叢枝菌根真菌促進(jìn)南美蟛蜞菊在低磷環(huán)境下的生長

陳琪 程浩 李琴 賀芙蓉 吳聞文 祁珊珊 戴志聰 杜道林

摘要：目前，外來入侵植物南美蟛蜞菊已經(jīng)造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。盡管已經(jīng)有很多研究報道了南美蟛蜞菊快速擴(kuò)張的機(jī)制，但是關(guān)于南美蟛蜞菊在低營養(yǎng)環(huán)境下依舊能夠保持較快擴(kuò)散能力機(jī)制的研究卻很少。旨在探討不同磷環(huán)境下叢枝菌根真菌對南美蟛蜞菊快速生長的影響及其機(jī)制。結(jié)果表明，叢枝菌根真菌與南美蟛蜞菊可以形成良好的共生關(guān)系，在低磷環(huán)境下，可以明顯優(yōu)化南美蟛蜞菊的生物量分配策略，地下、地上的生物量分配支持最優(yōu)分配理論。此外，叢枝菌根真菌可以顯著提高低磷環(huán)境下南美蟛蜞菊葉片中的茉莉酸、赤霉素含量，從而促進(jìn)植物生長。以上研究結(jié)果說明，叢枝菌根真菌可以通過調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素含量而對南美蟛蜞菊的生物量分配策略產(chǎn)生影響，從而促進(jìn)南美蟛蜞菊在低磷環(huán)境下的快速生長與擴(kuò)張。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根真菌;南美蟛蜞菊;激素;入侵植物;資源分配策略

中圖分類號： S451;S182文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0103-05

收稿日期：2019-03-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：31700342、31600326、31770446）;江蘇省自然科學(xué)基金（編號：BK20150503）。

作者簡介：陳?琪（1994—），男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事入侵生態(tài)學(xué)研究。Tel：（0511）88790955;E-mail：chen1455526947@163.com。

通信作者：祁珊珊，博士，講師，從事入侵生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)等方面的研究。Tel：（0511）88790955;E-mail：qishanshan1986120@163.com。

隨著人類社會的進(jìn)步與發(fā)展，國家間經(jīng)濟(jì)貿(mào)易自由及人員交流的全球化進(jìn)程不斷加快，外來植物入侵（alien plant invasion）已經(jīng)成為全球性問題。入侵植物不僅對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)、生物多樣性造成嚴(yán)重破壞，還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響尤為嚴(yán)重[1]。2017年在浙江杭州召開的第三屆國際入侵生物學(xué)大會（ICBI 2017）指出：中國的外來入侵物種已達(dá)620余種，其中入侵植物500多種，造成了逾2 000億元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失。對于外來植物入侵的機(jī)制，研究人員給出了很多假說和解釋[2-5]，其中部分入侵植物在新棲息地能夠充分利用資源（甚至是低營養(yǎng)環(huán)境）而擁有快速生長的能力，從而促進(jìn)其成功入侵[6]。營養(yǎng)對于植物來說是至關(guān)重要的，然而即使在營養(yǎng)匱乏的環(huán)境中，如沙地、城市建筑荒地等[7-8]，入侵植物依然能夠快速地生長，其原因尚不清晰。

叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizal）是植物界存在的最古老、最廣泛的共生組織之一，迄今為止已有4億年的歷史[9]。叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AMF）可以侵染80%以上的植物根部并與植物形成高效的共生關(guān)系[10]。這種高效的共生體主要依靠真菌在植物根部遍布的菌絲形成的菌絲網(wǎng)絡(luò)[11]，從而為植物提供必需的礦物質(zhì)和營養(yǎng)元素，例如磷、氮等[12-13]。而作為回報，植物則給真菌提供光合產(chǎn)物有機(jī)碳源[14]。正因為這樣，AMF可以提高植物在逆境下對營養(yǎng)元素的利用效率[15]，卻會在營養(yǎng)充足的環(huán)境中削弱與植物的共生關(guān)系[16]。相關(guān)研究表明，AMF能夠促進(jìn)植物對磷元素的吸收[12]，影響植物的生長[17]，并且能夠促進(jìn)入侵植物的生長[18]，進(jìn)而提高其競爭力[19]。南美蟛蜞菊[Wedelia trilobata （L.） A.S. Hitchc.]是原產(chǎn)于南美洲的一種多年生常綠克隆植物[20]，目前被列為世界上100種惡性入侵種之一[21]。自20世紀(jì)70年代被引入我國華南以來，南美蟛蜞菊快速生長傳播，目前已在地表形成濃密的覆蓋層，排擠當(dāng)?shù)刂参锏纳婵臻g，并在荒地形成大片單一的密集種群，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)刂参锏亩鄻有?，甚至?xí)斐缮鷳B(tài)系統(tǒng)的功能失衡[22]。雖然目前關(guān)于南美蟛蜞菊局部適應(yīng)性和表型可塑性研究[23]、分子角度對南美蟛蜞菊的入侵性研究[24]、南美蟛蜞菊的化感作用研究[25]等相關(guān)研究已有很多，但是關(guān)于AMF在南美蟛蜞菊應(yīng)對低磷環(huán)境影響的作用及其應(yīng)對機(jī)制卻鮮有研究。

