高文禮,陳曉楠,伊力努爾·艾力,馬曉東

新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830054

疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)是豆科駱駝刺屬的多年生草本植物,生長(zhǎng)于干旱、半干旱荒漠地區(qū),憑借自身極強(qiáng)的抗干旱、抗鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),在塔里木盆地南緣的綠洲—荒漠過(guò)渡帶上大面積分布[1]。成年駱駝刺的根系可達(dá)地下數(shù)十米吸收水分和養(yǎng)分[2],因此可在蒸發(fā)強(qiáng)烈的塔里木河流域自然生長(zhǎng),對(duì)于防風(fēng)固沙及涵養(yǎng)水源等方面具有非常重要的作用；同時(shí),疏葉駱駝刺含有豐富的蛋白質(zhì),是一種優(yōu)良的飼料,在畜牧生產(chǎn)中占有一定的地位[3]；另外,疏葉駱駝刺與根瘤菌共生形成根瘤,使疏葉駱駝刺可以直接將大氣中游離的氮固定下來(lái),是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以,疏葉駱駝刺具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。

土壤微生物是植物生長(zhǎng)過(guò)程中重要的影響因子。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)可以與陸地絕大多數(shù)的維管植物形成互利共生的叢枝菌根共生體[4—5],其根外菌絲能擴(kuò)大根系吸收范圍,促進(jìn)寄主植物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收,增加寄主植物的抗逆性[6]。叢枝菌根真菌的根外菌絲可以同時(shí)侵染不同植物,在土壤生態(tài)群落中形成龐大的地下菌根網(wǎng)絡(luò),通過(guò)叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)的介導(dǎo),不同植物之間可以進(jìn)行氮、磷等養(yǎng)分以及水分的交流,調(diào)節(jié)植物之間的營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)[7]。根瘤菌(Rhizobium)是土壤中普遍存在的一種革蘭氏陰性細(xì)菌,可與豆科植物根系形成互利共生結(jié)構(gòu)—根瘤,幫助植物將空氣中游離的氮轉(zhuǎn)化為可以吸收利用的銨態(tài)氮[8],對(duì)于植物初期定植以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)來(lái)說(shuō),都具有重要的意義。

疏葉駱駝刺可同時(shí)被叢枝菌根真菌和根瘤菌侵染,形成AMF-疏葉駱駝刺-根瘤的三重共生體。三重共生體結(jié)構(gòu)中,三者相互作用又相互影響。AMF的根外菌絲,可以深入根系到達(dá)不了的土壤縫隙,幫助植物擴(kuò)大養(yǎng)分及水分的吸收范圍,從而提高植物的抗逆性；根瘤的固氮效應(yīng),減少氮營(yíng)養(yǎng)對(duì)疏葉駱駝刺生長(zhǎng)的限制作用；作為寄主植物的疏葉駱駝刺,其發(fā)達(dá)的根系,為AMF和根瘤菌提供了生長(zhǎng)的立地條件,同時(shí)作為回報(bào),將光合作用產(chǎn)生的碳傳遞給AMF和根瘤,以供AMF和根瘤的生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn),同時(shí)雙接種AMF和根瘤菌時(shí),可以增加AMF的侵染率以及根瘤的數(shù)量,促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,提高植物的抗逆性[9]。但是雙接種的正效應(yīng)具有一定的局限性,受到AMF、根瘤菌以及植物之間不同種類組合的匹配關(guān)系以及土壤條件的影響[10]。以往關(guān)于AMF和根瘤菌雙接種的研究多在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)條件相對(duì)豐富,而關(guān)于雙接種在荒漠生態(tài)系統(tǒng)這樣資源匱乏地區(qū)的研究鮮有報(bào)道。因此,本研究在塔里木河實(shí)施間歇性生態(tài)輸水的大背景下,以恢復(fù)生態(tài)學(xué)的理論為指導(dǎo),著重探討塔河下游優(yōu)勢(shì)物種疏葉駱駝刺在幼苗期雙接種AMF和根瘤菌處理下對(duì)干旱脅迫及復(fù)水之后的生長(zhǎng)、生理響應(yīng)以及雙接種處理下基于叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的氮素轉(zhuǎn)移情況,為塔里木河流域的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置模式圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment AMF:叢枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizal fungi

