根内生真菌印度梨形孢侵染对黑麦草气体交换和生长发育的影响

吴 ， ， ， *

(1. 长江大学园艺园林学院， 湖北 荆州434025； 2. 长江大学农学院， 湖北 荆州434025)

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)与植物根系共生，对植物的生长发育和抗逆性具有很大的影响，但AMF菌根真菌在实际生产上的应用受到很大的限制，因为AMF的繁殖需与植物共生才能进行。AMF菌根真菌的这种特性，使得它们在短时间内大规模繁殖变得困难。印度梨形孢(Piriformosporaindica)是从印度拉贾斯坦邦沙漠植物根际分离的一种植物内生真菌[1]，它不属于AMF，但具有AMF菌根真菌所具有的功能，如增加植物对盐胁迫[2-3]和干旱胁迫[4-5]的抗性，提高植物对病原菌的抗性[6-7]，促进植物营养吸收[8-9]，促进植物早开花[10-11]。印度梨形孢具有AMF菌根真菌所不具备的两个特点：其一为印度梨形孢可以非活体培养[12-13]，其二为印度梨形孢能够侵染很多植物。AMF菌根真菌不能侵染的拟南芥[14-15]，但印度梨形孢也能侵染[16-18]。正因为它具有这样的独特的优点，可以把它当做生物肥料、生物保护剂、植物生长促进剂使用[19]，因此，它将在农业和林业上具有广阔的应用前景[20]。在我国，对印度梨形孢开展的研究较少[21-24]，主要集中于棉花、水稻、玉米等大田作物[21,25-26]，而以草业植物为试验材料的研究则更少[24,27]。到目前为止，尚未有印度梨形孢对黑麦草(Loliumperenne)生长发育的影响研究。为了更好地在草业科学上利用这种有益内生真菌，本研究通过盆栽试验，在黑麦草栽培基质中接种印度梨形孢，分析印度梨形孢对黑麦草气体交换和生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 黑麦草的培养与印度梨形孢的接种

本研究采用基因组已经测序的印度梨形孢菌株(DSM 11827)。该菌株由德国耶拿大学Ralf Oelmüller 教授提供。黑麦草(LoliumperenneL.)种子购自山东郓城泰禾种业有限公司。将农资市场上购买的园艺育苗培养基质进行高压灭菌，然后将其装入塑料盆(口径15 cm)，每盆装入培养基质1千克。将黑麦草种子均匀地播入盆内。待黑麦草长出2片叶子时，进行间苗，每盆保留5株。间苗4天后进行印度梨形孢接种：每盆接种10 mL印度梨形孢菌丝悬浮液(10 g·L-1)，对照组则接种10 mL灭活的印度梨形孢菌丝悬浮液。接种组和对照组各20盆。盆栽盆放在露天盆栽场，根据培养基质的水分情况进行水分管理：春季不下雨时每2天浇水1次，夏季不下雨时每天上午浇水1次。

1.2 气体交换和叶绿素荧光测定

选择黑麦草完全展开的叶片，以光合仪(LI-6400XT，Li-Cor，美国)进行气体交换测定。在晴朗的上午9:30-12:00进行测定，采用人工光源，其光强设置为800 μmol·m-2·s-1。每盆含有5株黑麦草，测定时随机选取3株，每株只选取1个叶片，每个叶片重复测定2次。因此接种和未接种印度梨形孢的处理，各测定60个叶片。叶绿素荧光采用 PAM叶绿素荧光仪 (JUNIOR-PAM, Walz, Heinz Walz GmbH, 德国)在已测定气体交换的叶片上测定叶绿素荧光各参数[28]。

1.3 生物量和分蘖数的测定

将黑麦草植株从培养基质中取出，用自来水清洗其根系直至干净，然后带回实验室。用锋利的小刀将黑麦草植株从根茎结合处分离，分别放入信封中，做好标记后放入恒温烘箱中(75℃)烘烤12 h 。待冷却后取出，然后利用分析天平称重。

1.4 数据分析

采用SPSS统计分析软件进行单因素分析，比较印度梨形孢接种组和对照组之间各生理参数的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 印度梨形孢接种对黑麦草气体交换的影响

印度梨形孢接种对黑麦草气体交换产生了很大的影响。从图1可知，印度梨形孢接种显著提高了黑麦草的净光合速率和蒸腾速率(图1A，P<0.05)，也显著地增加气孔导度和水分亏缺(图 1B，P<0.05)，显著地降低胞间二氧化碳浓度(图1C，P<0.05)。

