6种外生菌根真菌对长白落叶松幼苗的促生效应

2024-12-29 00:00:00王道涵王艳如江欢欢张西秀张凌云谈家金
中南林业科技大学学报 2024年12期

摘 要:【目的】为研究外生菌根真菌在长白落叶松Larix olgensis生长和生理过程中的作用。【方法】选用长白落叶松实生苗作为研究材料,在恒温光照培养环境中,采用彩色豆马勃Pisolithus tinctorius、厚环粘盖牛肝菌Suillus grevillei、粘盖牛肝菌Suillus bovinus、巨大口蘑Macrocybe gigantea、红绒盖牛肝菌Xerocomellus chrysenteron和松乳菇Lactarius deliciosus 6种外生菌根真菌进行接种,以分析各菌株对长白落叶松幼苗的根系侵染、生长指标、根系活力、叶绿素含量、营养元素含量和光合参数的影响。【结果】彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇均与长白落叶松幼苗建立了良好的共生关系,产生了较强的菌根效应,显著提高了植株的生物量、苗高、地径、根表面积和根尖数,其中接种彩色豆马勃总体效果最明显,较对照分别提高了64.2%、30.7%、15.0%、35.6%和51.1%,彩色豆马勃和厚环粘盖牛肝菌还显著增加了植株根长,较对照分别提高了43.2%和40.9%。生理研究显示,3种菌株显著提高了植株钾元素含量,其中,彩色豆马勃和松乳菇还显著提高了植株叶绿素、氮元素和磷元素的含量,而彩色豆马勃和厚环粘盖牛肝菌显著提升了植株根系活力,厚环粘盖牛肝菌显著增强了植株的蒸腾速率,较对照高29.2%。粘盖牛肝菌除显著提高了植株的地径和生物量外,其他生长和生理指标与巨大口蘑和红绒盖牛肝菌一致,均与对照处理无显著差异。【结论】接种适当的外生菌根真菌能够增强长白落叶松幼苗的根系活力以及吸收营养元素的能力,从而促进植物的生长,在接种的6种外生菌根真菌中,彩色豆马勃对长白落叶松生长和生理的提升效果最为显著。

关键词:长白落叶松;外生菌根真菌;促生效应;促生机制

中图分类号:S718.81 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2024)12-0123-08

基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFD1400300)。

Growth-promoting effects of six ectomycorrhizal fungi on Larix olgensis seedlings

WANG Daohan1, WANG Yanru1, JIANG Huanhuan2, ZHANG Xixiu2, ZHANG Lingyun3, TAN Jiajin1

(1.a. College of Forestry and Grassland, College of Soil and Water Conservation; b. Co-Innovation Center for the Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China; 2. Forestry Development Center of Pingyi County, Linyi 273399, Shandong, China; 3. Sanjiangkou State owned Forest Farm in Longling County, Baoshan 678399, Yunnan, China)

Abstract:【Objective】To study the role of ectomycorrhizal fungi in the growth and physiological processes of Larix olgensis.【Method】Larix olgensis seedlings were selected as research materials. In the constant temperature and light culture environment, and six species of ectomycorrhizal fungi, Pisolithus tinctorius, Suillus grevillei, Suillus bovinus, Macrocybe gigantea, Xerocomellus chrysenteron, and Lactarius deliciosus were used for inoculation, to analyze the effects of each strain on root infection, growth indicators, root vigor, chlorophyll content, nutritive element content, and photosynthetic parameters of L. olgensis seedlings.【Result】P. tinctorius, S. grevillei and L. deliciosus all established a good symbiotic relationship with L. olgensis seedlings, produced strong mycorrhizal effects, and significantly increased the biomass, seedling height, ground diameter, root surface area, and root tip number of the plants, of which inoculation with P. tinctorius had the most obvious overall effect, which increased 64.2%, 30.7%, 15.0%, 35.6%, and 51.1%, respectively, compared with the control. In addition, P. tinctorius and S. grevillei also significantly increased the root length of the plants by 43.2% and 40.9%, respectively, over the control. The physiological studies showed that the three strains significantly increased the plant potassium content, moreover, P. tinctorius and L. deliciosus also significantly increased the content of the plant chlorophyll, nitrogen, and phosphorus, P. tinctorius and S. grevillei significantly enhanced the root vigor of the plant, and the transpiration rate of the plant was significantly enhanced by S. grevillei, which was 29.2% higher than the control. S. bovinus was consistent with M. gigantea and X. chrysenteron except that it significantly increased plant ground diameter and biomass, and none of the growth and physiological indices were significantly different from the control treatment.【Conclusion】Inoculation of appropriate ectomycorrhizal fungi can enhance the root vigor of long white larch seedlings as well as the ability to absorb nutrients, thus promoting plant growth. Among the six ectomycorrhizal fungi that were inoculated, P. tinctorius was the most effective in enhancing the growth and physiology of L. olgensis.