供試植物疏葉駱駝刺種子及實(shí)驗(yàn)用土均采集于塔里木河下游駱駝刺群落分布區(qū),沙土過(guò)2 mm篩去除雜質(zhì)后經(jīng)流水沖洗2次,然后在110℃、0.14 MPa下連續(xù)濕熱滅菌1 h備用,育苗期在每個(gè)分室內(nèi)添加500 mL的1/8 MS營(yíng)養(yǎng)液,以求每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的土壤初始理化性質(zhì)一致?？刂茖?shí)驗(yàn)開始前測(cè)得供試沙土土壤的田間持水量為22.75%,平均全磷含量為0.69 g/kg,有效磷含量為17.2 mg/kg,全鉀含量為22 g/kg,全氮含量為0.64 g/kg,有效氮含量為13.2 mg/kg,pH為7.7。供試叢枝菌根真菌采用比例為1∶1幼套球囊霉(Glomusetunicatum)和摩西球囊霉(Glomusmosseae)的混合菌種,來(lái)源于新疆農(nóng)科院微生物研究所,菌劑孢子密度25個(gè)/mL；根瘤菌為天山中慢生根瘤菌(Mesorhizobiumtianshanense),購(gòu)于中國(guó)微生物菌種查詢網(wǎng),網(wǎng)址為https://www.biobw.org/,菌種編號(hào)為bio-03285。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,將兩個(gè)高30 cm,直徑15 cm的PVC三通管中間用PVC管道相連,連接部分由兩層20 μm濾膜(20 μm濾膜允許根外菌絲通過(guò),阻止根系通過(guò))分隔成兩分室,左面為供體室,作接種處理及同位素注射處理。供體室底部?jī)?nèi)嵌高5 cm的同位素注射室,注射室頂部用20 μm濾膜封蓋,允許AMF根外菌絲進(jìn)入,阻擋植物根系進(jìn)入。供體室與受體室之間為雙層20 μm濾膜阻擋,中間有2 mm的空隙,此空氣隔層可阻擋根系的通過(guò)。因水分流動(dòng)所產(chǎn)生的氮素轉(zhuǎn)移誤差,后續(xù)菌絲氮素轉(zhuǎn)移量均通過(guò)差減法(減去無(wú)菌絲網(wǎng)絡(luò)裝置受體室內(nèi)15N含量)計(jì)算獲得,盡量將誤差減至最小。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選取顆粒飽滿、大小基本一致的疏葉駱駝刺種子分別播種于供體室、受體室。實(shí)驗(yàn)共設(shè)4種接種處理,分別為單接種AMF(A)、單接種根瘤菌(R)、雙接種AMF+根瘤菌(雙接種)以及不接種(CK)；3個(gè)水分處理,分別為正常水分處理(土壤相對(duì)含水量(70±5)%,D0),干旱脅迫處理(土壤相對(duì)含水量(20±5%),D1)以及復(fù)水處理(干旱脅迫60 d后復(fù)水至正常水分,5 d后收獲,D2),用WET水分測(cè)定儀測(cè)定土壤水分,并用稱重法控制水分。每組實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)裝入8 kg經(jīng)過(guò)濕熱滅菌的沙土,每個(gè)分室(供體室、受體室)各有4 kg土樣；接種AMF的方法為在供體室土壤表層均勻接種40 g AMF菌劑(菌劑為包含孢子和菌絲的土壤混合物),對(duì)照組加入等量的滅活菌土；接種根瘤菌的方法為將根瘤菌劑在YMA培養(yǎng)基上25℃活化培養(yǎng)3 d,然后轉(zhuǎn)入盛有1000 mL YMA培養(yǎng)液的三角瓶中震蕩培養(yǎng)30 h后,配成根瘤菌懸液104CFU/mL,每盆接種100 mL,對(duì)照組添加100 mL的蒸餾水。育苗1個(gè)月后,進(jìn)行齊苗和間苗,留下兩株健康生長(zhǎng)、長(zhǎng)勢(shì)一樣的幼苗進(jìn)行室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)。待植株收獲的前5 d,在同位素注射室內(nèi)進(jìn)行同位素的注射。將自然豐度為99.01%的15NH4Cl配置成0.1 mol/L的溶液,每盆以環(huán)形等位選取10個(gè)位點(diǎn),在土壤中均勻注射10 mL,讓同位素在同位素注射室的土壤中充分?jǐn)U散,5 d后收獲植株進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)。將每個(gè)處理的供體、受體植株分別剪成細(xì)碎小塊,置于研缽中,在干燥箱中105℃殺青15 min,然后80℃烘干至恒重,將烘干的樣品研磨粉碎后,稱取不少于0.5 g樣品,裝進(jìn)離心管中,用封口膜密封,用于測(cè)定全氮含量和氮轉(zhuǎn)移率,樣品測(cè)定由北京中科院植物所同位素分析測(cè)試中心完成。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1共生體生長(zhǎng)指標(biāo)

