盐胁迫对AMF介导下两种荒漠植物生长和生理特性的影响

王海鸥, 麦格皮热提古丽·达吾提, 高文礼, 陈晓楠,伊力努尔·艾力, 马晓东*

(1.新疆师范大学生命科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830054; 2.新疆特殊环境物种保护与调控生物学实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054;3.平原县综合行政执法局, 山东 德州 253100)

塔里木河下游光照强烈,降水量少,土壤含盐量高,形成大面积的盐渍化土地,导致该区植被严重退化[1]。多枝柽柳(Tamarixramosissima)是柽柳科(Tamaricaceae)柽柳属(Tamarix)植物,具有耐干旱、耐盐碱、耐沙埋和广泛的生态适应性,为塔里木河下游荒漠河岸林灌木层建群种之一[2]。疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)是豆科(Leguminosae),骆驼刺属(Alhagi)多年生草本植物,作为塔里木盆地南缘的优势草本,分布范围广,有发达的根系,具有防风固沙的特性[3]。二者常常相伴而生,共同维护荒漠河岸林的生态安全。然而,盐胁迫严重限制多枝柽柳和疏叶骆驼刺幼苗的生长,导致二者实生幼苗更新受阻。为此,积极探究疏叶骆驼刺和多枝柽柳幼苗在盐胁迫下的生存策略,对荒漠河岸林植被恢复具有重要意义。

丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一种古老的共生微生物,能够与世界上90%左右的植物建立互惠共生关系[4]。AMF广泛存在于盐渍土壤周围,通过多种机制提高宿主植物的耐盐性,如促进植物对水分的吸收[5],提高光合能力[6],增强植物的抗氧化能力[7]。研究表明,与未接种植物相比,盐胁迫下接种AMF会提高植物体内的SOD,POD和CAT活性,这说明盐胁迫下AMF与宿主植物的共生在激活抗氧化酶活性方面具有促进作用[8-9]。此外,由于大多数丛枝菌根真菌缺乏宿主特异性,其一部分侵入宿主植物根系内细胞形成泡囊和丛枝,另一部分不断向外延伸,再次侵染其他植物根系而形成丛枝菌根网络(Arbuscular mycorrhizal network,AMN)[10],介导植物之间氮、磷等矿质营养元素的转移[11-12],促进植物生长。研究表明,不同菌丝传递距离可使菌丝介导下供受体植物中菌根定殖情况产生差异[13]。

目前,有关AMF对荒漠植物抗逆性研究主要集中在单一植物上[14-16],不同植物在菌丝介导尤其是不同传输距离影响下生长生理特性的变化鲜有报道。疏叶骆驼刺和多枝柽柳不仅是塔里木盆地南缘的绿洲—荒漠过渡带上所形成的优势植物群落,还是关键的菌根植物,前者的侵染率高达97%[17]。与此同时,作为豆科植物,疏叶骆驼刺能够通过生物固氮的方式,将空气中的氮转化到植物体内,促进植物生长[18]。因此,本研究以疏叶骆驼刺为供体植物,多枝柽柳为受体植物,通过盆栽试验设计不同梯度的盐浓度水平和不同的菌丝传递距离处理,分析在菌丝介导下多枝柽柳和疏叶骆驼刺生长和生理特性的变化,探究两种植物幼苗期的生存策略,以期为荒漠植物的耐盐机制的揭示和塔里木河下游生态恢复与重建提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试疏叶骆驼刺和多枝柽柳种子及河沙均采集于塔里木河下游。河沙过2 mm筛去除杂质后,与蛭石按体积比3∶1混合均匀,在110℃,0.14 Mpa下连续湿热灭菌1 h备用。供试AM真菌为摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae,BGC XJ01),购于北京市农林科学院植物营养与资源研究所。

1.2 试验设计

试验装置如图1所示,将两个PVC三通管中间用PVC管道相连,连接部分的管道两端均固定住孔径为20 μm的尼龙网(20 μm尼龙网允许根外菌丝通过,而阻止根系通过),其中左面为供体室并作接种处理,右面为受体室,供体室和受体室间为尼龙网隔开的土隔。

