不同菌根菌对栓皮栎苗木光合及蒸腾特性的影响

刘现刚，郭素娟，赵 菡，马履一

（北京林业大学省部共建教育部森林培育与保护重点开放实验室，北京 100083）

栓皮栎（Quercus variabilis），属壳斗科（Fagaceae）栎属（Quercus），是我国重要的造林树种之一。栓皮栎木材、树皮、果实和叶片等都具有重要的经济价值；由于其耐受性较强，在保持水土、涵养水源、增加土壤肥力等方面也有重要的应用价值[1]。如何培育优质的栓皮栎苗木是摆在林业科研人员面前的主要问题。外生菌根对植物的生长有着良好的促进作用，能够显著增加苗木吸收水分、养分的面积，促进植物对矿质元素的吸收，提高幼苗抗逆性等[2]。因此，运用外生菌根接种技术来培育优质苗木不失为一种好的方法。本实验室之前的研究重点分析了外生菌根对栓皮栎苗木生长的促进作用[3]，本文将在净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）及两者的日变化和水分利用效率（WUE）等生理特性方面做进一步探讨，研究外生菌根促进栓皮栎苗木生长及提高水分利用效率方面的机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

选择形成良好外生菌根的栓皮栎苗木进行研究。试验地位于北京市昌平区白浮村北京林学会菊花地苗圃（115° 50′ 17″ ～ 16° 29′ 49″ E、40° 02′ 18″ ～ 40° 23′ 13″ N），属典型的大陆性气候。气温年较差和日较差都较大。年平均气温8.5 ～ 9.6℃，无霜期150 d左右，年平均降水量607 mm。

1.2 试验材料制备

1.2.1 菌剂制备 从中国林科院购买的菌种用PDA培养基平板培养菌种，然后用不加琼脂的PDA培养基做液体培养，最后在草炭、玉米粉按4：1混合的基质上扩大培养，制作成固体菌剂。

1.2.2 苗木培育 栓皮栎种子经低温层积催芽处理后，于3月进行容器育苗。所用基质为苗圃土，播种前10 d用0.1%甲醛消毒处理，容器为20 cm×18 cm塑料营养钵。基质pH约为8.6，全N 0.15%，全P 0.08%，全K 0.23%，速效P 18.11 mg/kg，速效K 68.91 mg/kg。

1.2.3 接种方法 栓皮栎苗第一片真叶长出后15 d，在距苗5 cm处均匀打3个5 cm深的孔，将固体菌剂搓碎施入，覆土。每株苗接种10 g固体菌剂。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组试验设计。每个处理设3个重复（处理方式见表2）。

表1 供试菌根菌Table 1 Fungi for test

表2 试验处理及菌剂比例Table 2 Treatments and proportions of fungi

1.4 测试指标及方法

1.4.1 Pn及Tr测定 2007年8月选择标准株，在同一叶位上（上数第三片）用Li-6400便携式光合仪进行测定。8:00开始测定，每处理记录3组数据，每2 h测定一次，至18:00结束测定。

1.4.2 WUE计算[4]根据已测定的净光合速率及蒸腾速率，由如下公式计算得出：

1.4.3 叶绿素含量测定 称取样本新鲜叶片用比色法测定。利用分光光度计测定叶绿素提取液在最大吸收波长下的吸光值，即可用朗伯—比尔定律计算出提取液中各色素的含量。

1.4.4 数据分析 利用SPSS数据分析软件和Excel对数据进行处理分析。

2 结果与分析

菌根化的栓皮栎苗木在净光合速率、叶绿素含量、蒸腾速率及水分利用效率方面与未菌根化的栓皮栎比较都有不同程度的提高，不同菌剂处理之间也有着不同的差异性。

2.1 菌根化栓皮栎苗木净光合速率的变化

菌根化的栓皮栎苗木净光合速率与对照相比有显著的影响（图 1）。菌根化的栓皮栎苗木净光合速率变化规律基本相似，都呈现出双峰规律；而对照的净光合速率变化规律为单峰形式，并且10:00以后一直呈现下降趋势。

各处理的栓皮栎苗木净光合速率都在10:00左右出现第一个高峰，12:00以后变化规律出现不同。接种BC2×B31×XCH菌剂的栓皮栎苗木双峰规律不明显 ，基本呈现与对照同样的变化规律。接种B31及XCH菌剂的栓皮栎苗木第一个高峰出现在10:00左右，第二个高峰比其它菌根化的栓皮栎苗木延后2 h，出现在16:00左右；其余4个处理，除接种BC2菌剂的栓皮栎苗木第二个高峰较高外（达到5.49μmolCO2·m－2·s－1），规律基本相似。

菌根化的栓皮栎苗木初始净光合速率低于对照，但第一个高峰到来后就一直保持高于对照的水平，其光合水平有较大幅度的提高。

除接种3个菌种混合菌剂的栓皮栎苗木的平均净光合速率低于对照外，其余菌根化的栓皮栎苗木的平均净光合速率都高于对照（表 3）；接种单一菌种BC2和B31菌剂的栓皮栎苗木平均净光合速率增幅最大，分别为29.6%和39.2%。接种XCH和BC2×B31菌剂的栓皮栎苗木平均净光合速率也有较大程度提高；接种BC2×XCH及B31×XCH菌剂的栓皮栎苗木平均净光合速率提高程度较小，甚至低于对照。