(1)AMF侵染率測(cè)定：干旱脅迫培養(yǎng)60 d后,收獲疏葉駱駝刺,將根系洗凈后剪成1—2 cm,進(jìn)行固定、堿解離、酸化、染色的步驟,具體如下：①固定：按70%乙醇：6 mol/L乙酸= 6∶1的比例配置成固定液,將剪好的根段放入固定液中固定12 h。②堿解離：用蒸餾水沖洗掉固定液,加入1 mol/L KOH溶液,沒過(guò)根系,解離15 min。③酸化：用蒸餾水沖洗掉堿液,加入0.1 mol/L HCl溶液,沒過(guò)根系,3—5 min后,蒸餾水洗去酸液。④染色：將水洗后的根樣置于試管中,加入0.25 g臺(tái)盼藍(lán)+250 mL甘油+250 mL乳酸配制而成的染色液,沒過(guò)樣品,室溫下染色1 h。水洗一遍后,將樣品放入塑料小瓶中,加入等量甘油和乳酸混合的貯存液,沒過(guò)樣品,室溫下放置,于光學(xué)顯微鏡下觀察。將染好色的根樣平輔在載玻片上,輕輕蓋上蓋玻片,制成裝片,先用4×物鏡觀察,發(fā)現(xiàn)可疑現(xiàn)象后,再用10×物鏡觀察。觀察根系內(nèi)是否有菌絲、叢枝和泡囊等典型菌根結(jié)構(gòu)。

侵染率的計(jì)算：根據(jù)網(wǎng)格交叉法,先統(tǒng)計(jì)AMF侵染根段數(shù),將染色后的根系置于直徑9 cm帶有網(wǎng)格的培養(yǎng)皿中,10×10倍鏡下觀察根系與網(wǎng)格交叉部位是否有菌根結(jié)構(gòu)[11—12]。AMF侵染率的計(jì)算公式如下：

AMF侵染率(%)=侵染根段數(shù)/全部根段數(shù)×100%

(2)根瘤數(shù)量：在解剖鏡下進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察,記錄每株的根瘤數(shù)量及生長(zhǎng)部位。

1.4.2駱駝刺生長(zhǎng)及生理指標(biāo)

(1)生物量測(cè)定：將植株從基徑處分為地上、地下兩部分,105℃殺青15 min,然后置于80℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重,稱其干重,計(jì)算根冠比。

根冠比=地下部分干重/地上部分干重

(2)葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)指標(biāo)：于干旱脅迫后第10天、15天和20天以及復(fù)水后的第5天分別測(cè)定熒光參數(shù)。選取晴朗天氣,使用Junior-Pam便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x,于10:00—18:00之間,每隔2 h測(cè)定一次光適應(yīng)狀態(tài)下植物的葉綠素?zé)晒夥磻?yīng),測(cè)定植株葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),測(cè)定時(shí)選取同一植株不同的葉片和不同的位點(diǎn)進(jìn)行,每個(gè)處理重復(fù)6次。

1.4.3氮素吸收轉(zhuǎn)移指標(biāo)

總氮量(mg/g)= 干物質(zhì)質(zhì)量(g)×全氮百分含量%；

N 轉(zhuǎn)移(%)= [15N受體/(15N供體 +15N受體)]×100

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行多因素方差分析,用Duncan法在0.05水平進(jìn)行多重比較,用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分及接種處理對(duì)共生體的影響

2.1.1不同水分及接種處理下AMF侵染率的變化

R處理和不接種的對(duì)照組的疏葉駱駝刺根系均未發(fā)現(xiàn)泡囊和叢枝等典型的叢枝菌根真菌結(jié)構(gòu),而A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺根系發(fā)現(xiàn)大量泡囊、根外菌絲和叢枝等,且侵染率較高(圖2),說(shuō)明土壤、種子滅菌效果以及AMF接種效果良好,符合預(yù)期。不同水分及接種條件下叢枝菌根真菌的侵染率如表1所示,不同接種處理對(duì)疏葉駱駝刺AMF侵染率產(chǎn)生不同的影響。在D0水分條件下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率要比A處理的高9.20%,且差異性顯著(P<0.05),而D1和D2水分條件下雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率顯著低于A處理,分別比AMF處理的低32.86%和29.14%。A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺在D1水分條件下均顯著降低了AMF的侵染率(P<0.05),D2水分條件下的AMF侵染率與D1水分條件下無(wú)顯著性差異(P>0.05),表明干旱降低了疏葉駱駝刺AMF的侵染率且復(fù)水對(duì)AMF侵染率無(wú)明顯的補(bǔ)償效應(yīng)。

