施磷和AM真菌互作对棉花生长和磷素吸收的影响

侯天钰，张应榕，蔡方源，马 悦，李 伟，赵玉鹏，陈波浪

(新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052)

【研究意义】棉花是锦葵科(Malvaceae)棉属(Gossypium)植物的种籽纤维，是我国重要的经济作物之一，也是盐碱地种植的先锋作物。新疆优越的光热资源以及矮化、密植和膜下滴灌的先进技术促使其成为中国最大商品棉基地，截止 2020年，新疆棉花种植面积达到了250.19万公顷，占全国的78.9%，产量为516.1 万吨，占全国87.3%[1-2]。磷是棉花生长发育和产量形成的第二限制因子，因其难移动、易固定致使磷肥利用率低，尤其固磷性强的石灰性土壤上磷肥当季利用率仅为10%～18%。土壤磷素有效性提高策略诸多，如增加磷源、构建根系、调控根际等[3]，然而在棉花上综合运用磷素提高策略的互作机制报道较少，因此，研究棉花磷素有效性提高的磷肥水平与菌根互作将有利于丰富磷素活化机理，为棉花养分资源高效利用和绿色生产提供重要依据。【前人研究进展】土壤中根际微生物的活动可以活化土壤中被固定的磷素，增加其利用效率，其中丛枝菌根(Abuscular mycorrhizal，AM)真菌可以侵染植物根系从而提高宿主植物对水分和养分的吸收，增强植物的抗逆性和促进植物的生长发育[4-5]。AM真菌通过形成庞大的外生菌丝网络，扩大宿主植物吸收磷素面积并产生有机酸活化土壤中不可利用的磷[6-7]。研究发现，不同AM真菌品种的促生效应不一致，有学者认为缓解土壤盐胁迫效果最好的是接种集球囊霉(Glomusfasciculatus)[8-9]，也有人认为根内球囊霉(G.intraradices)更有效[10]，而另一些学者认为摩西球囊霉(G.mosseae)是降低盐胁迫对植物伤害的最适菌种[11]。在盐渍环境中Glomus分布较广泛，在多个国家和地区的样区中都发现了G.intraradices的存在[12-13]。施磷水平在某些程度上会对菌根共生体产生影响[14]，高磷或低磷均不利于AM真菌对宿主植物的侵染，甚至会抑制植物生长[15]。但关于AM真菌对棉花的共生效应研究较少，尤其在极端土壤环境下施磷水平与AM真菌的交互关系尚不明确。冯海艳等[16]在不同磷水平条件下对玉米接种G.intraradices，发现在低磷条件下AM真菌显著促进植物生长和磷吸收，在高磷条件下AM真菌对植物生长产生了抑制。Cantrell等[17]研究发现，未接种菌根真菌的洋葱缺P条件生长缓慢，接种AM真菌后的洋葱，由于缓解了盐分和磷的胁迫，生物量也有所增加；对于未接种的洋葱，提高施磷量虽然可以降低盐胁迫的影响，但是效果却不如接种AM真菌明显。【本研究切入点】本文以棉花新陆早57号为供试品种，以典型新疆棉田土壤为供试土壤，通过盆栽试验，研究不同盐分水平下，供磷水平与AM 真菌互作对棉花生长发育和磷素吸收的影响。【拟解决的关键问题】明确棉花发挥菌根效应的最佳供磷水平，探索提高棉花磷素有效性的施磷与菌根互作机制，为新疆棉花养分资源高效利用和可持续发展提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试棉花品种为新陆早57 号，供试土壤采自新疆昌吉州玛纳斯县新湖农场灰漠土，土壤有机质6.52 g/kg，速效钾291.3 mg/kg，速效磷9.28 mg/kg，碱解氮12.5 mg/kg。供试土壤经风干，过1 mm网筛后，在105 ℃ 下湿热间歇灭菌 2 次后备用。试验采用白色塑料花盆(210 mm × 170 mm)，每盆装土2 kg。供试菌种为根内球囊霉(Glomusintraradices)购买自青岛农业大学菌根生物技术研究所，试验所用接种剂均用高粱扩繁，接种物含有真菌孢子、菌丝、侵染根段等繁殖体及混合基质。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2019年5—8 月在新疆农业大学农科楼进行盆栽试验。实验处理为两个盐浓度分别为非盐胁迫(0 g/kg)和盐胁迫(6 g/kg)，3个磷水平分别为P0(0 mg/kg)，P50(50 mg/kg)，P100(100 mg/kg)，接种处理分为接种(AM)和对照未接种(CK)，共12个处理，每个处理6个重复共72盆植株。将土壤灭菌风干后接种菌剂，每盆填加AM真菌菌剂50 g，与土壤基质充分混匀后再装盆，不接种处理用同样的方法加入等量灭菌菌剂。