Keywords: Larix olgensis; ectomycorrhizal fungi; growth-promoting effects; growth-promoting mechanism

长白落叶松Larix olgensis以其强大的适应能力、对恶劣气候和病虫害的抗性,以及木质坚实、重量大、强度高、抗压弯性能好而闻名,作为我国东北地区重要的针叶用材树种,它广泛应用于建筑和工业等领域[1]。外生菌根真菌可与多种植物形成菌根共生,菌根扩大了植物根系与土壤的接触面积,增强植物吸收水分的能力,菌根的外延菌丝进一步扩大了植株吸收养分的面积,有助于将氮元素转移给宿主植物[2]。同时,它改善了植物对土壤中磷、钾[3]和钙等多种矿质元素和微量元素的转化、吸收和输送过程,从而改善宿主的营养状况,促进植物的生长[4]。研究发现,接种外生菌根真菌能够提高植物的抗旱[5]、抗盐碱[6]、抗重金属[7]和抗病能力[8-9]。我国外生菌根真菌的种质资源丰富,早期有研究者对长白山和大小兴安岭的针叶林下进行调查,共发现19科、43属、163种外生菌根真菌[10],经细化共生树种后,得到24种落叶松菌根真菌,其中许多菌根真菌与多树种形成菌根[11]。尽管已有大量研究关于外生菌根真菌对不同苗木生长的影响,但对于不同外生菌根真菌在长白落叶松幼苗期对生长状况的具体影响以及促生机理的研究仍然相对缺乏。

彩色豆马勃Pisolithus tinctorius、厚环粘盖牛肝菌Suillus grevillei和粘盖牛肝菌Suillus bovinus均能与落叶松属植物形成外生菌根[9],再结合本课题组分离得到的巨大口蘑Macrocybe gigantea、红绒盖牛肝菌Xerocomellus chrysenteron和松乳菇Lactarius deliciosus,本研究以长白落叶松幼苗为研究对象,在恒温光照培养条件下,分析接种以上6种外生菌根真菌对其生长的影响,探讨外生菌根真菌促进幼苗生长的机理,筛选出优良菌株,旨为广大北方地区长白落叶松菌根化育苗和植树造林提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用基质由草炭、蛭石和珍珠岩按2∶1∶1的体积比混匀制成,于高压灭菌锅中121 ℃灭菌2 h,冷却后分装进高8.5 cm,直径8.2 cm,底部直径5.1 cm的花盆中。长白落叶松种子由吉林省通化市柳河县森防站提供,种子在无菌水中春化12 h,于超净工作台内将种子浸入75%乙醇30 s,经无菌水冲洗后,接着将种子于30%过氧化氢中浸泡20 min,经无菌水冲洗干净置于灭菌滤纸上干燥,再将种子间隔置于0.6%水琼脂培养基上,放入25 ℃、湿度65%、16 h恒温光照培养箱(东京理化 FLI-2010HT)中催芽,待根发出1 cm左右,与试验菌剂一同入基质。