圖2 不同接種處理下AMF侵染及根瘤生長(zhǎng)的變化Fig.2 Changes of AMF infection and nodule growth under different inoculation treatments

表1 不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺AMF侵染率的影響

2.1.2不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量的變化

單接種A和不接種的對(duì)照組均未發(fā)現(xiàn)根瘤,而在單接種根瘤菌與雙接種處理中均有根瘤的生長(zhǎng),說(shuō)明土壤、種子滅菌處理以及根瘤菌的接種效果良好,與預(yù)期結(jié)果一致。水分對(duì)根瘤數(shù)量無(wú)顯著性的影響(P>0.05)。不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量變化如表2所示,接種條件對(duì)根瘤數(shù)量無(wú)顯著性的影響,三組水分條件下(D0、D1、D2)的R處理的駱駝刺和雙接種處理的駱駝刺的根瘤數(shù)量均無(wú)顯著性差別(P>0.05)。干旱脅迫處理時(shí)兩組接種處理的根瘤數(shù)無(wú)顯著差異(P>0.05),但在復(fù)水處理后,R處理的疏葉駱駝刺的根瘤數(shù)要顯著低于雙接種處理的駱駝刺的根瘤數(shù)(P<0.05)

2.2 不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺生長(zhǎng)的影響

2.2.1不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺生物量的影響

如表3所示,三組接種(A、R、雙接種)處理與不接種相比均顯著提高了疏葉駱駝刺的生物量(地上、地下、總生物量)(P<0.05)。D0水分條件下,雙接種A和R處理的疏葉駱駝刺的地上生物量分別比不接種的對(duì)照組高143.59%、76.92%、84.62%,對(duì)于地上生物量的促進(jìn)作用,雙接種顯著優(yōu)于兩組單接種(A、R)；D1水分條件下,雙接種、A和R處理的疏葉駱駝刺的地上生物量分別比不接種的對(duì)照組高191.30%、191.30%和169.57%,雙接種與兩組單接種之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)；D2水分條件下的疏葉駱駝刺的地上生物量與D0水分條件下的疏葉駱駝刺地上生物量變化趨勢(shì)一致,雙接種優(yōu)于兩組單接種處理。地下生物量與總生物量的變化特點(diǎn)與地上生物量變化趨勢(shì)一致,均為D0和D2水分處理時(shí),雙接種優(yōu)于單接種,而D1水分條件下,單接種優(yōu)于雙接種。

表2 不同水分及接種處理下根瘤數(shù)量的變化

表3 不同水分及接種處理下生物量的變化

相同接種處理,不同水分條件下的疏葉駱駝刺生物量(地上、地下和總生物量)比較,隨著D0—D1—D2的水分變化,三組接種處理與對(duì)照組均呈現(xiàn)先下降再上升的生長(zhǎng)趨勢(shì)。兩組單接種處理的疏葉駱駝刺在D1水分條件下的地上、地下和總生物量均低于D0水分條件下的疏葉駱駝刺,D2條件下雖有一定的補(bǔ)償效應(yīng),但地上、地下和總生物量仍低于D0水分條件,且差異性不顯著(P>0.05)；雙接種疏葉駱駝刺的地上、地下和總生物量在D1水分條件下顯著降低,分別比D0水分條件低41.79%、250.54%、195.25%,D2水分條件對(duì)雙接種疏葉駱駝刺的地上、地下和總生物量有一定的補(bǔ)償作用,但仍然低于D0水分條件,分別比D0水分條件低10.47%、51.27%、44.49%。結(jié)果說(shuō)明,無(wú)論是否接種,水分脅迫仍是降低疏葉駱駝刺生物量積累的主要原因,而三種接種處理均可以顯著增加疏葉駱駝刺生物量的積累,在正常水分和復(fù)水條件下,雙接種對(duì)于疏葉駱駝刺生物量積累的促進(jìn)作用要優(yōu)于單接種,但干旱脅迫條件下雙接種的促生作用低于單接種處理。

2.2.2不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>

如表4所示,在相同水分條件下,不同接種處理間比較,三種水分(D0、D1、D2)條件下A和雙接種處理雖然提高了疏葉駱駝刺的最大熒光產(chǎn)量(Fm),但與不接種的對(duì)照組無(wú)顯著差異(P>0.05),而R處理的疏葉駱駝刺Fm在D1水分條件下比對(duì)照組低23.81%,差異性顯著(P<0.05)。三組接種(A、R、雙接種)處理的疏葉駱駝刺Fo均小于對(duì)照組,但在D0水分條件下,差異性不顯著(P>0.05)；在D1水分條件下,兩組單接種處理的疏葉駱駝刺Fo分別比對(duì)照組小22.73%、28.26%,差異性顯著(P<0.05),雙接種處理的疏葉駱駝刺Fo比對(duì)照組小7.91%,未達(dá)到顯著性差異；在D2水分條件下,三組接種(A、R、雙接種)處理的疏葉駱駝刺Fo分別比對(duì)照組小21.41%、14.35%、29.98%,但單接種R處理下Fo與對(duì)照組差異性不顯著。