图1 试验装置示意图

试验设2个接种处理,即接菌组(M)和灭菌组(NM);3个NaCl水平,0(对照,S0),0.4%(S1,低盐胁迫,),0.8%(高盐胁迫,S2);2个菌丝传递距离处理,15 cm土隔(短距离,L1)和30 cm土隔(长距离,L2),每个处理重复3次。其中15 cm土隔处理下未接种AMF(菌根未定殖)、15 cm土隔处理下接种AMF(菌根定殖)、30 cm土隔处理下未接种AMF(菌根未定殖)、30 cm土隔处理下接种AMF(菌根定殖)分别用L1-NM,L1-M,L2-NM,L2-M表示。选取饱满,大小一致的多枝柽柳和疏叶骆驼刺种子播种于塑料盘中,待幼苗萌发30天后,将幼苗移至实验装置中,其中疏叶骆驼刺幼苗移至供体室,多枝柽柳幼苗移至受体室,每分室保留3株健康、长势一致的幼苗。移苗的同时进行接种处理,方法如下:仅在接菌处理组供体室中距离土壤表层10 cm处均匀地接种25 g菌剂,不接菌处理组供体室加入25 g灭菌的菌种。幼苗培养30天后进行盐胁迫处理,为避免对幼苗造成渗透休克,每隔三天加一次盐溶液,每次按照0.2%的梯度递增,直到达到预定的盐度水平,期间为防止盐份流失保持盐浓度,每个装置下边放一个托盘,如有渗漏,将渗出盐溶液倒回试验装置中。盐胁迫40天后进行采样,测定相关指标。

1.3 测定指标与方法

1.3.1AMF侵染率测定 取直径为(小于等于)2 mm的新鲜细根,剪成长度1～2 mm的根段,对其进行固定、碱解离、酸化和染色等处理后,制成装片在显微镜下观察。根据网格交叉法计算菌根侵染率,计算公式如下:

1.3.2生长指标的测定 采用直接测量法,在盐胁迫处理的前一天和第40天测量用卷尺和游标卡尺分别测量不同处理组幼苗的株高和基径,计算相对株高增长率和相对基径增长率,公式如下:

1.3.3叶绿素含量的测定 采用乙醇丙酮法,选取植株自上到下第3～5片叶进行叶绿素含量的测定。

1.3.4叶绿素荧光参数的测定 使用Junior-Pam便携式调制叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数,对幼苗进行暗处理30 min后,选取幼苗由上至下的第3～5片叶,测定其初始荧光(Fo),最大荧光(Fm) 和PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)。

1.3.5生理指标的测定 超氧化物酶(Superoxide dismutase,SOD) 活性采用羟胺法测定,过氧化物酶(Peroxisome,POD) 活性采用愈创木酚法测定,过氧化氢酶(Catalase,CAT) 活性采用钼酸铵法测定,丙二醛(Malondialdehyde,MDA) 含量采用硫代巴比妥酸法测定,脯氨酸(Proline,Pro) 含量采用磺基水杨酸法测定,可溶性糖(Soluble sugar,SS)含量采用蒽酮比色法测定。

1.4 数据处理

本研究采用Microsoft office 2019进行数据整理,使用SPSS26.0统计软件分析,多重比较采用Duncan法(P<0.05),用Origin2021软件作图。数据均用平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对植物AMF侵染率的影响

本研究中在未接种处理组中均未发现有菌根侵染的情况,而在接菌处理组的供、受体植物中观察到有菌丝、泡囊等典型的菌根结构(图2),说明AMF接种效果良好且在供、受体植物间形成了菌丝网络。

图2 盐胁迫下AMF对供体植物(A,B)和受体植物(C,D)幼苗根系的侵染效果

如图3所示,供体植物在同一盐水平下的菌根侵染率均无显著差异,但在低盐(S1)和高盐(S2)水平下,受体植物在L2-M处理下的侵染率比L1-M处理分别显著降低46.00%和64.29%(P<0.05)。此外,随着盐浓度的升高,各处理供、受体植物的侵染率均逐渐下降。由此可知,盐胁迫会降低菌根在供、受体植物中的侵染率,且受体植物在远距离处理下的侵染率均低于近距离,尤其是高盐胁迫下最为明显。