1.2 外生菌根真菌菌株及菌剂制备

6种供试菌根真菌菌株:彩色豆马勃Pisolithus tinctorius(简称Pt)、厚环粘盖牛肝菌Suillus grevillei(简称Sg)和粘盖牛肝菌Suillus bovinus(简称Sb),由智立中特(武汉)生物科技有限公司提供;巨大口蘑Macrocybe gigantea(简称Mg),分离自云南昆明市场食用菌子实体;红绒盖牛肝菌Xerocomellus chrysenteron(简称Xc),分离自辽宁省沈阳市沈阳农业大学植物园落叶松根部;松乳菇Lactarius deliciosus(简称Ld),分离自江苏省常熟虞山的松乳菇子实体。开展试验前,6种菌株均纯化保存于平板培养基,储存于4 ℃条件下。Pt、Sg、Sb、Mg和Xc采用MMN平板培养基活化,Ld采用PDA平板培养基活化,分别25 ℃暗培养至菌丝长满平板,用打孔器打取边缘处直径6 mm的菌饼,Pt、Sg、Sb、Mg和Xc置于MMN液体培养基,Ld置于PDA液体培养基,每瓶6块菌饼,放入25 ℃、转速140 r/min的摇床内避光培养20 d,将菌丝球用组织破碎仪打碎,5 000 r/min离心5 min,倒去上清,无菌水洗涤两次,无菌水重悬菌丝后接种待用。

1.3 试验设计

在花盆中央挖一小孔向内接种外生菌根真菌菌丝2 g,对照处理施用2 mL无菌水,选取出芽发根后生长相对一致的幼苗移栽至小孔处,使幼苗根系充分接触到菌剂,然后固定幼苗,压实,在表层覆盖一层灭菌后的蛭石,防止水分过度蒸发。将幼苗置于25 ℃、湿度65%、16 h恒温光照培养箱内进行培养。6种菌根菌株和对照CK共7种处理,每个处理15个重复,共计105盆。每周定期浇两次水,同时轮换移动培养箱内各层幼苗位置。

1.4 幼苗生长和生理指标测定

菌根苗在恒温光照培养箱内培养4个月后,进行样品采集和相关指标测定。

菌根镜检与菌根侵染率的测定:每处理随机选取3株幼苗,将根系清洗后每株随机取10个1~2 cm长菌根根段,先在体视显微镜下观察,再采用台盼蓝染色法[12]对根段染色,然后在光学显微镜下镜检。另外,每株幼苗随机抽取30个0.5 cm长的根段,在体视镜下计测菌根数量,计算不同菌种在长白落叶松幼苗根系的菌根侵染率,菌根侵染率=(形成菌根的根段数/检查的总根段数)×100%。

苗木生长指标及生物量测定:每处理随机选取3株幼苗用根系扫描仪(Expression11000XL,EPSON公司)测量根长、根表面积和根尖数,用游标卡尺测量苗高和地径。测定结束后,将苗木地上与地下部分分别放入信封,60 ℃烘干48 h至恒质量,用分析天平分别称量干质量。

菌根效应的计算:菌根效应(MGR)=(菌根植物干质量-对照植物干质量)/菌根植物干质量。

根系活力测定:采用四氮唑法(TTC法)[13]。

叶绿素含量测定:将新鲜针叶在80%丙酮中研磨成匀浆,提取液12 000 r/min离心10 min,在663 nm和645 nm处测量上清液的吸光值[14]。叶绿素含量(μg/g)=(20.21×A645+8.02×A663)×提取液总量/样品鲜质量。

苗木营养元素含量测定:每处理随机选取3株幼苗,将幼苗样品烘干至恒质量后,冷却称量。样品先用浓H2SO4-H2O2消煮,消煮液可同时用于全氮、全磷、全钾的测定,全氮采用凯氏定氮法,全磷采用紫外分光光度计(钼锑抗比色法),全钾采用火焰光度计法[15]。

光合参数测定:采用美国Li-Cor公司的Li-6400系统便携式光合作用测定仪测定幼苗顶端针叶簇,每处理随机选取3株幼苗,测定时间为9:00,测定指标包括叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度。

1.5 数据处理

利用Excel 2016软件对试验数据进行汇总计算,利用SPSS 26.0软件通过单因素方差分析及LSD多重比较对数据进行统计分析,显著性水平设为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同菌株与长白落叶松幼苗形成的菌根形态