1.2.2 材料培养 接种液培养：制备马铃薯蔗糖琼脂培养基(PDA)，放入高压蒸汽灭菌锅121 ℃灭菌20 min。冷却后接种供试菌种于培养皿固体培养基上，移入24.5 ℃恒温箱内培养一周，作为母菌备用。以高粱为宿主植物将菌种进行3个月左右的扩繁，获得内含真菌孢子、菌丝和宿主植物繁殖体的根际砂土混合物(砂土比为1∶1)作为接种菌剂。植物培养：棉花种子经 1% 甲醛消毒和清水冲洗并浸种后，于 28 ℃ 恒温催芽，出芽后选取生长一致的种子播种。每盆播5颗种子，出苗保留3株长势一致的苗。试验期间自然采光，每天用称重法浇水以维持土壤基质含水量为田间最大持水量的80%，记录浇水前后称重值用以计算棉花生长期内的水分利用效率。种植40 d后进行盐胁迫处理，盐分以NaCl溶液形式浇入土壤，每2 d浇盐1次，每盆加盐溶液100 mL，分6次完成。自出苗之日起，植物生长75 d后收获。

棉花生长 2 个月后，将植株地上、地下部分分别收获。将根系用自来水和去离子水冲洗干净，取0.5 g 根样剪成 1 cm 根段，用于菌根侵染率测定，剩余的根系和地上部样品放入信封纸袋，105 ℃ 杀青30 min 后于 70 ℃ 烘 48 h，称取干重并粉碎用于测定植株养分含量。取部分混合均匀土壤样品测定菌丝密度和孢子密度。

1.2.3 收获与分析测定 菌根侵染率的测定：收获时随机选取0.5 g左右洗净的新鲜根段，将其保存在50%乙醇中。先将根系样品置于10% KOH溶液，水浴脱色，再配制0.05%台盼蓝溶入乳酸甘油溶液(1∶1)作为染色剂水浴染色，洗净染色剂浮色，于自来水中保存。从染色后的根段中随机挑取15条1 cm左右根段制片，将染色根系与载玻片横轴平行放置，200倍下镜检，每个根段观察10个视野，每一视野内目镜十字准线与丛枝、泡囊、菌丝及其不同组合交叉则记为一个侵染根段，利用根段频率法计算菌根侵染率。

菌根侵染率(%)=(被AM真菌侵染的根段数/观察的总根段数)×100%

棉花吸收P的测定：于植株收获期取样，分地上部和地下部。植株烘干粉碎样品用H2SO4-H2O2消煮后，全磷用钒钼黄比色法测定[18]。

1.3 数据分析

采用Excel 2019和SPSS 20.0分析软件对试验数据进行统计分析，采用多因素方差分析，测定结果用平均值 ± 标准误表示，用Origin 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 接种AM真菌和施磷对土壤pH和电导率的影响

由图1可知，在非盐胁迫条件下，与不接种AM真菌相比，接种AM真菌不同施磷水平处理组的土壤pH呈下降趋势，说明接种AM真菌会使棉花土壤pH降低；接种AM真菌处理的土壤电导率随施磷水平的增加逐渐下降，且在磷水平为50 mg/kg时接种AM真菌处理的土壤电导率下降趋势较为明显。由图2可以看出，在盐胁迫条件下，未接种AM真菌处理组与接种AM菌根处理组的土壤电导率均下降，但趋势较平缓；土壤pH在不同施磷处理下略有上升。

图1 非盐胁迫条件下不同处理土壤pH和电导率动态变化

图2 盐胁迫条件下不同处理土壤pH和电导率动态变化

2.2 接种AM真菌和施磷对棉花菌根浸染状况的影响

如图3所示，未接种处理的棉花根系中未观察到菌根真菌的侵染，而接种AM真菌与棉花建立了良好的共生关系。与对照(0 g/kg)相比，NaCl处理为6 g/kg时，P0、P50和P100条件下AM真菌接种植株的根系侵染率分别下降41.3%、35.1%、26.5%，说明高盐胁迫对AM真菌的生长具有显著抑制作用。在相同盐胁迫水平下，磷处理为50 mg/kg时，棉花根系中AM真菌侵染率明显增加，当磷处理增加至100 mg/kg时，侵染率显著降低，说明棉花菌根侵染状况随施磷水平的增加呈促进作用，但过高的磷含量会抑制AM真菌的侵染。

