AM 真菌與氮交互作用對高粱根系侵染率及光合特性的影響

馬英慧，馬英智，馬英杰

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林長春 130033；2.長春市農(nóng)業(yè)科學(xué)院四平分院，吉林長春 130022）

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］又名蜀黍，是世界上僅次于小麥、水稻、玉米和大麥的第五大重要谷物，我國主要種植粒用高粱[1]。高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿特性和適應(yīng)性，是優(yōu)良的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)作物[2]。高粱是為數(shù)不多可在邊際性土地大面積推廣種植的能源作物，目前我國高粱種植面積為70%以上，主要集中在黑龍江、吉林以及遼寧西部和北部、內(nèi)蒙古中東部[3-4]，但產(chǎn)區(qū)栽培技術(shù)落后仍是制約高粱產(chǎn)量提高的主要原因。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AM真菌）廣泛存在于我國北方旱作區(qū)，能與80%的高等植物根系形成互利互惠的菌根共生體[5]。AM 真菌在植物根部形成的致密菌絲網(wǎng)能夠促進(jìn)植物生長發(fā)育，菌根的形成不僅可以幫助植物獲得更多的營養(yǎng)，還可以提高植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力，增強土壤的生物活性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。植物吸收的75%的氮是通過AM 真菌獲得的，而植物又會將10%～20%的碳水化合物及脂肪酸轉(zhuǎn)運給AM 真菌[7]。可見，生物肥料的利用是促進(jìn)高粱生長和生產(chǎn)的另一種途徑。

氮素在一定程度上直接影響生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，是構(gòu)成植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等重要有機化合物的主要成分[8]。據(jù)報道，供氮不足會造成作物在生長過程中葉綠素含量降低、光合速率下降、光合作用減弱、生長緩慢等問題[9]；過量施氮會降低作物根系活力，抑制根系生長，減少根系對氮素的吸收，甚至造成作物減產(chǎn)[10]。因此，合理施用氮肥對促進(jìn)高粱生長發(fā)育至關(guān)重要。

高粱是AM 真菌擴繁接種試驗的主要研究材料[11]。土壤氮的存在顯著影響了AM 真菌侵染植物根系的能力，AM 真菌的存在會減少植物對氮素的依賴，而土壤氮的增加又會造成AM 真菌群落組成產(chǎn)生改變，最終影響植物AM 真菌的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12]。氮與AM 真菌添加是否會通過影響植物光合特性來改善高粱的生長，目前這方面研究尚少。因此，本研究采用盆栽試驗，通過添加AM 真菌與不同濃度氮肥，探討氮與AM 真菌添加對高粱根系侵染率及光合特性的影響，旨在為高粱合理施用氮肥和生物菌肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗時間和地點

試驗于2021 年5—9 月在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱試驗區(qū)進(jìn)行。

1.2 試驗材料

供試高粱品種為吉雜355，屬中熟品種。吉雜355 需≥10 ℃活動積溫2 550 ℃左右，其生長發(fā)育的最適溫度為20～30 ℃。溫度過高，苗高且細(xì)弱；溫度過低，重者發(fā)生爛種，輕者幼苗生長緩慢。供試AM 真菌為摩西球囊霉（glomus mosseae，GM），每10 g 菌劑含有孢子（100±5）個，購置于北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所“叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫”。

供試土壤取自0～25 cm 耕作層，自然風(fēng)干后過小于5 mm 篩，其砂粒含量43%、粉粒含量40%、黏粒含量17%，pH 值8.24（土∶水=1.0∶2.5），有機質(zhì)含量18.43 g/kg，全氮、堿解氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別為838.14、39.18、8.46、8.37 mg/kg。為消除土中AM 真菌，將過篩后的供試土壤高壓蒸汽滅菌（115 kPa，120 ℃）2 h 后，放置于酒精擦拭過的塑料袋中備用。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用施氮和接種AM 真菌雙因素隨機區(qū)組設(shè)計，共6 個處理，每個處理設(shè)置6 個重復(fù)，共36 盆。根據(jù)查閱文獻(xiàn)以及生產(chǎn)實踐，設(shè)置了0、150、300 kg/hm23 個施氮水平（分別表示為N0、N1、N2），2 個AM 真菌處理：接菌處理表示為GM（每盆土壤中均勻混入50 g AM 真菌菌劑）、未接菌處理表示為NGM（每盆土壤中均勻混入50 g 滅菌菌劑）。