表4 不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>

最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm表示PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率,在D0水分條件下,三組接種(A、R、雙接種)處理均能提高疏葉駱駝刺的Fv/Fm,分別比對(duì)照組高5.71%、2.86%、8.57%,但僅雙接種的差異性顯著(P<0.05)；D1水分條件下,僅A處理的Fv/Fm顯著高出對(duì)照組17.74%,R和雙接種處理的Fv/Fm均與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)；D2水分條件下,三組接種處理的Fv/Fm雖比對(duì)照組高,但是均未達(dá)到顯著性差異。

相同接種處理,不同水分條件下比較：A、雙接種和不接種的對(duì)照組的最大熒光產(chǎn)量Fm在三種水分(D0、D1、D2)條件下均無(wú)顯著性的差異,僅R處理的疏葉駱駝刺Fm在D1水分條件下顯低于D0水分時(shí)(P<0.05),復(fù)水(D2)后又恢復(fù)至D0水分時(shí)大小。兩組單接種與對(duì)照組處理的疏葉駱駝刺的初始熒光Fo在三種水分(D0、D1、D2)條件之間均無(wú)顯著性的差異,僅雙接種處理時(shí),隨著D0→D1→D2的水分變化,Fo值呈先上升后下降的趨勢(shì),且差異性顯著(P<0.05)。A處理的疏葉駱駝刺的Fv/Fm在三種水分條件下無(wú)顯著性差異(P>0.05),而R、雙接種和對(duì)照組的Fv/Fm隨著D0→D1→D2的水分變化,均為先下降再上升,且差異性顯著(P<0.05)。

2.3 不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺氮素吸收傳遞的影響

2.3.1不同水分及接種處理下供、受體駱駝刺全氮含量的變化

三組接種處理在不同水分條件時(shí)均能提高疏葉駱駝刺氮素的積累。如表5所示,在D0水分時(shí),A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對(duì)照組高48.06%、52.66%、61.60%,雙接種顯著優(yōu)于A和R兩組單接種處理(P<0.05)；在D1水分條件下,雙接種與A和R兩組單接種之間氮含量的無(wú)顯著性的差異(P>0.05)；D1水分條件下,A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對(duì)照組高30.03%、35.94%、43.27%,三組接種處理之間無(wú)顯著性差異；D2水分條件下,A、R和雙接種處理的疏葉駱駝刺氮含量分別比不接種的對(duì)照組高61.43%、51.73%、44.78%,雙接種處理與兩組單接種之間無(wú)差異。三組接種處理及不接種對(duì)照組的疏葉駱駝刺氮含量在D1水分條件下均要小于D0,且差異性顯著(P<0.05)；A和R兩組單接種處理的疏葉駱駝刺氮含量在D2水分條件下顯著高于D1,而雙接種和對(duì)照組的氮含量在D2水分條件下與D1之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。說(shuō)明,說(shuō)明干旱導(dǎo)致了氮含量的降低,復(fù)水對(duì)兩組單接種具有一定的補(bǔ)償作用,而對(duì)于雙接種而言,復(fù)水后仍然不能緩解干旱對(duì)氮含量所帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)。

表5 不同水分及接種處理對(duì)疏葉駱駝刺氮含量的影響

R處理的受體駱駝刺無(wú)叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo),且無(wú)根瘤菌侵染,因此與對(duì)照組的受體駱駝刺的處理相同,表5中R處理的受體駱駝刺與對(duì)照組的受體駱駝刺之間氮含量無(wú)顯著性的差異(P<0.05),也符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。受體駱駝刺氮含量如表5所示,A與雙接種處理的受體疏葉駱駝刺的氮含量均顯著高于對(duì)照組,分別比對(duì)照組高35.59%、37.85%(D0),22.29%%、21.51%(D1),39.64%、40.19%(D2),A與雙接種處理之間氮含量無(wú)顯著性差異。水分對(duì)于疏葉駱駝刺氮含量影響顯著(P<0.05,R處理與不接種的對(duì)照組的受體疏葉駱駝刺在D1水分條件下的氮含量顯著低于D0水分條件下,D1與D2水分條件之間無(wú)顯著性差別(P>0.05)。A處理和雙接種處理的受體疏葉駱駝刺在D0水分條件下氮含量最大,D1水分條件下最低,D2水分條件下的氮含量雖然高于D1,但是低于D0,且差異性顯著(P<0.05)。