图3 盐胁迫对供体植物(A)和受体植物(B)AMF侵染率的影响

2.2 盐胁迫下AMF对植物表观生长的影响

由图4所示,随着盐浓度的升高,各处理供、受体植物的株高和基径相对增长率均呈下降趋势,接种AMF均能够显著提高各处理下供体植物的株高和基径相对增长率(P<0.05)。对受体植物来说,接种AMF能显著提高其在S0和S1水平下各处理的株高和基径相对增长率(P<0.05);但在S2水平下,与未接菌组相比,接种AMF对各处理下受体植物的株高和基径相对增长率分别为增加10.76%,-1.73%,20%和0%,小于其他各盐水平处理。由此可知,接种AMF能够促进盐胁迫下供、受体植物的生长,但在高盐胁迫下,对受体植物生长的促进作用不大。

图4 盐胁迫下AMF对供体植物(A,C)和受体植物(B,D)表观生长的影响

2.3 盐胁迫下AMF对植物叶绿素含量的影响

如图5所示,随着盐浓度的升高,各处理供、受体植物的叶绿素a,b和叶绿素总含量逐渐下降,接种AMF均能显著提高供体植物在各处理下的叶绿素a,b和叶绿素总含量。受体植物中,在S0和S1水平下,除对S1+L2处理的叶绿素b含量无明显促进作用,其他各处理接种AMF均能显著提高叶绿素a,b和叶绿素总含量(P<0.05)。但在S2水平L2处理下,相较于对照组,接种AMF后受体植物叶绿素a,b和叶绿素总含量分别降低1.39%,3.15%和7.40%。由此可知,接种AMF能够显著促进各处理供体植物叶绿素含量的增加,但对高盐胁迫长距离处理下的受体植物并不能起到同样的促进作用。

图5 盐胁迫下AMF对供体植物(A,C,E)和受体植物(B,D,F)叶片叶绿素含量的影响

2.4 盐胁迫下AMF对植物叶绿素荧光参数的影响

由图6可知,随着盐浓度的升高,供、受体植物的Fo值呈逐渐上升的趋势,而Fm和Fv/Fm值则呈降低趋势。接种AMF均能降低供体植物的Fo值,但与对照组相比差异不显著,且各处理下Fm和Fv/Fm值均得到提高;对受体植物来说,接种AMF后,在S1水平两种菌丝传递距离处理下的Fo,Fm和Fv/Fm值差异不显著,但在S2水平下,与对照组相比,L2处理下的Fo增加2.39%,Fm降低1.67%以及Fv/Fm值增加0%,没有产生促进作用。由此可知,菌根定殖均能够从不同程度上降低供、受体植物的Fo值并提高Fm及Fv/Fm值,提高植物的光合能力;在低盐胁迫下,受体植物在不同距离处理下的叶绿素荧光参数无明显差异,但在高盐胁迫下,接种AMF对长距离处理下受体植物的叶绿素荧光参数无促进作用。

图6 盐胁迫下AMF对供体植物(A,C,E)和受体植物(B,D,F)叶片叶绿素荧光参数的影响

2.5 盐胁迫下AMF对植物MDA含量和抗氧化酶活性的影响

由图7可知,随着盐浓度的增加,各处理供、受体植物的MDA含量逐渐增加,SOD,POD,CAT活性先上升后下降,但均高于对照组。接种AMF均能显著降低所有盐水平下供体植物的MDA含量,提高SOD,POD和CAT活性(P<0.05);菌根化受体植物中,其中在S1水平下,两种菌丝传递距离处理下的MDA含量和抗氧化酶活性均差异不显著。在S2水平下,L1处理的MDA含量比L2处理显著降低12.62%(P<0.05),SOD,POD和CAT活性则分别显著升高8.20%,25.08%和24.98%(P<0.05),且对L2处理下的MDA含量和抗氧化酶活性无促进作用。由此可知,接种AMF均能降低盐胁迫下供体植物的MDA含量并提高抗氧化酶活性,其中低盐胁迫下不同距离处理受体间MDA含量和抗氧化酶活性无明显差异,但在高盐胁迫下,接种AMF对长距离处理下受体植物的MDA含量和抗氧化酶活性无促进作用。

