供體室和受體室紫花苜蓿根系間菌絲網(wǎng)絡(luò)形成的時(shí)間效應(yīng)

供體室和受體室紫花苜蓿根系間菌絲網(wǎng)絡(luò)形成的時(shí)間效應(yīng)

氨基葡萄糖菌（amf）能形成80%以上的共生系統(tǒng)，占土壤微生物總數(shù)的5%36%。這是土壤中最大的幾種細(xì)菌。菌根真菌與宿主植物形成共生后,能改善植物的養(yǎng)分和水分狀況,促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物對(duì)生物和非生物脅迫的耐性和抗性,維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。叢枝菌根真菌侵染宿主植物根系后,一方面在植物根內(nèi)形成叢枝結(jié)構(gòu),另一方面向根外延伸,在土壤中形成菌絲網(wǎng)絡(luò)。由于叢枝菌根真菌的宿主專一性不強(qiáng),根外菌絲在延伸過程中可侵染其他植物根系,從而形成植物根間菌絲網(wǎng)絡(luò)。研究表明,同種或不同植物根系間均能形成根間菌絲網(wǎng)絡(luò),而菌絲網(wǎng)絡(luò)對(duì)植物間的資源(養(yǎng)分)再分配有重要作用,可以實(shí)現(xiàn)從資源豐富方(源)向資源匱乏方(庫)的傳遞,包括碳、磷和氮的傳遞,從而影響植物系統(tǒng)內(nèi)的資源配置,進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)力。微生物空間格局受多種因子如土壤類型、pH和植被等的影響。自然草原生態(tài)系統(tǒng)中,土壤中的真菌群落在小尺度上,即土壤質(zhì)地可視為均一的局域內(nèi)同樣具有較大的空間異質(zhì)性,這會(huì)造成相鄰植物菌根共生程度的動(dòng)態(tài)差異。菌絲網(wǎng)絡(luò)做為菌根真菌二次侵染的良好載體,在相鄰植物菌根共生形成中發(fā)揮著重要作用。反言之,菌絲網(wǎng)絡(luò)的形成也會(huì)受到介導(dǎo)植物生物學(xué)特性及土壤理化性質(zhì)的影響。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是典型的多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草,栽培地域廣,種植面積大,其營養(yǎng)、飼用價(jià)值居于各種牧草之首,其在培肥和土壤改良中也具有重要作用,因而廣泛用于干旱、貧瘠及污染土壤的生態(tài)恢復(fù)研究。十字花科植物獨(dú)行菜(LepidiumspetalumL.)是典型的非菌根宿主植物,禾本科植物羊草[Leymuschinensis(Trin.exBunge)Tzvelev]是典型的草原建群種,具有龐大的根莖系統(tǒng),自然條件下菌根侵染率和菌根依賴性均較低,但二者與紫花苜蓿在自然生態(tài)系統(tǒng)中廣泛共存。本研究以紫花苜蓿為主要供試植物,通過三分室根箱系統(tǒng),在一側(cè)分室對(duì)紫花苜蓿接種叢枝菌根真菌做為供體植物,研究時(shí)間和不同植物的介導(dǎo)作用對(duì)另一側(cè)受體紫花苜蓿菌根共生和生長(zhǎng)的影響,旨在揭示植物根間菌絲網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制及其在調(diào)節(jié)植物種間關(guān)系中的作用,從而為全面認(rèn)識(shí)叢枝菌根真菌的生態(tài)功能并推動(dòng)菌根技術(shù)的生態(tài)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1土壤微生物指標(biāo)供試土壤采自中國科學(xué)院植物研究所多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗(yàn)示范研究站(116.48°E,42.18°N)。土壤基本理化性質(zhì)如下:pH值(水土比1∶2.5)7.02,速效磷(0.5mol/LNaHCO3提取,鉬銻抗比色)6.73mg/kg,速效氮(堿解氮)8.46mg/kg(按鮑士旦的方法測(cè)定)。土壤過2mm篩后輻照滅菌(25kGy,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能所輻照中心),并添加土壤微生物過濾液。