因此，本研究致力于探討AMF在低磷營養(yǎng)環(huán)境中對南美蟛蜞菊生長的作用，以期揭示南美蟛蜞菊在低磷環(huán)境中快速擴(kuò)張的機(jī)制，豐富和發(fā)展入侵生態(tài)學(xué)理論，為外來植物入侵的科學(xué)防治工作提供理論基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本試驗選取的入侵植物南美蟛蜞菊采自我國海南省?？谑校诮K大學(xué)溫室內(nèi)擴(kuò)繁。選取生長健康、長勢（長短、粗細(xì)）一致的南美蟛蜞菊莖段，每個莖段保留2個莖節(jié)，所有莖段均在5%次氯酸鈉溶液中表面消毒滅菌10 min，然后用無菌水洗滌5次備用。

AMF選用的地表球囊霉（Glomus versiforme，簡稱GV）購自北京農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所。本試驗所用GV菌劑為自行擴(kuò)繁后的含培養(yǎng)基質(zhì)、孢子、菌絲和侵染根段的混合物，其孢子數(shù)量為 4個/g。具體擴(kuò)繁過程如下：選取粒徑小于2 mm、洗凈后的河沙與沸石（按體積比1 ∶1混合均勻）作為基質(zhì)，裝在布袋中，于121 ℃高壓滅菌2 h;烘干冷卻后，裝入消過毒的花盆（20 cm×15 cm×15 cm）中至約2/3高度，將100 g菌劑均勻撒在花盆中，接著鋪上2 cm厚的基質(zhì);將高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench]種子表面消毒、洗凈后點播在基質(zhì)中，每盆播種5粒種子，最后用基質(zhì)將種子蓋好，將其置于溫室中，用無菌水澆灌培養(yǎng)4個月，其間每周補充1次300 mL的1×Hoaglands營養(yǎng)液;收獲時去除地上部分和表層基質(zhì)后，將根剪碎，與地下部分的基質(zhì)混合均勻，自然風(fēng)干后裝入密封袋內(nèi)，于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2?試驗設(shè)計

本試驗采用盆栽培養(yǎng)，共設(shè)置4個處理。營養(yǎng)濃度處理：（1）正常營養(yǎng);（2）低磷營養(yǎng)。AMF處理：（1）不添加GV菌劑;（2）添加GV菌劑。正常營養(yǎng)處理的植株添加含有181.3 mg/L氮、30.9 mg/L磷的1×Hoaglands營養(yǎng)液;低磷營養(yǎng)處理的植株添加含有 181.3 mg/L 氮、1.545 mg/L磷的低磷1×Hoaglands營養(yǎng)液。其中，氮、磷的形式分別為NO-3、PO3-4。

本試驗采用沙培法培養(yǎng)，每個方形塑料盆（10 cm×10 cm×10 cm）中含有700 g洗凈、滅菌烘干的河沙（直徑<2 mm，無任何營養(yǎng)添加）。其中，添加AMF的處理方法如下：將5 g GV菌劑與695 g河沙混合均勻后加入盆中;將選取的植物莖段垂直扦插在花盆中的相同位置，每盆插入1個莖段，保持1個莖節(jié)埋在沙中，所有植株均放置于相對濕度為70%、溫度為25 ℃、光—暗周期為16 h—8 h的溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。每天用蒸餾水澆灌植物，并且每3 d分別添加50 mL正常或低磷的1×Hoaglands營養(yǎng)液，共培養(yǎng)2個月，在此期間每盆共計添加1 000 mL正常營養(yǎng)或低磷營養(yǎng)的Hoaglands營養(yǎng)液。

1.3?菌根定殖率的測定

依據(jù)Phillips等的方法評估菌根定殖率[26]。從方盆3 cm深處取出大小合適的幼根，用蒸餾水輕輕洗凈后切成2 cm的碎片。然后在10% KOH中消化，接著放入H2O2中漂洗，隨后用1% HCl酸化，再用0.05%臺盼藍(lán)染色，最后用50%乳酸脫色后，在顯微鏡下觀察。

1.4?葉片激素含量的測定

用酶聯(lián)免疫吸附法測定茉莉酸、赤霉素含量[27]。

1.5?數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17.0，采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）進(jìn)行不同處理間的差異顯著性分析（Duncans test，α=0.05）。用Origin 8.1對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果進(jìn)行作圖。

2?結(jié)果與分析

由圖1可以看出，在正常營養(yǎng)、低磷營養(yǎng)處理下，GV在南美蟛蜞菊根部均有定殖，但是在低磷處理下GV的定殖率（62.7%）顯著高于正常營養(yǎng)處理下GV的定殖率（4.3%）。