图7 盐胁迫下AMF对供体植物(A,C,E,G)和受体植物(B,D,F,H)MDA含量和抗氧化酶活性的影响

2.6 盐胁迫下AMF对植物渗透调节物质的影响

由图8可知,供、受体植物可溶性糖和脯氨酸含量随着盐浓度的增加呈现先升高后降低的趋势。在所有盐水平下,接种AMF均显著增加供体植物可溶性糖和脯氨酸含量(P<0.05);在S1水平下,接种AMF能够显著促进受体植物可溶性糖和脯氨酸含量的增加,且L1处理和L2处理下的中可溶性糖和脯氨酸含量差异不显著,但在S2水平下L2处理的可溶性糖和脯氨酸含量分别比L1处理显著降低10.15%和39.89%(P<0.05)。由此可知,随着盐浓度的升高,接种AMF能够显著促进各处理供体植物可溶性糖和脯氨酸含量的积累,在低盐胁迫下,两种距离处理下受体植物的可溶性糖和脯氨酸含量差异不显著,但在高盐胁迫长距离处理下,菌根定殖对受体植物中渗透调节物质的积累无促进作用。

图8 盐胁迫下AMF对供体植物(A,C)和受体植物(B,D)渗透调节物质含量的影响

3 讨论

AMF侵染率能够直接反映菌根的形成和丛枝菌根真菌与宿主植物之间的亲和力[19]。本研究中接菌组供、受体植物的侵染率处于10.00%～84.33%,说明AMF与供、受体植物建立了良好的共生关系。盐胁迫降低了AMF在供、受体植物中的侵染率,这与Christian等[20]研究结果相近,说明盐胁迫对AMF孢子萌发和菌丝生长产生不利影响,导致其在植物根部的侵染率降低。此外,对于受体植物而言,与长距离相比,较短的菌丝传递距离更有利于菌丝的传递和AMF的侵染,表明在相同处理下,供、受体植物之间的距离是限制菌根侵染的重要因素。AMF促进了供、受体幼苗的生长,增加了供、受体植物的株高和基径相对增长率,这与前者的研究结果一致[21]。但在S2水平下,与未接菌组相比,AMF对受体植物的株高和基径相对增长率的促进作用远小于低盐胁迫,这可能是因为高盐胁迫不仅会对受体植物产生严重伤害,还降低了AMF在受体植物中的侵染率,使得菌丝生长被抑制,进而限制了菌丝对水分和营养物质的吸收[22],导致AMF对受体植物株高和基径的生长无明显促进作用。

叶绿素作为光合作用主要色素,其含量高低是衡量植物光合作用强弱的重要因素之一[23-24]。接种AMF对各盐水平下供、受体植物叶绿素含量均有提高,这与以往的研究结果相近[1],说明AMF可以通过增加光合色素含量减轻盐胁迫对植物的伤害。而在高盐胁迫下,与对照组相比,菌根定殖对长距离处理下受体植物的叶绿素a,b含量无促进作用,这可能是高盐胁迫使得AMF和受体植物叶绿体结构和功能遭到严重破坏,叶绿素降解酶活性增强,降解了叶绿素,即使接种AMF也不能得到恢复的缘故[25]。叶绿素荧光参数作为光合作用的探针,能够反映其过程的变化[26]。正常环境下的Fv/Fm值通常在0.7～0.8之间,但植物受到盐胁迫会造成Fo值升高,Fm值下降,进而导致Fv/Fm值下降[27]。本研究中,接菌组中的受体植物在低盐胁迫两种距离处理下的Fo值均下降,Fm和Fv/Fm值均升高,且无明显差异[28],但在高盐胁迫长距离处理下,菌根定殖并不能缓解盐胁迫导致的受体植物Fo值的升高和Fm,Fv/Fm值的下降,其原因可能与叶绿素合成的减少影响了受体植物光合作用的正常进行,使得光能利用效率降低有关。

