丛枝菌根真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗生长、生理特征及水分利用的影响

王 建，赵 单

(1.河南林业职业学院，河南洛阳 450002； 2.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007)

水资源短缺带来的干旱胁迫是目前影响植物完成生长史过程中最为严重的全球性问题。研究表明，干旱胁迫可通过破坏植物的养分吸收、光合作用和细胞代谢等多种生理生化过程，严重影响作物的生长发育和生产力[1]。干旱胁迫会诱导大量活性氧累积，从而损害植物细胞，为应对氧化应激，植物可通过调节抗氧化系统以减轻甚至消除活性氧(ROS)，超氧化歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等酶可有效减轻ROS累积，从而减轻细胞膜中脂质过氧化带来的损伤，保护细胞膜结构的完整性[2]。在真核生物中，SOD分为Cu/Zn-SOD、Fe-SOD和Mn-SOD，Cu/Zn-SOD主要存在于细胞质中，Fe-SOD和Mn-SOD分别位于叶绿体和线粒体中[3]。CAT是含有血红素的四聚体酶，可将H2O2直接分解为H2O和O2，这是植物在胁迫条件下清除活性氧的必要条件[4]；因此，干旱胁迫下植物中抗氧化酶特征可以反映植物耐受土壤水分亏缺的能力。

除了抗氧化酶，植物还具备其他减轻氧化损伤的策略，例如根系可与土壤中的丛枝菌根(AM)真菌互利互惠，从而减轻细胞的氧化应激损伤[5]。AM真菌是植物根际有益的土壤微生物，它可以与绝大多数陆生植物根形成共生丛枝菌根共生结构。AM真菌可以直接或间接帮助植物获取土壤中的养分和水分，作为回报宿主植物提供脂肪酸为主的碳酸化合物以维持AM真菌的繁衍与生长[6]。目前的研究表明，AM真菌不仅可为宿主植株提供养分资源，同时也可协助植物应对生物/非生物胁迫。胡振兴等研究表明，干旱胁迫下AM真菌可有效提高大豆叶片超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化物酶(POD)活性，增加土壤磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性，影响土壤微生物群落组成[7]。此外，干旱胁迫下接种AM真菌均显著提高了玉米叶水势、降低脯氨酸含量、提高叶片保护酶(SOD、POD)活性，降低玉米丙二醛(MDA)积累，从而减轻玉米叶片膜脂过氧化带来的损伤[8]。

绿色木霉(Trichodermaviride)是一种重要的多功能型丝状真菌，其代谢产物种类丰富、活性物质多样，在农业、林业领域及生态保护领域都有广泛应用[9]。以往的研究表明，干旱胁迫下接种绿色木霉真菌可以促进植物地上部农艺性状及根系生长，调节抗氧化酶系统的生理代谢来诱导宿主的抗逆性[10]。前人研究表明，绿色木霉与枯草芽孢杆菌进行番茄灌根后可以有效改善幼苗根系形态、增加根投影面积，并提高土壤中铵态氮、有效磷和速效钾含量，从而促进番茄植株生长[11]。邓薇等研究发现，干旱胁迫下绿色木霉可促进玉米幼苗根系形态指标、根系构型以及根系几何特征指标，从而缓解干旱胁迫对玉米幼苗根系带来的不利影响[12]。目前关于AM真菌或木霉真菌应用于病虫害及重金属胁迫的研究已被广泛报道，然而对非生物胁迫(如干旱胁迫)的研究较少，且主要是单一接种，较少涉及组合施用效果。基于此，本研究通过分析正常水分和干旱条件下接种AM真菌、绿色木霉及其组合处理对苹果树幼苗生长发育、水分利用、光合特性及氧化系统特征的差异，以期为微生物技术运用于果树栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年3—6月于河南林业职业学院遮雨场地中进行。供试苹果树为烟富6号，种子来自河南省郑州果树研究所，采用育苗钵培养至6～7叶龄。

丛枝菌根真菌接种菌剂为摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae)，购自北京农林科学院植物营养与资源研究所，试验接种物由孢子(105个/g土)、菌丝和土壤基质组成。绿色木霉(Trichodermaviride)来自南京农业大学果树研究所，保存于中国普通微生物保藏管理中心(保藏编号：CGMCC 5.1249)，接种菌剂为PDA固体培养基培养-恒温摇床增殖的悬浊液[9]。