試驗用盆為無孔不透明塑料花盆，上部直徑33 cm、底部直徑30 cm、盆深40 cm。每盆裝供試土壤6 kg，并在土壤表面均勻鋪撒約2 cm 厚蛭石，以最大限度地減少土壤水分無效蒸發(fā)，同時防止灌水后出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象。挑選籽粒飽滿的高粱種子催芽后于5 月8 日播種，每盆播8 粒，5 月19 日出苗，在三葉期（5 月27 日）定植1 株。種植期間，定期定量澆水。

1.4 樣品采集與測定

在高粱生長至灌漿期（8 月18 日，晴天）進(jìn)行各指標(biāo)測定及根系取樣。根系取樣：將高粱植株從花盆中連根土取出，放入水池中浸泡沖洗，沖洗干凈后收集鮮嫩細(xì)根，用70%乙醇保存，待測AM 真菌對高粱根系侵染率。

1.4.1 高粱根系侵染率的測定

首先，參考VIERHEILIG 等[13]的醋酸墨水染色法進(jìn)行染色。褪色后將各處理著色后的根系剪成1 cm 左右的根段，隨機抽取30 根放于10 個載玻片上用體視正置顯微鏡觀察，計算AM 真菌對高粱根系侵染率，公式如下

1.4.2 葉綠素含量測定

葉綠素含量采用95%酒精提取法測定。選取新鮮完整旗葉，去掉主葉脈后將其剪碎，稱取0.05 g 放置于25 mL 容量瓶，定容后在避光處放置24 h。各處理選取3 盆進(jìn)行測量，取平均值。在波長649、665 nm 處用分光光度計測定，計算公式如下

式中，Ca表示葉綠素a 濃度；Cb表示葉綠素b 濃度；V 表示定容后體積；W 表示葉片鮮重；n 表示稀釋倍數(shù)。

1.4.3 光合特性測定

8：30—10：30，選取每盆高粱自上而下第3～5 片葉片中的1 片，使用LI-6800 便攜式光合儀測定氣孔導(dǎo)度（Gs）、葉片凈同化速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）。各處理選取3 盆進(jìn)行測量，取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 26.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行方差分析，Originpro 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮與AM 真菌添加下高粱根系侵染狀況

由圖1 可知，接菌處理后高粱根系有侵染現(xiàn)象，未接菌處理未發(fā)生侵染現(xiàn)象。

圖1 AM 真菌對高粱根系的侵染Figure 1 Infection of AM fungi on sorghum root

由表1 可知，氮處理和AM 真菌處理對高粱根系侵染率有顯著影響（P＜0.05），二者對高粱根系侵染率也存在顯著交互作用（P＜0.05）。在接菌處理下，相較于N0 水平，N1 和N2 水平高粱根系侵染率分別降低35.38%和30.77%（P＜0.05），N1 與N2 水平間無顯著差異（P＞0.05），表明施氮會顯著降低高粱根系侵染率。

表1 氮與AM 真菌添加下高粱根系侵染率Table 1 Root infection rate of sorghum after applying nitrogen and AM fungi

2.2 氮與AM 真菌添加下高粱葉片葉綠素含量變化

由圖2 可知，氮處理和AM 真菌處理對高粱葉片葉綠素含量有顯著影響（P＜0.05），二者對高粱葉片葉綠素含量不存在顯著交互作用（P＞0.05）。未接菌處理下，相較于N0 水平，N1 和N2 水平高粱葉片葉綠素含量分別提高8.36%、6.07%（P＜0.05），N1 與N2 水平間無顯著差異（P＞0.05）。接菌處理下，相較于N0 水平，N1 和N2 水平高粱葉片葉綠素含量分別提高5.91%、4.14%（P＜0.05），N1 與N2 水平間無顯著差異（P＞0.05），這表明無論接菌與否，施氮后高粱葉片中葉綠素含量均有顯著提高的趨勢。在N0、N1 和N2 水平下，與未接菌處理相比，接菌處理均顯著提高了高粱葉片葉綠素含量，分別提高10.80%、8.29%、8.78%（P＜0.05），這表明在3 個施氮水平下，接菌會顯著提高高粱葉片葉綠素含量。