图1 印度梨形孢侵染对黑麦草气体交换的影响Fig.1 Effect of infection of P.indica on gasexchange in leaves of L.perenne

印度梨形孢侵染显著提高荧光参数Y(II)和qP(图 2A，P<0.05)，也显著提高荧光参数qL(图 2B，P<0.05)，同时，印度梨形孢侵染降低黑麦草的荧光参数NPQ，但降低的幅度并不显著(图 2B)。印度梨形孢侵染对三个荧光参数YNO、YNPQ和ETR则没有显著影响(图 2C和D)。

图2 印孢侵染对黑麦草叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effect of infection of P.indica on fluorescence parameters in leaves of L.perenne

2.2 印度梨形孢接种对黑麦草水分和光能利用效率的影响

印度梨形孢对黑麦草的侵染显著降低其水分利用效率(water use efficiency, WUE)(图3A，P<0.05)，而显著提高其光能利用效率(light use efficiency, LUE)(图3B，P<0.05)。

图3 印孢侵染对黑麦草水分利用效率(WUE)和光能利用效率(LUE)的影响Fig.3 Effect of infection of P.indica on WUE and LUE of L.perenne

2.3 印度梨形孢接种对黑麦草生物量累积和分蘖数的影响

印度梨形孢对黑麦草的侵染增加了黑麦草根系、地上部分以及总生物量，但这种变化并不显著(图4A)；同时减少了黑麦草的分蘖数，但变化也不显著(图 4B)。

3 讨论

印度梨形孢对黑麦草的侵染，提高了黑麦草的净光合速率(图 1A)。这种提高与印度梨形孢提高黑麦草的光合机制有关。虽然印度梨形孢对黑麦草的侵染并没有显著改变荧光参数NPQ、YNO、YNPQ和ETR(图2B、C和D)，但显著提高了荧光参数Y(II)和qP(图2A)。荧光参数Y(II)代表光系统II光化学量子产量，qP则代表光化学淬灭[29]，这两个参数的显著提高，说明印度梨形孢对黑麦草的侵染提高了黑麦草叶片对所吸收的光能的转化，更多的吸收光能用于驱动光化学反应，从而提高了黑麦草对光能的利用效率(图3B)。光能利用效率的提高，对于提高植物单位时间内生物量的累积具有重要意义。印度梨形孢侵染黑麦草可以提高其根系、地上部分以及总生物量(图4A)，应该与其光能利用效率的提高具有很大关系。而印度梨形孢如何促进光能利用效率，尤其是关于它对色素的生物合成以及光反应中心多种蛋白生物合成的影响，则需要更进一步研究。

图4 印度梨形孢侵染对黑麦草生物量(A)和分蘖 (B)的影响Fig.4 Effect of infection of P.indica on biomass (A) and tiller number (B) of L.perenne

印度梨形孢提高黑麦草光合速率，可能与印度梨形孢促进黑麦草对营养吸收有关。在印度梨形孢中，已经分离了一种磷酸盐转运蛋白PiPT[8]。这种磷酸盐转运蛋白能够帮助寄主植物加强对磷酸盐的吸收，从而促进寄主植物的生长[9]。此外，印度梨形孢还能促进氮在杉木叶片中分配比例(作者未发表数据)，这种促进作用可直接影响到光合作用过程中最重要酶Rubisco的数量，因为 Rubisco占叶片总蛋白的 20%～25%[30]，占叶片可溶性蛋白的 60%[31]。

印度梨形孢对黑麦草的侵染可促进黑麦草的生长与生物量的累积(图4A)，这与其他研究的结果一致[22,32]，其促进作用可使黑麦草总生物量增加10.87%，与对照相比，没有显著性差异，其原因在于印度梨形孢作为一种共生内生真菌，它的生长发育需寄主植物供给大量的碳水化合物，因此印度梨形孢与黑麦草共生则大量消耗黑麦草通过光合作用固定的碳水化合物。通过这种消耗作用印度梨形孢与鸭嘴花(Adhatodavasica)共生能显著促进鸭嘴花生长，而在黑麦草上表现更明显[33]。内生菌Neotyphochium coenaphalum 可以促进高羊茅(Festuraarundinace)的分蘖[24]，但内生真菌印度梨形孢侵染黑麦草并没有增加其分蘖(图4B)，这可能与内生真菌-寄主植物之间的内在关系有关。

4 结论

黑麦草受到印度梨形孢的侵染后，光系统机制发生改变，提高了光能利用效率，使其净光合速率显著提高，最终引起黑麦草的总生物量增加。因此，印度梨形孢可用于提高黑麦草产量。