供試植物為紫花苜蓿(購于北京金土地技術(shù)研究所)、羊草(吉林羊草研究所提供)和獨(dú)行菜(購于國家蔬菜工程技術(shù)研究中心)。叢枝菌根真菌菌種為根內(nèi)球囊霉(GlomusintraradicesBGCAH01),由北京市農(nóng)林科學(xué)院中國叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(BGC)提供,采用濕篩傾析—蔗糖離心法篩取菌劑中的孢子作為接種劑。試驗(yàn)采用如圖1所示的PVC板加工的三分室根箱作為培養(yǎng)容器,分室間以孔徑37μm的尼龍網(wǎng)分隔,允許菌根根外菌絲穿過而植物根系無法穿過。1.2方法及設(shè)備在植物生長(zhǎng)和生理生長(zhǎng)過程中的作用本研究包括兩部分試驗(yàn):(1)時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn):在分室培養(yǎng)系統(tǒng)的供體室和受體室均種植紫花苜蓿,并在供體室接種叢枝菌根真菌,采用孢子接種的方法,3000個(gè)孢子/盆。中間分室不做任何處理。相同處理總計(jì)16盆,在植物生長(zhǎng)8周、10周、12周和14周時(shí)4次收獲,每次收獲4盆。(2)介導(dǎo)植物效應(yīng)試驗(yàn):供體室和受體室種植植物及接種菌根真菌處理同時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn),但在中間區(qū)隔分室分別種植紫花苜蓿、羊草或獨(dú)行菜,并設(shè)置無介導(dǎo)植物對(duì)照。植物生長(zhǎng)12周后收獲。試驗(yàn)共4個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)5次重復(fù)。兩個(gè)試驗(yàn)均在中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心人工智能溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)前挑選大小一致且籽粒飽滿的植物種子,用10%H2O2表面消毒10min,再以蒸餾水沖洗多次后于25℃恒溫培養(yǎng)箱催芽,出芽后播種。出苗1周后間苗,每分室留苗3株。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)溫度設(shè)定為25℃,空氣濕度為60%,白天時(shí)長(zhǎng)14h,光照不足時(shí)以高壓鈉燈補(bǔ)光。植物生長(zhǎng)期間定期澆灌去離子水,稱重法保持土壤重量含水量在15%(田間持水量70%左右)。1.3指標(biāo)和方法的測(cè)量1.3.1烘干前后根系樣品的測(cè)定植物地上部和地下部分別收獲,并用自來水和去離子水沖洗干凈,置80℃烘箱中烘至恒重后稱取干物重。根系樣品在烘干前先分析根長(zhǎng)。采用掃描儀(EpsonV700,Japan)將根系掃描成電子圖像,應(yīng)用Win-Rhizo(Regent,Canada)軟件對(duì)根系掃描圖像進(jìn)行分析,獲得植物根長(zhǎng)數(shù)據(jù)。1.3.2乳酸甘油染色菌根侵染率采用曲利苯藍(lán)染色-根段法測(cè)定。隨機(jī)挑選部分植物根系,洗凈后剪成約1cm左右小段,10%KOH90℃軟化60min,水洗后用2%的HCl酸化5min,直接加入含0.05%曲利苯藍(lán)的乳酸甘油溶液90℃染色30min,乳酸甘油溶液脫色。隨機(jī)挑選30條脫色好的根段制片鏡檢。1.3.3病原菌感染密度測(cè)定菌根菌絲密度采用曲利苯藍(lán)染色-方格交叉法測(cè)定。取過2mm篩的4g土壤樣品混合100mL水和12mL3.7%六偏磷酸鈉溶液,經(jīng)振蕩30s后靜置2.5min,過0.05mm篩,收集篩上過濾物于勻漿機(jī)攪拌20s,靜置10s,吸取5mL于0.22μm微孔濾膜抽濾,曲利苯藍(lán)染色制片,顯微鏡下觀測(cè),根據(jù)菌絲與方格網(wǎng)線交叉點(diǎn)計(jì)數(shù)計(jì)算菌絲密度。