圖2 氮與AM 真菌添加下高粱葉片葉綠素含量Figure 2 Chlorophyll content of sorghum leaves by applying nitrogen and AM fungi

2.3 氮與AM 真菌添加下高粱葉片氣孔導(dǎo)度變化

由圖3 可知，氮處理和AM 真菌處理對高粱葉片氣孔導(dǎo)度有顯著影響（P＜0.05），二者對高粱葉片氣孔導(dǎo)度也存在顯著交互作用（P＜0.05）。未接菌處理下，施氮對高粱葉片氣孔導(dǎo)度無顯著影響（P＞0.05）。接菌處理下，相較于N0 水平，N1 和N2水平高粱葉片氣孔導(dǎo)度分別降低15.96%、19.54%（P＜0.05），表明接菌條件下，施氮有顯著降低高粱葉片氣孔導(dǎo)度的趨勢。在N0 水平下，接菌處理后高粱葉片氣孔導(dǎo)度較未接菌處理顯著提高22.80%（P＜0.05），表明不施氮處理下，接菌有顯著提高高粱葉片氣孔導(dǎo)度的趨勢。

圖3 氮與AM 真菌添加下高粱葉片氣孔導(dǎo)度Figure 3 Gs of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.4 氮與AM 真菌添加下高粱葉片凈同化速率變化

由圖4 可知，氮處理和AM 真菌處理對高粱葉片凈同化速率有顯著影響（P＜0.05），二者對高粱葉片凈同化速率不存在顯著交互作用（P＞0.05）。未接菌處理下，相較于N0 水平，N1 和N2 水平高粱葉片凈同化速率分別提高了5.36%、6.68%（P＜0.05），N1與N2 水平間無顯著差異（P＞0.05）。接菌處理下，N1水平高粱葉片凈同化速率比N0 和N2 水平分別提高5.95%、3.92%（P＜0.05），表明無論接菌與否，適量施氮后高粱葉片凈同化速率均有顯著提高的趨勢。在N0、N1、N2 水平下，與未接菌處理相比，接菌處理均顯著提高了高粱葉片凈同化速率，分別提高8.86%、9.47%、4.03%（P＜0.05），表明在3 個施氮水平下，接菌均會顯著提高高粱葉片凈同化速率。

圖4 氮與AM 真菌添加下高粱葉片凈同化速率Figure 4 Pn of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.5 氮與AM 真菌添加下高粱葉片蒸騰速率變化

由圖5 可知，氮處理和AM 真菌處理對高粱葉片蒸騰速率有顯著影響（P＜0.05），二者對高粱葉片蒸騰速率也存在顯著交互作用（P＜0.05）。未接菌處理下，施氮對高粱葉片蒸騰速率無顯著影響（P＞0.05）。接菌處理下，高粱葉片蒸騰速率隨施氮水平的增加而顯著降低，相較于N0 水平，N1 與N2 水平高粱葉片蒸騰速率分別下降8.98%、24.57%（P＜0.05），這表明在接菌處理下，施氮不利于高粱葉片蒸騰速率的提高。在N0、N1 水平下，與未接菌處理相比，接菌處理均顯著提高了高粱葉片蒸騰速率，分別提高24.85%、16.14%（P＜0.05），這表明不施氮或少施氮處理下，接菌會顯著提高高粱葉片蒸騰速率。

圖5 氮與AM 真菌添加下高粱葉片蒸騰速率Figure 5 Tr of sorghum leaves after applying nitrogen and AM fungi

2.6 各指標(biāo)間相關(guān)性分析

由圖6 可知，添加AM 真菌后，高粱根系侵染率與葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、凈同化速率、蒸騰速率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），葉片葉綠素含量與凈同化速率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

圖6 各指標(biāo)間相關(guān)性Figure 6 Correlation among indicators

3 討論

AM 真菌與植物形成的菌根重塑了根系結(jié)構(gòu)，擴大了根系的吸收范圍[14]。氮添加會一定程度上影響AM 真菌泡囊的形成及對根系的侵染，土壤氮含量的增加可使缺氮區(qū)菌根侵染率增加[15-16]。本研究結(jié)果表明，AM 真菌對高粱根系侵染率隨施氮水平的上升而顯著下降（P＜0.05）。JOHNSON[17]研究認(rèn)為，氮添加導(dǎo)致土壤氮富集，從而降低了寄主植物向AM真菌所分配的碳量，導(dǎo)致根系侵染率降低。田明慧等[18]研究表明，在兩個氮肥水平（180、270 kg/hm2）下接種AM 真菌均能提高玉米根系侵染率，其中低氮條件下AM 真菌侵染潛力更大。本研究結(jié)果與田明慧等[18]的研究結(jié)果不一致，其原因可能與施氮量、播種前土壤環(huán)境條件、作物品種等有關(guān)。