试验地土壤类型为中壤土，采用0～20 cm表层土，土壤采用湿热灭菌处理(121 ℃，1×105kPa，4 h)，壤理化性质为pH值7.05，全氮1.13 g/kg，碱解氮85.88 mg/kg，有效磷17.52 mg/kg，速效钾 109.24 mg/kg，电导率202.63 μS/cm。

1.2 试验设计

试验设置基质水分含量为主处理，施用AM真菌为次处理。次处理为：CK：不施用任何菌剂；FM：接种丛枝菌根真菌(Funneliformismosseae)；TV：接种绿色木霉真菌(Trichodermaviride)；FM+TV：施用Funneliformismosseae和Trichodermaviride；以上处理皆基于培养基质75%正常土壤含水率(WW)、土壤55%含水率的干旱处理(DS)，共8个处理组合。FM处理施用量为40 g/kg，TV处理为施用50 mL菌剂，重复4次。

盆栽装置为圆形塑料桶，盆高28 cm，直径 25 cm。每盆装土8 kg，将AM真菌菌剂和土壤充分混合，绿色木霉采用灌根方式施入。按照上述处理设置土壤含水率，将6～7叶龄的苹果树幼苗转移至相应处理的土壤基质中。同时采用配备林木型ML3x探头的HH-2 WET/WET -2-K1 Delta-T WET便携式土壤水分仪监测培养基质含水率，采用滴灌方式补充水分以确保基质水分在试验设定的范围内。试验培养67 d。

1.3 样品采集及测定分析

1.3.1 生长参数及水分利用参数抗氧化系统指标测定 培养结束后，干物质测定将植株地上部、根系分离105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干称量记录。株高、茎粗采用数字尺测定。采用Epson V850 photo对根系进行扫描，WINR HIZO-PRO2018软件(Regent Instruments LA2100，Canada)分析根系体积、根系表面积、根系平均直径参数。测定第8～10片完全展开叶的水分利用指标，植株水分利用效率(WUE)=DW/用水量；植株相对含水量(RWC)采用烘干称质量法测定，RWC=(FW-DW)/(TW-DW)×100%，上述FW、DW、TW分别为鲜质量、干质量、膨压质量[13]。

1.3.3 光合色素及光合特征参数测定 测定第 8～10片完全展开叶的光合色素含量，光合色素包含叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素，三者含量皆采用丙酮-乙醇混合浸提，之后采用紫外分光光度计(UV-2450，Shimadzu，Japan)分别在665、649、470 nm 处测定，具体方法参照文献[14]。

采用LI- 6400便携式光合测定系统(LI-6400；LI-COR，America)测定第8～10片完全展开叶的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)等指标。叶室温度设置为(25±1) ℃，CO2浓度为480 μmol/mol，光量子密度为1 200 μmol/(m2·s)。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2013进行数据整理，采用SPSS 23.0软件比较进行试验数据统计分析(α=0.05)，采用Origin 2018进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗生长参数的影响

由表1可知，正常水分处理(WW)条件下各处理的干物质含量(地上部干物质、根系干物质)、地上部生长参数(株高、茎粗)及根系性状参数(根系表面积、根系直径、根系体积)皆整体高于干旱处理(DS)，表明干旱胁迫对苹果树幼苗生长具有不利影响。无论在WW还是DS中，干物质含量、地上部生长参数及根系性状参数皆表现为CK

表1 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗生长参数的影响

2.2 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗光合色素的影响

由图1-a可知，在叶绿素a指标中，WW处理以FM、TV、FM+TV处理显著大于CK处理，DS处理中CK、FM、TV处理较FM+TV处理分别显著降低40.22%、32.07%、22.83%；与WW-CK处理相比，DS条件下的各处理均与其存在显著差异，且除FM+TV显著较高外，其余处理皆以WW-CK显著大于DS的其他处理。由图1-b可知，在叶绿素b指标中，整体以WW大于DS，且无论在WW还是DS条件下，各处理皆呈CK

2.3 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗光合参数的影响

由图2可知，处于干旱条件(DS)下各处理的叶片净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)及气孔导度(Gs)皆低于正常水分处理(WW)。无论是在WW还是DS条件下，与其对应的CK处理相比，丛枝菌根真菌处理(FM)和绿色木霉处理(TV)皆整体提高了上述光合气体交换参数，尤其表现在DS条件下。光合参数指标中，无论是WW还是DS条件下的各处理均表现为CK