2.3.2不同水分及接種處理對(duì)微系統(tǒng)中氮素轉(zhuǎn)移的影響

圖3 不同水分及接種條件下氮素轉(zhuǎn)移率的變化Fig.3 Changes of nitrogen transfer rate under different water and inoculation conditions 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

在無(wú)叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的疏葉駱駝刺受體(R處理及對(duì)照組處理)中檢測(cè)到15N的含量平均值為0.77%,此值減去15N自然豐度0.368%,得出的0.402%為水分流動(dòng)所帶來(lái)的氮轉(zhuǎn)移率誤差,圖中所得氮轉(zhuǎn)移率,均為減去誤差后的值。叢枝菌根真菌網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的微生態(tài)系統(tǒng)中,對(duì)于氮素轉(zhuǎn)移率的影響如圖3所示,D0水分條件下,雙接種與A處理之間氮轉(zhuǎn)移率無(wú)顯著差異(P>0.05),而在D1和D2水分條件下,A處理的氮轉(zhuǎn)移率均要優(yōu)于雙接種處理,分別比雙接種高91.19%(D1)和261.75%(D2),且差異性顯著(P<0.05)。A處理和雙接種處理的疏葉駱駝刺通過(guò)叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的氮素傳遞對(duì)水分有不同的響應(yīng)。A處理的疏葉駱駝刺的氮素轉(zhuǎn)移率在D1水分條件下與D0無(wú)顯著差異,在D2水分條件下的氮轉(zhuǎn)移率顯著高于D0與D1；而雙接種處理與A處理的氮轉(zhuǎn)移率正好相反,D1與D2兩種水分條件之間氮轉(zhuǎn)移率無(wú)顯著差異,但D0水分條件下氮轉(zhuǎn)移率要顯著高于D1和D2。

3 討論

3.1 雙接種對(duì)共生體的影響

有研究表明,雙接種AMF和根瘤菌時(shí),根瘤菌促使寄主植物根系類黃酮的排出,同時(shí)為AMF提供一部分的氮營(yíng)養(yǎng),有利于AMF孢子的萌發(fā)以及根外菌絲的生長(zhǎng),從而提高AMF的侵染[13]；AMF的存在,又可以為根瘤的生長(zhǎng)提供磷營(yíng)養(yǎng),并且AMF可以刺激結(jié)瘤因子(Nod)的表達(dá)[14],促進(jìn)根瘤的生長(zhǎng),因此同時(shí)接種AMF和根瘤菌產(chǎn)生協(xié)同促生效應(yīng)。本研究結(jié)果中,正常水分情況下,雙接種的疏葉駱駝刺AMF侵染率顯著高于單接種AMF,與前人研究結(jié)果一致[15],但是在干旱脅迫以及復(fù)水條件下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率卻顯著低于單接種AMF,AMF和根瘤菌之間表現(xiàn)出拮抗效應(yīng),初步分析原因是水分條件的改變,致使AMF和根瘤菌之間的關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變。疏葉駱駝刺遭遇干旱脅迫時(shí),生長(zhǎng)受到抑制[2],降低了對(duì)共生體的碳投資,而AMF和根瘤菌共同著生在疏葉駱駝刺的根系,生態(tài)位重疊,當(dāng)根系營(yíng)養(yǎng)貧乏時(shí),二者表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[16—17]。