1.3.4等離子體發(fā)射法檢測(cè)植株全磷將烘干植物樣品用球磨儀(Retsch-MM400,Germany)粉碎,稱取0.5000g至消解管中,加入10mL優(yōu)級(jí)純硝酸,微波消解萃取儀(CEM-MARS,USA)消解,50mL容量瓶定容后過濾,用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀(Leeman-Prodigy,USA)測(cè)定植株全磷含量。1.4數(shù)據(jù)分析方法所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用MicrosoftExcel進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)誤計(jì)算并作圖,菌根侵染率通過反正弦(arcsin)轉(zhuǎn)化,使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS16.0forWindows,SPSSInc,Chicago,USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)供體植物和受體植物觀測(cè)數(shù)據(jù)采用雙因素方差分析,而對(duì)受體室菌絲密度及介導(dǎo)植物觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。根據(jù)方差分析結(jié)果采用Duncan新復(fù)極差法對(duì)各處理進(jìn)行多重比較。2結(jié)果與分析2.1培養(yǎng)時(shí)間和誘導(dǎo)植物對(duì)細(xì)菌根侵入的影響2.1.1種植物對(duì)不同區(qū)域菌根初始生長(zhǎng)的影響在時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn)中,植物培養(yǎng)8周時(shí)供體和受體植物紫花苜蓿根系均可檢測(cè)到典型的菌根共生結(jié)構(gòu),但供體植物菌根侵染率顯著高于受體植物(高出2.63倍);隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng),供體和受體植物菌根侵染率均逐漸升高,10周以后兩者已無顯著差異(圖2,A)。試驗(yàn)結(jié)果表明供體和受體植物之間的菌絲網(wǎng)絡(luò)在第8周即已建成,而到第10周菌絲網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已趨于穩(wěn)定。在介導(dǎo)植物效應(yīng)試驗(yàn)中,介導(dǎo)植物對(duì)供體和受體紫花苜蓿的菌根侵染率均無顯著影響;所有處理中紫花苜蓿根系均能與菌根真菌形成良好共生,菌根侵染率在26%～44%之間(圖2,B)?；诓煌参锷飳W(xué)特性存在差異,我們預(yù)期不同介導(dǎo)植物會(huì)對(duì)菌絲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育產(chǎn)生不同的影響,但試驗(yàn)結(jié)果并沒有證實(shí)這一假設(shè)。這可能和具體試驗(yàn)條件有關(guān)。菌絲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn)顯示菌絲網(wǎng)絡(luò)在第10周已趨于穩(wěn)定,至第12周介導(dǎo)植物的影響可能已經(jīng)難以顯現(xiàn)。不過,這也說明在較長(zhǎng)時(shí)間尺度下菌絲網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)形成一個(gè)比較穩(wěn)定的系統(tǒng)。2.1.2周不同周后a在時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn)中,植物培養(yǎng)8周至10周,受體室菌絲密度顯著升高,但10周以后變化不明顯,維持在一個(gè)較穩(wěn)定的水平(圖3,A)。與菌根侵染率相一致,第12周試驗(yàn)收獲時(shí)不同介導(dǎo)植物對(duì)受體室菌絲密度均無顯著影響(圖3,B)。2.2植物地上部和根系生物量供體和受體植物地上部和根系生物量均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而顯著增加,且供體植物生物量始終高于受體植物,二者之間的差異隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大(圖4,A、B)。