由表1可以看出，AMF對植株的4個生長指標(biāo)都有顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）影響。由圖2-A、圖2-B可以看出，與對照組相比，添加GV顯著增加了低磷、正常營養(yǎng)處理下的地上、地下部生物量（P<0.05）。由圖2-C、圖2-D可以看出，在低磷處理下，添加GV顯著提高了生物量的根冠比（P<0.05），但是顯著降低了根長與莖長的比值;此外還可以看出，在正常營養(yǎng)條件下，添加GV與不添加GV處理間的根冠比、根長與莖長的比值均無顯著差異。由圖3、圖4可以看出，添加GV顯著增加了低磷處理下南美蟛蜞菊體內(nèi)的茉莉酸、赤霉素含量（P<0.05）。

3?討論

本研究發(fā)現(xiàn)，AMF與南美蟛蜞菊可以形成良好的共生關(guān)系，在低磷環(huán)境下，可以通過增加地下部分的生物量投入來優(yōu)化南美蟛蜞菊生物量的分配策略。此外，添加AMF可以顯著提高低磷處理下南美蟛蜞菊體內(nèi)的茉莉酸、赤霉素含量，對南美蟛蜞菊的生物量分配策略進(jìn)行調(diào)控，從而促進(jìn)植物生長。這些發(fā)現(xiàn)可以部分解釋南美蟛蜞菊在營養(yǎng)貧瘠的環(huán)境中依舊能夠快速生長的原因，同時也表明，AMF在外來植物入侵中發(fā)揮著重要作用。本研究還發(fā)現(xiàn)，在低磷處理下的GV在南美蟛蜞菊根部的定殖率顯著高于正常營養(yǎng)處理。在資源豐富的環(huán)境中，叢枝菌根真菌的定殖率和生物量往往會下降[16，28]，這是因為植物通過根部的吸收作用就能滿足本身的需求，而在低營養(yǎng)環(huán)境中則需要與AMF相互合作，在結(jié)合部位投入更多的能量，通過遍布根部的菌絲來捕獲有限的資源[11]，如磷元素等[12]。

自然環(huán)境中的資源分布是不均勻的，當(dāng)植物受到低營養(yǎng)脅迫時，會通過調(diào)整根系生長趨勢，如改變資源分配策略來應(yīng)對逆生境[29]。最優(yōu)分配理論（optimal allocation theory）指出，植物應(yīng)當(dāng)分配資源來增強對稀缺資源的獲取能力[30]。本研究結(jié)果顯示，在低磷環(huán)境下添加GV，可以顯著提高地下生物量，從而顯著提高南美蟛蜞菊的根冠比;然而添加GV后，低磷處理下南美蟛蜞菊的根長顯著縮短。研究結(jié)果表明，GV極有可能通過增加根的數(shù)量而非根長來提高根的有效吸收面積、擴(kuò)大根對磷營養(yǎng)的“覓食”范圍、增強對稀缺資源的獲取，從而提升南美蟛蜞菊應(yīng)對低磷環(huán)境脅迫下的資源分配調(diào)節(jié)能力。植物激素是植物自身產(chǎn)生的微量高效、能調(diào)節(jié)自身生理生化功能的有機(jī)物。茉莉酸、赤霉素是2種廣泛存在于植物體內(nèi)的、能有促進(jìn)植物生長發(fā)育的植物激素。茉莉酸可以影響植物的新陳代謝，主要參與種子萌發(fā)[31]、植物生長[32]和病蟲抗逆性形成[33]等植物生理過程。研究表明，茉莉酸可以幫助入侵植物躲避食草動物，從而促進(jìn)植物入侵[34]。赤霉素能夠調(diào)節(jié)植物生長并影響植物發(fā)育[35]。內(nèi)源赤霉素含量與入侵植物南美蟛蜞菊的莖長、不定根長度呈正相關(guān)，因此加快了入侵植物的生長并提升了其入侵競爭力[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低磷處理下，GV可以顯著提高葉片中的茉莉酸、赤霉素含量，說明在低磷環(huán)境中，AMF極有可能通過增加植物體內(nèi)的激素含量來促進(jìn)南美蟛蜞菊的生長。

已有研究發(fā)現(xiàn)，AMF可以誘導(dǎo)獨腳金內(nèi)酯的合成，進(jìn)而提高植物的抗旱能力[37];AMF也可調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素含量，從而使植物應(yīng)對環(huán)境變化引起的根部壓力損傷[38]。此外，AMF可以刺激植物內(nèi)源生長素的增加、改善鹽脅迫下營養(yǎng)的獲取等[39]。因此可見，AMF可以通過調(diào)節(jié)植物激素表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的方式來調(diào)節(jié)植物應(yīng)對環(huán)境脅迫的方式。本研究發(fā)現(xiàn)，AMF可以增加植物體內(nèi)的赤霉素、茉莉酸水平，從而優(yōu)化南美蟛蜞菊的資源分配策略、調(diào)節(jié)根的發(fā)育以應(yīng)對低磷脅迫，最終實現(xiàn)在低磷環(huán)境中的快速生長。未來可以從如何破除AMF與南美蟛蜞菊的共生關(guān)系入手，進(jìn)一步研究相應(yīng)的方法，以實現(xiàn)對南美蟛蜞菊的防治。

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