长白落叶松幼苗接菌4个月后,在根部形成的菌根明显比其他小根粗,在形态上也与其他小根有所区别,各处理的菌根形态以棒状菌根为主,其中接种Pt、Sg和Ld的幼苗观测到了二叉状菌根,菌丝在远离根尖的菌根表面纵横交错,在侧根以及主根侧根交界处密布,形成菌套包裹住菌根。此外,不同形态的菌根上根毛很少或已经消失,而对照处理上的根毛较多(图1)。利用光学显微镜观察菌根的结构,对照处理菌根部透明,中柱组织和皮层分明可见,未观察到有菌丝侵染的痕迹,而在各处理已侵染的幼苗根段中,经台盼蓝染色后的菌丝呈现为深蓝色,在侧根交界处密布有大量外延菌丝,大量附着在根部表面的菌丝形成了菌套,而侵入根部外皮层的菌丝在皮层细胞间隙形成了复杂的哈氏网(图2)。

2.2 不同菌株对长白落叶松幼苗总生物量和地上生长指标的影响

由表1结果所示,接菌4个月后,各菌株对幼苗生长指标的影响各异,Pt、Sg和Ld处理的幼苗总生物量、苗高、地径和地上生物量指标均显著高于对照,其中Pt处理的幼苗各指标均最优,较对照分别提高了64.2%、30.7%、15.0%和72.4%。另外,不同菌株产生的菌根效应之间存在显著差异,除Mg处理中存在负值外,其他菌株的菌根效应均为正值,其中Pt的菌根效应最强,且Pt、Sg和Ld的菌根效应显著高于Mg和Xc。

2.3 不同菌株对长白落叶松幼苗根系生长指标的影响

各菌株接种4个月后,对长白落叶松幼苗根系的促生效果与其菌根侵染率有较大关系(表2)。除Mg和Xc对幼苗的菌根侵染率低于20%外,菌株Pt、Sg、Sb和Ld均与长白落叶松幼苗形成了明显的共生关系。6种菌株的接种均增加了幼苗的根长,其中Pt和Sg处理与对照存在显著差异,较对照分别提高了43.2%和40.9%。除Xc外,其他5个菌株均扩大了根表面积,其中Pt、Sg和Ld处理与对照存在显著差异。6个菌株的接种均增加了幼苗的根尖数,接种Pt、Sg和Ld处理与对照相比,达到了显著差异,分别增加了51.1%、65.9%和66.8%。除Mg外,其他5个菌株均提高了幼苗地下生物量,其中Sg和Ld处理与对照存在显著差异。

2.4 不同菌株对长白落叶松幼苗根系活力和针叶叶绿素含量的影响

由表3可以看出,在不同菌株处理中,Pt处理的长白落叶松幼苗根系活力和针叶叶绿素含量均最高,且显著高于对照。6个菌株的根系活力均高于对照,其中Pt和Sg处理升高显著,其四氮唑还原强度较对照分别提高了35.5%和29.7%。仅Pt、Sg和Ld的针叶叶绿素含量高于对照,其中Pt和Ld处理与对照存在显著差异,较对照分别提高了31.2%和20.1%。

2.5 不同菌株对长白落叶松幼苗营养元素含量的影响

对接菌4个月后长白落叶松幼苗的氮磷钾元素含量分析后发现,除Mg处理的3种元素含量以及Xc处理的氮元素含量低于对应的对照水平外,其余菌株的3种元素含量均高于对照(表4)。Pt和Ld的全氮质量分数与对照存在显著差异,较对照分别提升了28.8%和19.3%;全磷质量分数显著高于对照的菌株也为Pt和Ld,较对照分别提升了24.9%和30.5%;除Pt和Ld外,Sg处理的全钾质量分数也显著高于对照,且Sg最高,较对照提高了31.4%。

2.6 不同菌株对长白落叶松幼苗光合参数的影响

如表5所示,在净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)方面,除Mg和Xc处理外,其余菌株的Pn和Gs均高于对照,其中Sg处理的Pn和Gs均最高,但与对照之间均无显著差异。各处理的Ci值与对照无显著差异。在蒸腾速率(Tr)方面,除Xc外,其余处理的Tr均高于对照,其中Sg处理的Tr值最高,相较于对照提高了29.2%,且与对照存在显著差异。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