這表明菌絲網(wǎng)絡(luò)可導(dǎo)致植物種內(nèi)的非對(duì)稱性競(jìng)爭(zhēng),作為提供菌根真菌侵染源的供體植物可能通過菌絲網(wǎng)絡(luò)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),最終導(dǎo)致植物群落內(nèi)部植株個(gè)體大小差異。同時(shí),介導(dǎo)植物也顯著影響到供體和受體植物地上部和根系生物量(圖4,C、D)。與間隔室無介導(dǎo)植物處理(CK)相比,介導(dǎo)植物均顯著降低了供體紫花苜蓿地上部和根系生物量:以紫花苜蓿為介導(dǎo)植物情況下,供體植物地上部干重降低33%,根系干重降低47%;以羊草為介導(dǎo)植物情況下,供體植物地上部干重降低32%,根系干重降低52%;而以獨(dú)行菜為介導(dǎo)植物時(shí),供體植物地上部干重降低17%,根系干重降低37%。介導(dǎo)植物也使受體植物生物量有一定程度降低,但未達(dá)到顯著水平。在間隔室無介導(dǎo)植物(CK)和種植獨(dú)行菜情況下,供體植物地上部和根系生物量均顯著高于受體植物:無介導(dǎo)植物時(shí),供體植物地上部干重比受體植物高出48%,根系干重高出1.36倍;以獨(dú)行菜為介導(dǎo)植物情況下,供體植物地上部干重比受體植物高出32%,而根系干重則高出86%。在羊草和紫花苜蓿為介導(dǎo)植物情況下供體和受體植物生物量無顯著差異。很明顯,介導(dǎo)植物的存在改變了供體和受體植物的關(guān)系格局,而且不同介導(dǎo)植物因?yàn)樽陨砩飳W(xué)特性存在差異,對(duì)養(yǎng)分資源獲取能力不同,所以對(duì)供體植物和受體植物生長(zhǎng)產(chǎn)生了不同影響。2.3種主導(dǎo)植物間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)供體和受體植物地上部磷濃度隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)顯示出不同的變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析表明,植物生長(zhǎng)10周時(shí),受體植物地上部磷濃度比供體植物高出21.1%,且兩者差異顯著,但在其他時(shí)間點(diǎn)兩者相近;而供體和受體植物根系磷濃度總體上隨時(shí)間無明顯變化(圖5,A、B)。試驗(yàn)結(jié)果表明,作為提供接種源的供體植物通過菌絲網(wǎng)絡(luò)能夠獲取更多的養(yǎng)分資源(磷),從而保持在群落中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,在供體和受體植物競(jìng)爭(zhēng)過程中,時(shí)間效應(yīng)是不能忽視的。供體和受體植物通過菌絲網(wǎng)絡(luò)建立直接聯(lián)系之前,供體植物已通過菌根共生體獲取了更多的養(yǎng)分資源并形成個(gè)體優(yōu)勢(shì),這種“先入為主”的態(tài)勢(shì)在后續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)格局中也保持了下來。聯(lián)系到植物生長(zhǎng)后期供體和受體植物菌根侵染率已趨于一致,并且受體室菌絲密度也趨于穩(wěn)定,可以推測(cè)供體和受體植物由菌絲網(wǎng)絡(luò)獲益是不均等的。這也暗示菌根侵染狀況并不能很好地反映植物生長(zhǎng)對(duì)菌根共生體的依賴程度。此外,圖5,C、D顯示,在系統(tǒng)養(yǎng)分資源總量固定的情況下,介導(dǎo)植物分享了部分資源,從而顯著降低了供體和受體紫花苜蓿地上部磷濃度。與對(duì)照處理相比,3種介導(dǎo)植物均導(dǎo)致供體和受體植物地上部磷濃度降低20%左右。在介導(dǎo)植物為獨(dú)行菜情況下,供體和受體植物根系磷濃度明顯低于對(duì)照和其他介導(dǎo)植物處理,其中供體植物根系磷濃度比對(duì)照降低25%,而受體植物根系磷濃度比對(duì)照降低16%;供體和受體植物地上部磷濃度在3種介導(dǎo)植物處理間無明顯差異。總體上,各處理植株磷濃度在供體和受體植物之間也沒有顯著差異。