盐胁迫下植物体内活性氧的过度积累会导致氧化损伤,MDA作为膜脂质过氧化的主要产物能够破坏生物膜的结构与功能[29]。为了清除活性氧,植物会凭借体内的抗氧化酶和抗氧化剂,减轻盐胁迫对其造成的伤害[30]。本研究中,接种AMF能降低低盐胁迫下受体植物中MDA含量,提高SOD,POD和CAT活性,这与Wang等[31]对皂荚(Gleditsiasinensis)的研究结果一致,且两种菌丝传递距离处理下MDA含量和抗氧化酶活性能够达到同等程度的促进作用,这一方面可能因为多枝柽柳作为泌盐植物,自身就具有比较强的耐盐能力;另一方面也说明在低盐胁下,AMF能够促进植物积累更多的抗氧化酶,其中SOD将超氧化物代谢为H2O2,保护植物细胞免受损伤,产生的H2O2又能被CAT和POD代谢为H2O和O2,在提高受体植物的抗氧化能力方面发挥极大的促进作用。而在高盐水平下AMF对L2处理下受体植物的促进作用远远小于L1处理,这可能是因为,高浓度盐胁迫使受体植物细胞内膜系统和AMF均受到严重损伤,即使接种AMF也并未产生促进作用。另外,为了抵抗盐胁迫带来的渗透胁迫,植物会通过积累渗调节物质,如脯氨酸和可溶性糖,增强渗透调节,以保证生理功能的正常行使[32-33]。本研究中,接种AMF能够提高低盐胁迫各处理下受体植物的可溶性糖和脯氨酸含量,维持幼苗体内的渗透平衡,这与朱天奇等[33]研究结果相近。但在高盐胁迫下,菌根定殖对L2处理下的受体植物渗透调节物质含量基本无促进作用。这说明,在高盐胁迫长距离处理下,由于受体植物自身遭到不可逆的盐害作用,加之菌丝的传递和生长被抑制,导致AMF并不能对受体植物的渗透调节能力起到促进作用。

在野外自然环境中,多枝柽柳与疏叶骆驼刺的生长周期存在差异[34]。疏叶骆驼刺作为草本植物,生长速率较快、周期短,多枝柽柳则与之相反。本研究中供体植物接种AMF后,AMF会与供体植物疏叶骆驼刺幼苗根系形成共生关系,促进其生长发育。此外,AMF还会和疏叶骆驼刺根部的根瘤菌产生协同作用,对疏叶骆驼刺幼苗生长和AMF在其根部的侵染率均产生促进作用[35]。与此同时,根外菌丝会不断向外延伸,进一步侵染植物多枝柽柳幼苗根系,并通过菌丝网络,向其运输水分和养分,促进多枝柽柳幼苗期的形态建成。而当多枝柽柳幼苗建成后,可能还会通过发达的菌丝网络,促进周围疏叶骆驼刺的生长。本试验表明,接种AMF不仅会提高供体植物幼苗的存活率,还会通过菌丝网络与周围植物相互联系,对维持塔里木河下游荒漠植物多样性具有重要意义。本研究仅从生长和部分生理指标上初步探讨了接种AMF对不同菌丝传递距离下疏叶骆驼刺和多枝柽柳幼苗耐盐性的影响,但供、受体之间如何传递养分及其机制还不清楚,仍需展开进一步研究。

4 结论

接种AMF不仅能够促进供体植物生长,还能够通过AMN缓解盐胁迫对受体植物的伤害。其中,低盐胁迫长距离处理下,菌根定殖主要通过降低Fo值和MDA含量,提高Fm和Fv/Fm值、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量来缓解盐胁迫对受体植物的伤害;高盐胁迫下,较长的距离并不适宜菌根定殖和植物生长,导致AMF并未对受体植物生长和生理指标产生促进作用。综合来看,AMF在不同长短菌丝传递距离下能够通过适宜的非生物环境条件对受体植物产生促进作用,说明其在荒漠地区植被恢复中具有一定的应用潜力。