柱上不同字母表示相同处理下各磷水平间的差异达到P<0.05显著水平，下同

2.3 盐胁迫下接种AM真菌和施磷对棉花生长和磷含量的影响

将地上、地下部分分别收获后进行烘干称重，如表1所示，盐胁迫、施磷水平和接种AM真菌对棉花地上部分生物量和地下部分生物量的影响极其显著。盐胁迫与施磷水平的交互作用以及施磷水平与接种AM真菌的交互作用对地上部分生物量有显著影响，盐胁迫与AM真菌接种的交互作用对地下部分生物量影响显著，而对地上部分生物量不具有显著影响。

表1 不同磷水平，盐胁迫和接种菌根真菌对棉花生物量方差分析与互作

非盐胁迫条件下，未接种AM真菌时，施磷量为50和100 mg/kg的棉花地上部分和地下部分磷含量没有显著差异。3个施磷处理的接种AM真菌植株生物量与未接种AM真菌植株相比平均增加了40.9%。施磷量为50 mg/kg时接种AM真菌的植株总干重显著高于其他处理，与未接种AM真菌植株相比总干重增加了29.9%，在施磷量为100 mg/kg时，接种AM真菌的植株生物量与未接种植株相比差异不大，仅增加了8.7%(图4)。

图4 不同处理对棉花生物量的影响

盐胁迫条件下，未接种AM真菌时，棉花植株的总干重随施磷量的增高逐渐上升，施磷量为100 mg/kg时植株总干重达到显著水平，在接种AM真菌、施磷量50和100 mg/kg的棉花植株总干重显著高于不施磷处理，与未接种AM真菌、施磷量50和100 mg/kg处理的植株相比，分别增加了47.8% 和26.1%。

由表2可知，施磷水平，盐胁迫和接种AM真菌对棉花地上部分和地下部分的磷含量有显著影响。施磷水平与盐胁迫的交互作用对地下部分磷含量有显著影响，接种AM菌根真菌与施磷水平的交互作用对地上部分磷含量有显著效应；施磷水平、盐胁迫和接种AM真菌的交互作用对地上部分和地下部分磷含量均有显著影响。

表2 不同磷水平，盐胁迫和接种菌根真菌对棉花磷含量的方差分析

非盐胁迫条件下，未接种AM真菌时，施磷量为50和100 mg/kg的棉花地上部分和地下部分磷含量没有显著差异。接种AM真菌显著提高了植株地上部分和地下部分磷含量，其中3个施磷水平下接种AM真菌植株地上部分磷含量比未接种AM植株地上部分平均增加了25.6%，地下部分磷吸收量平均增加了19.9%，并且施磷量为50 mg/kg时植株磷含量达到最大值，与不施磷相比地上部分与地下部分磷含量分别增加了40.6%和25.6%(图5)。

图5 不同处理对棉花地上部分磷含量的影响

盐胁迫下，与非盐胁迫处理相比，棉花植株磷含量明显下降，未接种AM真菌条件下，施磷水平为50 mg/kg的地上部和地下部磷含量达最大值，与不施磷相比分别增加了78.5%和50.9%。接种AM真菌的植株磷含量与未接种植株相比，3个施磷水平下接种AM真菌植株地上部磷含量比未接种AM植株地上部磷含量平均增加了56.1%，地下部磷含量平均增加了28.03%，施磷量为50 mg/kg时，棉花地上部分和地下部分磷含量均显著提高，与不施磷相比分别增加了64.7%和56.9%(图6)。

图6 不同处理对棉花地下部分磷含量的影响

3 讨 论

3.1 施磷和AM互作对土壤pH和电导率的影响

在接种AM真菌及非盐胁迫条件下，随着施磷水平增加，土壤pH呈下降趋势。研究显示，中性偏酸的土壤盐碱度更有利于AM真菌侵染宿主植物，pH过高则会抑制AM真菌菌丝的形成[19]。本实验研究显示，在盐胁迫条件下，无论是否接种AM真菌，各施磷水平下的土壤pH均呈增加趋势，可能是因为土壤中酸式盐减少幅度大于碱式盐，以及碱式盐相较于酸式盐更容易沉积，因而造成了pH增加[20]。在接种AM真菌和非盐胁迫条件下，接种AM真菌处理的土壤电导率较非接种AM真菌的处理呈明显下降趋势，特别是施磷量为50 mg/kg时，下降幅度最大说明土壤中的盐分有所减少。这与岳英男等[21]研究结果一致，表明接种AM真菌可在一定程度上减少土壤中的盐分含量，可能是因为接种真菌后与根系结合形成菌根，能够降低碳酸盐结合态。