生物量是植物生長(zhǎng)的主要參數(shù),反映了植物碳固定的能力[18]。在遭遇干旱脅迫時(shí),植物的各種生化反應(yīng)降低,導(dǎo)致生物量積累緩慢,而雙接種AMF和根瘤菌能提高植物生物量的積累,緩解干旱脅迫帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)[19],本研究也發(fā)現(xiàn),雙接種疏葉駱駝刺的生物量(地上、地下生物量)顯著高于未接種的對(duì)照組,但是AMF和根瘤菌對(duì)疏葉駱駝刺生物量的協(xié)同促生作用,隨著水分的變化而變化。在正常水分條件下雙接種的促生作用顯著優(yōu)于兩組單接種,但在遭遇干旱脅迫時(shí)雙接種與兩組單接種處理之間的生物量無(wú)差異,復(fù)水后雙接種的促生優(yōu)勢(shì)又得到恢復(fù),因此分析干旱脅迫是造成AMF和根瘤菌協(xié)同促進(jìn)作用受到限制的主要原因[20]。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)具有反應(yīng)光合作用“內(nèi)在性”的特點(diǎn),對(duì)于植物光合作用的測(cè)定具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損傷的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)植物對(duì)于各種環(huán)境脅迫的響應(yīng)。植物的Fv/Fm值一般在0.7—0.8之間,正常環(huán)境下基本穩(wěn)定[21],植物受到干旱脅迫常常會(huì)導(dǎo)致PSⅡ光能捕獲效率降低,最大熒光Fm降低,而初始熒光Fo升高,從而導(dǎo)致原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm降低[22]。本研究表明,水分與接種處理對(duì)疏葉駱駝刺的Fm無(wú)顯著影響,但疏葉駱駝刺在遭遇干旱脅迫時(shí),Fo顯著升高,從而導(dǎo)致Fv/Fm降低。單接種根瘤菌對(duì)于疏葉駱駝刺光能捕獲效率無(wú)影響,而接種AMF可以緩解因干旱脅迫導(dǎo)致的Fv/Fm降低[23—24],還發(fā)現(xiàn)雙接種的疏葉駱駝刺在正常水分時(shí)提高了其光能捕獲效率,但在干旱脅迫下不僅沒有協(xié)同促進(jìn)的效果,反而比單接種時(shí)還要低,復(fù)水后可恢復(fù)至正常水分處理的水平,表明復(fù)水對(duì)雙接種疏葉駱駝刺的光能捕獲效率具有明顯的補(bǔ)償效應(yīng)[25]。

綜合以上研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)雙接種AMF和根瘤菌可以促進(jìn)疏葉駱駝刺生物量以及光合作用的提高,但水分是二者是否表現(xiàn)出促生效果的限制因素。初步分析原因?yàn)樗质峭寥罓I(yíng)養(yǎng)流動(dòng)的載體[26],干旱時(shí),土壤中營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)性較差[27],尤其是氮磷元素,導(dǎo)致根系營(yíng)養(yǎng)貧乏,且疏葉駱駝刺遭受干旱脅迫的影響,生物量降低[28],對(duì)共生體的碳投資減少[29],從而在雙接種AMF和根瘤菌時(shí),二者因生態(tài)位的重疊,共同競(jìng)爭(zhēng)根系營(yíng)養(yǎng),導(dǎo)致雙接種的促生效果降低,甚至不如單接種,復(fù)水后水分條件得到一定的改善,AMF和根瘤菌又表現(xiàn)出協(xié)同促生作用,表明復(fù)水對(duì)雙接種疏葉駱駝刺的生物量及光合作用具有明顯的補(bǔ)償效應(yīng)。

3.2 雙接種對(duì)氮素吸收轉(zhuǎn)移的影響

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),受干旱脅迫的影響,氮有效性降低,難以被植物吸收利用,從而導(dǎo)致植物含氮量降低,致使植物生長(zhǎng)遲緩[30]。前人研究表明,在貧瘠土壤中,限制豆科固氮能力的主要為磷的吸收,雙接種AMF和根瘤菌時(shí),AMF為根瘤提供固氮所需的磷,提高豆科植物的固氮能力,進(jìn)而植物提供良好的氮營(yíng)養(yǎng)供AMF生長(zhǎng),AMF和根瘤菌表現(xiàn)出協(xié)同促進(jìn)的作用[31—32]。本研究結(jié)果也表明,在正常水分條件下,雙接種疏葉駱駝刺顯著提高了氮含量,且優(yōu)于兩組單接種處理,但是當(dāng)遭遇干旱脅迫時(shí),雙接種對(duì)于氮素吸收的促進(jìn)作用與兩組單接種處理無(wú)差異,AMF和根瘤菌并沒有表現(xiàn)出協(xié)同促進(jìn)的作用,在復(fù)水后,雙接種處理的疏葉駱駝刺的氮含量與單接種仍無(wú)差異,這與Tsimilli-Michael等[33]提出的資源匱乏的荒地上AMF和根瘤菌存在不同程度的拮抗性的結(jié)論一致。分析原因是AMF和根瘤菌共同生長(zhǎng)在植物根系,同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)植物提供的碳水化合物及其他光合產(chǎn)物,當(dāng)植物向共生體提供充足碳源時(shí),AMF和根瘤菌能夠同時(shí)生長(zhǎng),表現(xiàn)為協(xié)同促進(jìn)作用,當(dāng)植物遭遇干旱脅迫時(shí),光合作用降低,且根系營(yíng)養(yǎng)條件較差,植物的碳固定能力較弱,因此對(duì)共生體的碳投資減少,AMF和根瘤菌開始競(jìng)爭(zhēng)根系的碳源,進(jìn)而由正常水分時(shí)的協(xié)同促生作用,改變成干旱脅迫時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)作用。復(fù)水后,雙接種疏葉駱駝刺的根瘤數(shù)量增多,但是AMF侵染率顯著降低,因此即使復(fù)水恢復(fù)了一定的水分條件,但雙接種疏葉駱駝刺的氮含量仍與單接種無(wú)差異。