2.4 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗氧化酶系统的影响

2.5 AM真菌与绿色木霉对干旱胁迫下苹果树苗水分利用的影响

由图4可知，在水分利用效率(WUE)和叶片相对含水量(RWC)指标中，整体以WW大于DS。无论WW还是DS条件下，与其相应水分条件的CK处理相比，丛枝菌根真菌、绿色木霉皆整体提高了上述水分利用参数，且丛枝菌根真菌和绿色木霉组合施用处理(FM+TV)下各水分利用参数皆具有较优值。在WW条件下，WUE、RWC均呈CK

3 结论与讨论

干旱已成为全球性问题，水资源短缺会对植物的生长发育、生理代谢产生不利影响[15]。本研究表明，与正常土壤含水率处理(WW)相比，干旱胁迫处理(DS)整体降低了干物质含量(地上部干物质、根系干物质)、地上部生长参数(株高、茎粗)及根系性状参数(根系表面积、根系直径、根系体积)。AM真菌及木霉属菌是土壤中2种重要的功能真菌，然而关于两者在胁迫环境下的生理影响知之甚少[12，16]。本研究中，无论是在WW还是DS条件下，丛枝菌根真菌处理(FM)、绿色木霉处理(TV)皆不同程度地提高了苹果树苗的生长发育指标，与WW-CK处理相比，DS条件下的FM、TV处理长势较差，而DS-FM+TV处理略优于WW-CK处理，表明干旱环境下组合接种丛枝菌根真菌、绿色木霉是改善植物生长发育的潜在理想技术。且从试验数据看，FM处理略优于TV处理，这可能是因为两者功能形式不同的结果，丛枝菌根真菌具有广泛的根外菌丝网络，能使宿主植物获得更多的土壤养分和水分[17]，因此在干旱胁迫下长势较佳。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，参与光能的吸收、转移、分配和转化过程；类胡萝卜素是重要的抗氧化物质，它可消散PSⅡ天线中多余激发能量，尤其是在胁迫环境中[18]。在干旱环境中，PSⅡ光化学效率降低的原因可能与叶片光合色素含量减少有关[19]。本研究中，干旱胁迫显著降低了苹果树苗的光合色素，在此基础上接种丛枝菌根真菌、绿色木霉均有效提高了叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量(图2)，这有助于改善光合色素含量从而保证植株叶片的光合进程。光合作用是植物生长发育所需底物和能量的主要来源，不利的环境条件会影响光合性能[20]。本研究表明，干旱胁迫整体降低了苹果树苗叶片的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)及气孔导度(Gs)，且无论是在WW还是DS环境下，FM、TV处理的光合特征参数均大于CK处理，但2种处理的作用效果存在一定差异，以TV处理效果较佳，这可能是因为绿色木霉可以介导光合型α-乙酰辅酶合成及提高其酶活性的缘故[21]。此外，本研究进一步表明，DS条件下FM+TV处理Pn、Ci、Tr及Gs皆具有最大值；干旱胁迫下具备较大的气体交换值则意味着蒸腾作用强烈，可增强诱导根系的水分向地上部运输，从而防止地上部失水及维持光合作用进行[4，22-23]。

叶片水分利用可反映环境水分不足时植物组织在蒸腾作用过程中的耗水程度和恢复能力的差异[12，28]。本研究结果表明，与WW相比，DS环境下的水分利用效率(WUE)及叶片相对含水量(RWC)均较低，且无论WW还是DS条件下，FM、TV处理皆提高了WUE和RWC，但皆以FM处理优于TV处理。前人研究表明，丛枝菌根真菌自由基菌丝是亲水性蛋白菌丝，可有效吸附水分，或通过保护自由基菌丝免受外部环境干燥的影响[4，29]，这可能是丛枝菌根真菌处理水分利用优于绿色木霉真菌处理的原因。此外，本研究表明，无论WW还是DS条件下，FM+TV处理均具有较大值，且与WW-CK处理相比，WUE、RWC指标中DS-FM+TV处理分别显著提高26.92%、13.64%。综上，在干旱条件下接种丛枝菌根真菌、绿色木霉皆可提高苹果树苗的生长发育、促进光合作用、激活抗氧化系统及提高水分利用效率，在生长发育方面及水分利用方面以单接种丛枝菌根真菌较优，内在生理方面(光合特征及抗氧化特征)则以绿色木霉表现较好，整体而言，以二者组合施用效果最佳。