外生菌根真菌与宿主植物的结合能力因不同种类而异。在黄兰兰等[16]的研究中,发现黑孢块菌Tuber melanosporum、印度块菌Tuber indicum和彩色豆马勃未与黑松Pinus thunbergii形成菌根。相比之下,本研究观察到长白落叶松与彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇形成了较好的共生关系。在这3种处理中,菌根苗的根系均观测到二叉分枝状的形态,与松科植物的主要菌根形态一致[17]。接种合适的菌株能有效促进宿主植物的根系生长,包括增加根长、根表面积和根尖数。菌株在植物根系形成的外延菌丝、菌套、哈蒂氏网和菌索能够扩大根系的吸收面积,有助于植物吸收土壤中的水分和养分,菌套和哈蒂氏网更是具有锁定水分和养分的功能,进而优化改良植物土壤环境[18]。

外生菌根真菌侵染宿主植物后,与宿主形成互利共生的关系,产生促生效应,从而提高植物的生物量。本研究发现,长白落叶松接种彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇后,显著促进了植株苗高、地径的增长,以及生物量的积累。这一结果与先前的研究相一致[9],张小龙等[19]也观察到接种外生菌根真菌的白皮松在株高、地径、侧根和生物量等方面都显著增加。虽然6个菌株的菌根效应均呈正效应,但存在显著差异,其中Pt的菌根效应最强,Mg的最弱,这表明不同菌株与同一植物形成的共生关系存在异质性,从而导致不同的菌根效应[20]。

外生菌根真菌对植物生长的促进离不开其在宿主生长生理方面的影响。由于外生菌根真菌的外延菌丝存在,植物的根系活力得到提高,有助于植物从土壤中吸取氮、磷、钾等营养元素和微量元素。外生菌根真菌通过分泌过氧化物还原酶、酯酶、几丁质酶、海藻糖酶等酶类,在土壤中促进几丁质、木质素等复杂多聚体分子的降解,为宿主植物提供有机氮源,此外,外生菌根真菌的菌丝通过吸收NH4+、NO3-及游离的氨基酸,为植物提供无机氮源[2]。Alves等[21]发现,接种外生菌根真菌Pisolithus sp.后,显著提高了邓恩桉Eucalyptus dunnii幼苗的苗高、生物量、根长以及植株根际土壤中的磷、钾含量。在本研究中,接种彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇后,长白落叶松幼苗的各种营养元素含量同样高于对照组。研究发现,槲树幼苗在接种外生菌根真菌后,镁元素含量有所提高,这进而促进了叶绿素的合成[22],黑松幼苗接种后针叶同样出现了叶绿素含量上升的现象[23]。同时,磷和钾是植物进行光合作用所必需的矿物营养元素,而氮则是光合作用的重要元素,由于菌根苗具备更为优质的营养条件和更高的叶绿素含量,其光合能力也相应得到了提升[24]。在本研究中,接种彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇同样产生了类似的效果,在一定程度上提高了针叶叶绿素含量,并改善了净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率。除了上述促生机理,其他研究还指出,菌根对植物内源激素含量具有调节作用,从而促进了植物的生长[25]。这表明菌根真菌通过多种途径参与了植物的生理调控,不仅提供了更好的营养条件,还通过影响植物内源激素的水平来促进其整体生长发育。这些研究结果为理解外生菌根真菌与植物互作的机制提供了有益的信息。

3.2 结 论

综上所述,接种6种不同的菌根真菌均对长白落叶松幼苗的生长产生了影响,其中彩色豆马勃、厚环粘盖牛肝菌和松乳菇在不同程度上显著提高了幼苗的根系活力,增强了对营养元素的吸收,同时也提高了针叶叶绿素含量和光合能力,从而促进了植物的生长。在6种菌根真菌的综合比较中,彩色豆马勃表现出对长白落叶松生理和生长的提升效果最为显著。值得注意的是,本研究主要从生理角度对长白落叶松幼苗接种外生菌根真菌后的生长效应进行了分析。然而,对于其在抗逆和抗病方面的效果,需要进行更深入的研究。未来的研究方向包括从抗逆和抗病的角度深入研究接种外生菌根真菌的效果,并在生化及分子层面解析其作用机制。这将有助于更全面地理解外生菌根真菌与植物互作的机制,为相关领域的研究提供有益信息。

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[本文编校:戴欧琳]