AMF侵染植物之后與植物形成叢枝菌根共生體,其根外菌絲不斷擴(kuò)展延伸,又可侵染其他植物,從而形成龐大的地下網(wǎng)絡(luò)[34]。桑鈺等[30]利用三分室培養(yǎng)箱種植檉柳和駱駝刺時(shí)研究發(fā)現(xiàn),受體植物均有來(lái)自于供體植物的15N,說(shuō)明通過(guò)叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)的介導(dǎo),氮素可以在供體植物與受體植物之間進(jìn)行傳遞。本研究同樣在受體中發(fā)現(xiàn)了15N的存在,但是由于實(shí)驗(yàn)裝置中間未設(shè)置較寬的空氣隔層,因此供、受體室之間仍存在非菌絲間的氮素交流產(chǎn)生的誤差,經(jīng)無(wú)菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的對(duì)照組計(jì)算得出,水分流動(dòng)等非菌絲間的氮素交流僅為0.402%,這與實(shí)驗(yàn)所得叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的9.537%—37.550%氮素轉(zhuǎn)移率相比,對(duì)結(jié)果未形成顯著性的影響,因此研究結(jié)果證明了叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)可以介導(dǎo)兩株植物之間的氮素轉(zhuǎn)移,與前人研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫時(shí),單接種AMF的疏葉駱駝刺氮素轉(zhuǎn)移率與正常水分時(shí)無(wú)顯著性的差異,表明叢枝菌根網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的氮傳遞具有一定的耐旱性,但是雙接種疏葉駱駝刺在遭遇干旱脅迫時(shí),氮轉(zhuǎn)移率顯著降低,即使復(fù)水后,仍得不到恢復(fù)。在干旱脅迫時(shí),對(duì)于供體而言,雙接種的駱駝刺氮含量與單接種AMF的氮含量無(wú)差異(表5),而AMF侵染率卻顯著降低(表1),在排除供體駱駝刺氮含量不足導(dǎo)致氮轉(zhuǎn)移率降低的情況下,初步推測(cè)干旱脅迫導(dǎo)致的AMF侵染率降低是氮轉(zhuǎn)移率降低的主要原因[35]。

綜上所述,三組接種處理(A、R和雙接種)均能促進(jìn)疏葉駱駝刺的生長(zhǎng)發(fā)育,正常水分條件下,AMF和根瘤菌表現(xiàn)出協(xié)同促進(jìn)的作用,促生優(yōu)勢(shì)明顯高于兩組單接種；在遭遇干旱脅迫時(shí),雖然雙接種與不接種的對(duì)照組相比也能促進(jìn)疏葉駱駝刺的生長(zhǎng),但是與兩組單接種的促生效果無(wú)差異,復(fù)水后,雙接種的促生優(yōu)勢(shì)又得到恢復(fù)?？梢?水分條件是導(dǎo)致AMF與根瘤菌協(xié)同還是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的關(guān)鍵因素,復(fù)水對(duì)雙接種疏葉駱駝刺的生長(zhǎng)發(fā)育具有明顯的補(bǔ)償作用。

4 結(jié)論

(1)正常水分條件(D0)下,雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率、地上生物量、地下生物量、總生物量以及氮含量均要高于單接種處理；根瘤數(shù)量、Fm、Fo、Fv/Fm與單接種處理之間無(wú)差異。

(2)在干旱脅迫條件下(D1),雙接種疏葉駱駝刺的AMF侵染率、總生物量、Fv/Fm均小于單接種處理；地上生物量、地下生物量、根瘤數(shù)、Fm、Fo以及氮含量與單接種之間無(wú)差異。

(3)復(fù)水(D2)后,雙接種疏葉駱駝刺的地上生物量、地下生物量、總生物量、根瘤數(shù)均優(yōu)于單接種；AMF侵染率、氮含量低于單接種；Fm、Fo、Fv/Fm均與單接種根瘤菌之間無(wú)差異,但要小于單接種AMF處理。

(4)在氮素轉(zhuǎn)移方面,正常水分(D0)時(shí),雙接種處理與單接種處理的疏葉駱駝刺氮素轉(zhuǎn)移率無(wú)差異,而干旱脅迫水分條件(D1)時(shí),雙接種疏葉駱駝刺的氮素轉(zhuǎn)移率顯著降低,即使復(fù)水(D2)后,仍得不到恢復(fù)。