3.2 施磷和AM互作对棉花的浸染状况的影响

菌根浸染率是AM真菌是否与宿主植物建立共生关系的重要指标，在一定程度上决定植物生长与抗逆能力[22]。本实验中，非盐胁迫时，菌根侵染率随施磷水平的增加呈升高趋势，磷素过量时，AM菌根侵染率下降。大量研究证实，磷素营养与菌根形成的关系较密切，即土壤磷素水平显著影响菌丝和孢子的繁殖从而影响菌根浸染率[23]。极端缺磷时，提高磷的供应会促进菌根真菌的生长发育，但超过一定的供磷水平(25 mg/kg)，则开始抑制其侵染和繁殖[24]。当土壤中存在盐胁迫时下AM真菌对棉花根系侵染有抑制作用，并且施磷水平为50 mg/kg时AM菌根浸染率显著提高，而施磷为100 mg/kg时AM菌根浸染率呈下降趋势，说明高磷水平同样会抑制AM真菌对棉花根系的浸染。研究显示，土壤中较高的盐分可以抑制孢子的萌发、形成以及菌丝在宿主根系的生长，从而降低AM真菌对宿主根系的侵染[25]。本研究表明，土壤供磷水平和盐度对棉花根系的菌根侵染率有显著的影响。

3.3 施磷和AM互作对棉花生长和养分吸收的影响

研究表明，AM真菌对改善棉花矿质营养尤其是磷营养具有重要作用，但大多数研究并没有基于盐渍化土壤下[26]。新疆大部分棉田土壤含盐量较高，因此探讨施磷水平与菌根真菌互作机制并进一步扩展至盐碱土壤加以利用是非常重要的。本研究在盆栽条件下，对棉花接种AM真菌并设置3个不同供磷水平和盐胁迫的土壤环境，考察接种AM真菌对棉花生物量及磷吸收量的影响。结果表明，非盐胁迫条件下，接种AM真菌显著提升了棉花植株生物量，施磷量为50 mg/kg时，植株干重达到显著水平。盐胁迫显著降低了棉花植株的干重，施磷量为50 和100 mg/kg时接种AM真菌的植株总干重与未接种AM真菌的植株相比有显著提升，证实了在适宜的施磷水平下，AM真菌对提高棉花生产有重要作用并且在盐胁迫土壤条件下同样适用。

大量研究显示，植物菌根能缓解盐渍土壤环境对植物的抑制，增加植物对盐胁迫的抗性[27-28]。本实验结果表明，无盐胁迫条件下，接种AM真菌时，施磷水平为50 mg/kg时棉花植株地上部分和地下部分磷含量达到显著水平，随着施磷水平的增加呈先上升后下降的趋势。棉花生长在盐胁迫的土壤中时，接种外生菌根真菌与未接种植株相比有明显提高，在50 mg/kg的施磷条件下菌根植物地上部分、地下部分磷含量都显著增加。而施磷处理为100 mg/kg时，棉花植株磷含量提升并不显著，与前人研究一致。冯固[29]在研究施磷和接种AM真菌对玉米耐盐性的影响时，发现在盐胁迫条件下，接种AM真菌在低磷(25 mg/kg)条件下对玉米生长和吸收磷有显著促进作用。说明接种AM真菌后增加了植物对磷的吸收，改善了盐渍土壤导致的植物营养亏缺，促进了植物生长。大多数研究者认为，在盐胁迫下，菌根加强了植物对营养物质的吸收，促进植物的生长[30]。

4 结 论

接种AM真菌和施磷能显著影响棉花菌根侵染率、植株干物质量和磷含量。盐胁迫会抑制AM真菌对棉花根系的侵染，施磷量为50 mg/kg时，侵染率达最大值，与不施磷相比，盐胁迫和非盐胁迫下侵染率分别增加了13.4% 和21.7%。从植株干物质量来看，非盐胁迫条件下施磷量为50 mg/kg条件下接种AM真菌棉花干物质量达到最高，与未接种AM真菌相比增加了29.9%，盐胁迫条件下，施磷量为50和100 mg/kg条件下植株总干重显著高于0 mg/kg，另外，施磷量为50和100 mg/kg时接种AM真菌处理与相对应的未接种AM真菌处理相比，植株总干重分别增加了47.8%和26.1%。

非盐胁迫处理下，接种AM真菌棉花地上部分磷含量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，施磷量为50 mg/kg时，磷含量最高。盐胁迫处理显著降低了棉花地上部分磷含量，但接种AM真菌后磷含量有显著提升，施磷量为50 mg/kg时达到最高。非盐胁迫条件下，接种AM真菌条件下，与0 mg/kg处理相比，50和100 mg/kg的施磷处理中棉花地下部分磷含量达到显著差异。盐胁迫条件下，接种AM真菌中棉花地下部磷含量在施磷量为50 mg/kg时达到最大值。