各处理的最大净光合速率的多重比较结果（表 4）显示：菌根化的栓皮栎苗木最大净光合速率与对照有着显著差异。接种BC2×XCH、XCH、BC2×B31及B31×XCH菌剂的栓皮栎苗木之间最大净光合速率的差异较小；接种BC2及B31菌剂的栓皮栎苗木与以上四个处理及对照都有着显著差异。说明BC2和B31两种菌根真菌更适合栓皮栎苗木的接种，进行单一菌种的接种处理更有利于提高栓皮栎苗木的净光合速率。

菌根化的栓皮栎苗木的净光合速率有明显的提高，这与许多研究的结果是一致的[5]。影响光合作用的因素很多，包括外界因素诸如光照、CO2、温度、矿质元素、水分等；内部因素如植物不同部位、不同生育期等[6]。外生菌根会对植物矿质营养的吸收产生影响，从而间接影响植物的净光合速率。很多研究表明，外生菌根可以促进植物对N、P[7]、Mg、Fe、Mn、Cu、S[8～9]等的吸收。N、Mg、Fe、Mn等是叶绿素等生物合成所必需的矿质元素；Cu、Fe、S等参与光合电子传递和水裂解过程；P也参与光合作用中间产物的转变和能量传递。所以从影响光合作用的因素及菌根对植物的影响来看，菌根化的栓皮栎净光合速率的变化之一是因为菌根真菌对植物吸收矿质元素的促进作用造成的。

图1 栓皮栎净光合速率日变化Figure 1 Net photosynthetic rate and diurnal variation of Q. variabilis

表3 栓皮栎净光合速率平均值Table 3 Average of net photosynthetic rate

表4 最大净光合速率LSD比较Table 4 LSD comparison of maximum net photosynthetic rate

表5 栓皮栎叶绿素平均含量及其LSD比较Table 5 LSD comparison on average content of chlorophyll of Q. variabilis

2.2 菌根化栓皮栎苗木叶绿素含量的变化

菌根化能够增加植物叶绿素的含量[10]。菌根化的栓皮栎苗木叶绿素含量有不同程度的增加（表 5），接种BC2和B31及BC2×B31菌剂的栓皮栎苗木叶绿素含量增加明显，其它处理的栓皮栎苗木叶绿素虽有增加，但增加量很少。对叶绿素含量变化的多重比较表明，接种BC2和B31及BC2×B31菌剂的栓皮栎苗木与其它处理的栓皮栎苗木及对照的差异显著，另外四种处理间差异不明显，但与对照还是有着显著差异。

影响叶绿素含量的因素有很多，光是影响叶绿素形成的主要因素。而矿质元素对叶绿素的形成也有很大的影响，植物缺乏N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素时就不能形成叶绿素，呈现缺绿病，N和Mg都是组成叶绿素的元素，Fe、Mn、Cu、Zn等元素，它们可能是叶绿素形成过程某些酶的活化剂，在叶绿素形成过程中起间接作用[6]。如上文所述，菌根化影响叶绿素含量的机理可能也是因为菌根对植物吸收矿质元素的促进作用引起的。

叶是植物进行光合作用制造有机物的重要器官，叶绿素含量多少对光合速率有直接影响，叶绿素含量在一定程度上能说明植物体营养状况和光合能力的强弱[10]。菌根化对栓皮栎苗木净光合速率的影响原因之二是因为增加了其叶绿素含量。

图2 栓皮栎蒸腾速率日变化Figure 2 Diurnal variation of transpiration rate of Q. variabilis

2.3 菌根化栓皮栎苗木蒸腾速率的变化

表6 蒸腾速率及其LSD比较Table 6 LSD comparison of transpiration rate

表7 栓皮栎水分利用效率及其LSD比较Table 7 LSD comparison of water use efficiencies

菌根化能够有效的降低栓皮栎苗木的蒸腾速率[11]，对照的蒸腾速率几乎一直高于菌根化的栓皮栎苗木（图 2）。在第一个净光合速率高峰即10:00左右，菌根化的栓皮栎苗木的蒸腾速率都呈现较低水平，而对照则同时达到一个蒸腾高峰。接种B31及BC2菌剂的栓皮栎苗木，其蒸腾速率一直保持较低水平，有效地减少了水分流失。其余菌根化的栓皮栎苗木，先在10:00左右出现低值，于12:00左右达到峰值，此后一直呈现下降趋势，与对照及相互之间差异较小。

菌根化的栓皮栎苗木蒸腾速率有较大程度的降低，单一菌种BC2和B31菌剂处理的栓皮栎苗木蒸腾速率降幅最大，分别达到 34.3%和 32.8%；其它处理降幅大致相当，均为17%左右（表6）。进行多重比较表明菌根化的栓皮栎苗木与对照差异显著。接种BC2和B31菌剂的栓皮栎苗木与其它处理的栓皮栎苗木蒸腾速率变化差异显著，剩余5种处理间的差异不显著。

