMF对高粱氮素含量的影响（平均值±标准误）Fig.5 Effects of AMF inoculations on nitrogen contents of S.bicolor(Mean±SE)

3 讨论

高粱可与AMF形成植物-微生物共生体［20］。本研究用4种AMF接种于高粱根部，发现所有真菌均能在一定程度上促进高粱幼苗的生长，但高粱与不同AMF间的相互效应存在明显的不同（P＜0.05）。菌根侵染率是衡量植物根系菌根化的重要指标，侵染率越高说明菌根效应越强。接种摩西球囊霉菌后高粱植株菌根侵染率最高，生长速率明显加快，这与亓琳、杨国等人的研究结果一致［21-22］。在相同的土壤条件下，摩西球囊霉菌更容易与高粱幼苗建立共生关系。接种幼套球囊霉菌和摩西球囊霉菌均显著提高了高粱的株高，叶长及生物量（P＜0.05）。研究表明，AMF与植物共生后，会改变其根部的生长特性，充分活化根部，提高植株的抗病性［23］；同时，AMF可以显著提高植物萜类化合物的合成与土壤微量元素的吸收，在促进植物生长与调节次生代谢方面发挥着重要作用［24-25］。

光合作用对植物初级代谢具有重要意义，并且AMF促进植物生长的过程与其提高植物光合作用密切相关。叶绿素含量的多少在光合作用进行过程中起到关键性作用，是植物光合作用过程中最主要、最敏感的色素［26］。净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间二氧化碳是用来判断光合作用强弱的重要指标［27］。净光合速率反映的是植物有机物的积累即干物质的积累。本研究发现，接种根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌显著提高了高粱的净光合速率，接种近明球囊霉菌和根内球囊霉菌后，高粱气孔导度（Gs）分别提高81.89%和70.93%，说明近明球囊霉菌和根内球囊霉菌对植物控制叶片水蒸气和CO2扩散的通道方面具有一定的影响。王志刚等［28］证实接种AMF对神东矿区采煤沉陷地复垦植物恢复具有促进作用，接种AMF对矿区植物的生物量、净光合速率、气孔导度、和蒸腾速率等均有显著提高（P＜0.05）。本研究发现接种根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌后，净光合速率显著大于其他三组处理（P＜0.05），这可能是由于菌根形成与AMF自身生长繁殖需要消耗宿主植物部分的光合产物，从而改变了植物碳水化合物的输出和形成，促进了接种AMF的植株净光合速率的提高［29］。此外，高粱植株接种根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌后，叶绿素含量与对照组相比也显著增加（P＜0.05），一定程度上提高了净光合速率。

氮素是植物生长发育不可或缺的营养元素。接种AMF都提高了高粱植株铵态氮的含量，但接种幼套球囊霉菌、根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌后，植株内硝态氮与亚硝态氮的含量与对照组相比没有显著性差异。这表明AMF可以显著促进高粱对铵态氮的吸收与利用。铵态氮和硝态氮都可以直接被植物利用，但铵态氮的吸收主要是由被动运输完成，硝态氮的吸收则是跨细胞膜的主动运输［30］。AMF与植物共生后，产生的菌丝极大地拓展了植物根系的面积范围，并将土壤中的氮元素向根系富集，因此高粱的铵态氮含量才会明显提高［31］。

4 结论

本研究发现不同AMF对高粱生长和光合特性均有促进作用，其中幼套球囊霉菌和摩西球囊霉菌在提高高粱的株高、叶长和生物量方面的效果更显著（P＜0.05），根内球囊霉菌和摩西球囊霉菌可以显著增强高粱的净光合速率。此外，接种AMF还可以提高高粱的氮素利用效率。然而，自然界中AMF并不是单一存在，因此AMF与高粱幼苗根系及其他微生物之间的关系，以及AMF混合接种后对植物生长和生理生态特征的影响仍然需要进一步深入研究。