氮是植物生長的必需養(yǎng)分，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸和葉綠素的組成成分[19]。葉綠素含量的高低是反映其光合能力的重要指標(biāo)[20]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，接菌處理下，適量施氮有顯著提高高粱葉片葉綠素含量和凈同化速率的趨勢（P＜0.05），而施氮有顯著降低高粱葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的趨勢（P＜0.05）。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)渥銜r，植物可合成較多的蛋白質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞分裂和增長，因此植物能有更多的葉面積用來進(jìn)行光合作用[21]。目前，大部分對植物氮營養(yǎng)和光合作用之間影響的研究表明，氮添加會引起葉片氮含量增加，使植物的凈光合速率升高，過量的氮素水平則會降低光合速率[22]。據(jù)報道，葉片氣孔導(dǎo)度和葉片氮素含量間具有交互作用[23]，施氮后葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降可能是由于水勢下降導(dǎo)致原生質(zhì)體的水合度降低，影響了保衛(wèi)細(xì)胞膨壓，從而對葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

AM 真菌可以通過延長根的長度和深度來提高植物的水分吸收和葉水勢來控制葉片氣孔大小和蒸騰作用[24]。本研究結(jié)果表明，在3 個施氮水平下，接菌有顯著提高高粱葉片葉綠素含量、凈同化速率的趨勢，致使高粱光合速率提升（P<0.05）。光合作用產(chǎn)生的ATP 是綠色植物生長發(fā)育的主要來源，直接影響其生長發(fā)育，AM 真菌可以通過增加光合色素積累、促進(jìn)葉綠體中CO2擴散、增強電子擴散來提高光合速率[25-26]。目前，在施氮處理下接種AM 真菌對植物光合特性指標(biāo)的研究尚少，未施氮的研究中，接種AM 真菌可促進(jìn)高粱[27]、玉米[28]、大豆[29]、葡萄[30]等植物葉綠素含量的增加。前人研究發(fā)現(xiàn)，接種AM 真菌可提高植物葉片氣孔導(dǎo)度[31]、凈同化速率[32]、蒸騰速率[33]，從而促進(jìn)植物生物量的增加和光合產(chǎn)物的積累。本研究結(jié)果中高粱葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的研究與該結(jié)果不一致，其原因可能與研究作物和AM 真菌添加量有關(guān)。此外，王琚鋼等[34]研究發(fā)現(xiàn)，AM 真菌可以通過協(xié)調(diào)各種植物激素的平衡來實現(xiàn)對植物的調(diào)節(jié)，例如，AM 真菌通過促進(jìn)植物氣孔關(guān)閉來減少蒸騰失水，以及通過激活許多脅迫響應(yīng)基因表達(dá)來調(diào)節(jié)植物生理光合特性[35]。

本研究結(jié)果顯示，添加AM 真菌后高粱根系侵染率與葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、凈同化速率、蒸騰速率呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。近年來，宿主植物和AM 真菌之間的營養(yǎng)交換和調(diào)節(jié)框架已經(jīng)建立[36]。根系侵染率與光合特性之間的動態(tài)調(diào)節(jié)是植物維持穩(wěn)定共生關(guān)系的策略。因此，理解AM 真菌與光合特性之間的相關(guān)性及協(xié)同效應(yīng)是運用生物肥料來發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必要前提。

4 結(jié)論

氮處理和AM 真菌處理對高粱根系侵染率、葉片氣孔導(dǎo)度、葉片蒸騰速率存在顯著交互作用（P<0.05）。接菌處理下，適量施氮有顯著提高高粱葉片葉綠素含量和凈同化速率的趨勢（P<0.05），而施氮會顯著降低高粱根系侵染率、葉片氣孔導(dǎo)度和葉片蒸騰速率（P<0.05）。相關(guān)性分析表明，添加AM 真菌后，高粱根系侵染率與葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、凈同化速率、蒸騰速率呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。