以上結(jié)果表明,介導(dǎo)植物改變了土壤養(yǎng)分資源在競(jìng)爭(zhēng)植物之間的分配格局,一定程度上消弱了供體植物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2.4菌根共生結(jié)構(gòu)在間隔室中生長(zhǎng)的3種介導(dǎo)植物之中,紫花苜蓿具有較高的侵染率,羊草根系有一定的菌根侵染,而非菌根宿主植物獨(dú)行菜根內(nèi)基本觀察不到典型菌根共生結(jié)構(gòu)。3種介導(dǎo)植物的生物量以羊草最高,紫花苜蓿次之,獨(dú)行菜最低,且羊草的根長(zhǎng)在3種植物中也最高(表1)。菌根侵染狀況可以大體反映菌根共生體對(duì)于不同植物的潛在重要性,而植物生物量則能夠反映出植物自身的養(yǎng)分資源獲取能力。代表禾本科植物的羊草,具有發(fā)達(dá)的根系,自身具有很強(qiáng)的養(yǎng)分獲取能力,所以在3種植物中生物量最高,這是禾本科植物具有廣譜生態(tài)適應(yīng)性的主要原因。3植物根系間及其相互作用菌根共生體根外菌絲網(wǎng)絡(luò)在連接不同植物傳遞物質(zhì)與信息的同時(shí),也可以作為良好的次生接種體。本研究結(jié)果表明,叢枝菌根真菌在短期內(nèi)(<8周)能夠跨過4cm間隔區(qū),對(duì)受體植物形成侵染,從而形成菌絲網(wǎng)絡(luò)。在10周內(nèi),受體植物菌根侵染率即達(dá)到和供體植物基本一致。在本試驗(yàn)條件下,供體植物得益于先期形成菌根共生體系而相比受體植物表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分資源獲取和生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。雖然不同介導(dǎo)植物沒有顯著影響供體室和受體室菌絲網(wǎng)絡(luò)的形成,但卻影響到供體室和受體室中植物的生長(zhǎng)和磷吸收。試驗(yàn)表明叢枝菌根真菌菌絲網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)節(jié)植物間資源分配和影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的潛在作用。紫花苜蓿能夠與叢枝菌根真菌形成良好共生,也是菌根效應(yīng)機(jī)理研究的模式植物之一。本研究中叢枝菌根真菌與供體室紫花苜蓿形成良好共生后,根外菌絲體可擴(kuò)展跨越間隔室,侵染受體植物根系而建立起不同植物根系之間的菌絲連接,這與Giovannetti等證實(shí)根外菌絲可長(zhǎng)距離伸展并成功侵染其他植物相一致。菌根真菌與植物根系的共培養(yǎng)時(shí)間影響菌根真菌的侵染強(qiáng)度。由于供體室植物根外菌絲到達(dá)受體室需要一定的時(shí)間,在培養(yǎng)第8周時(shí),受體室侵染率顯著低于供體室(圖2),而到第10周時(shí),供體和受體植物菌根侵染率已無顯著差異,表明受體植物已經(jīng)形成了穩(wěn)定侵染。紫花苜蓿的生長(zhǎng)狀況與菌根真菌侵染過程密切相關(guān),供體室和受體室植物生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的差異,且這種差異隨時(shí)間而加大,該結(jié)果與Facelli等發(fā)現(xiàn)菌根增強(qiáng)紅三葉草(TrifoliumsubterraneumL.)種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的不對(duì)稱性相一致。在植物生長(zhǎng)初期,菌根真菌能夠促進(jìn)所有幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育和存活率的提高,但隨著植株的不斷生長(zhǎng),對(duì)資源的需求遞增,導(dǎo)致種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度增大,而與菌根共生早的供體室植物具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),因此菌根表現(xiàn)出了增大植物種群間個(gè)體大小差異的現(xiàn)象。本研究中3種介導(dǎo)植物羊草