蒸腾作用在植物生活中具有重要的作用。蒸腾作用的降低将能有效的增加植物的抗旱能力，提高水分利用效率。菌根化能够降低蒸腾作用的部分在于其降低了苗木的比叶面积，使发生蒸腾作用的蒸发面积减小，导致蒸腾作用的降低[12]。

2.4 菌根化栓皮栎水分利用效率的变化

水分对植物具有重要的意义，是细胞质的主要成分，参与植物代谢活动，是植物物质吸收和运输的溶剂，能够保持植物的固有形态等。水分利用效率是指利用单位重量的水分植物所能同化的CO2，是净光合速率与蒸腾速率的比值。植物水分利用效率的提高，可以帮助植物适应土壤水分减少的环境，对干旱半干旱地区提高造林成活率有重要的意义[12]。本试验栓皮栎苗木水分利用效率情况如表7。单一菌种BC2和B31菌剂处理的栓皮栎苗木，水分利用效率比对照增幅最大，分别达到103.0%和97.9%，其它处理增幅为33%左右，接种BC2×B31×XCH混合菌剂的栓皮栎苗木水分利用效率几乎没有变化。从多重比较的结果看，接种BC2、B31及BC2×B31菌剂的栓皮栎苗木水分利用效率与对照有着显著差异；其它处理与对照及相互之间的差异不显著。表明菌根化对栓皮栎苗木的水分利用效率有较大影响，单一菌种菌剂处理的栓皮栎苗木效果要好于多个菌种混合菌剂处理的栓皮栎苗木。本试验中，菌根化的栓皮栎苗木的净光合速率提高，蒸腾速率下降，所以两者的比值即水分利用效率会增加。

3 结论

有研究表明[13]，菌根的作用不仅在于促进植物根部对养分的吸收，而且能够调节植物养分运输的生理过程，使根部养分尽快运输到叶片，以满足叶片中光合代谢的需要，这也为叶绿素的合成提供了充足的营养。菌根的作用可以简单表示如下：增加吸收面积和矿物质吸收→为叶绿素合成提供条件→叶绿素含量增加→光合效率提高。同时，菌根化降低了植物的比叶面积，使得蒸腾速率下降，由水分利用效率（WUE）的计算公式可知，水分利用效率与净光合速率成正比，与蒸腾速率成反比，故水分利用效率会大幅提升。菌根化对栓皮栎苗木的生长有着积极的促进作用。

从本试验来看，BC2和B31两种菌根真菌对栓皮栎苗木光合作用的促进和对蒸腾作用的抑制效果最好，其对栓皮栎苗木的单一接种效果要好于2种及3种菌根真菌的混合接种。由于采用的菌种并不是专门的壳斗科树种的菌根，所以如果能够从栓皮栎根上获取菌根，然后加以培养、制作菌剂后再回接到栓皮栎苗木上，可能会取得更好的结果。

[1] 郑万钧. 中国树木志[M]. 北京：中国林业出版社，1985. 2 330.

[2] 朱教君，徐慧，许美玲，等. 外生菌根菌与森林树木的相互关系[J]. 生物学杂志，2003，22（6）：70－76.

[3] 赵菡，郭素娟，马履一. 3种菌根菌对栓皮栎接种的效应[J]. 林业科技开发，2009，23（1）：64－67.

[4] 梁宇，郭良栋，马克平. 菌根真菌在生态系统中的作用[J]. 植物生态学报，2002，26（6）：739－745.

[5] 周玉杰，杨福孙，宋希强，等. 菌根真菌对华石斛幼苗生长及光合性能的影响[J]. 北方园艺，2009（12）：11－15.

[6] 潘瑞炽，王小菁，李娘辉. 植物生理学（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，2004. 87－91.

[7] Rodriguez H，Fraga R. Phosphate solubilizing bacteria and their role in plant growth promotion[J]. Biotech Adv，1999（17）：319－339.

[8] AdeyemiA O，Gadd G M . Fungal degradation of calcium-lead- and silicon-bearing minerals[J]. Biometals，2005，18（3）：269－281.

[9] Burford E P，Fomina M，Gadd G M. Fungal involvement in bioweathering and biotransformation of rocks and minerals[J]. Mineral Magaz，2003，67（6）：1 127－1 155

[10] 宋微，吴小芹. 外生菌根真菌对杨树光合作用的影响[A]. 中国林学会，黑龙江省林学会，东北林业大学. 第八届中国林业青年学术年会论文集[C]. 哈尔滨：中国林学会，2008. 946－948.

[11] 阎秀峰，王琴. 接种外生菌根对辽东栎幼苗生长的影响[J]. 植物生态学报，2002，26（6）：701－707.

[12] 吕全，雷增谱. 外生菌根提高板栗苗木抗旱性能及其机理的研究[J]. 林业科学研究，2000，13（3）：249－256.

[13] 陶红群，李晓林，张俊铃. 锌污染条件下VA菌根对三叶草生长和元素吸收的影响[J]. 应用与环境生物学报，1997，3（3）：263－267.