AM真菌对高温胁迫下黑麦草生长及生理影响*

赵炳硕 于森淼 卢彦如 刘帅卿 王光凯 王 洋

(1. 青州市杨集林场，山东 潍坊 262504; 2. 南水北调中线信息科技有限公司，北京 100038； 3. 青岛农业大学 园林与林学院，山东 青岛 266109; 4. 山东经纬润林发展集团有限公司，山东 青岛 266499; 5. 山东正元地质资源勘查有限责任公司地质环境研究院，山东 济南 250101)

高温是影响植物生长发育环境的不利因素[1]。当处于高温胁迫环境中时，植物体内往往会产生一种热激反应，对不断升高的温度作出应答[2]，使其具备抵御一定的致死热高温的耐性能力。当然，不同的植物所能承受的极限高温不同，在大多数情况下，温带植物更能适应较高温的环境、耐热性更好[3]，高温胁迫下强烈的阳光与植物光合作用相结合会导致植物生长势变弱，叶片萎蔫枯黄，抗逆性减弱，严重时可以导致植物的死亡[4]。近年来，受到“温室效应”的影响，全球气温不断升高，这使得整个农林业面临着严峻的挑战，同时对植物的耐热性也提出了更高的要求[5]。通过宋丽莉等人[6]对水稻的研究发现，高温胁迫会使水稻光合指标中的气孔导度、蒸腾速率和蒸腾系数等降低，叶绿素荧光指标中的初始荧光提高、最大光化学速率和PSII 的电子传递情况等降低，进而影响其的生长发育，所以植物在生长发育过程中要严格的控制好温度，以避免对植物造成不良影响。研究植物对高温逆境的反应，并找到有效的措施来抵御高温对植物的危害，在环境重建和景观建设中具有指导意义[7]。

丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是一类在土壤中分布广泛的真菌，能与超过80%的高等植物形成共生关系，通过增加渗透调节物质的积累等方式来促进植物对矿物质和水分的吸收利用，进而能够有效的促进植物生长发育；同时，在胁迫条件下提升植株的光合能力和水分养分吸收利用效率，增强植株抵御胁迫的能力。叶振标等人[8]利用枫香Liquidambar formosana幼苗，研究了丛枝菌根化枫香幼苗对盐胁迫的生长生理响应，发现AM 真菌能提高枫香幼苗的耐盐性。此外，AM 真菌还可以显著的提高植物对低温和高温的耐受性[9-10]。近年来，利用AM 真菌提高植物对温度胁迫环境的适应性已经成为当前研究热点。温度胁迫下，AM 真菌提高植物抗性研究主要集中在枳Poncirus trifoliata、梨Pyrussp.等物种上[11-12]，韦洁敏[12]研究了AM 真菌对梨树耐热性的影响，发现AM 真菌能够提高梨树的树势、梨苗的存活率和梨树根系的活力进而增强梨树耐热性；Auge 等[13]研究发现，枝菌根真菌能够显著地促进枳实生苗的生长量，当植物处于较高的气温和叶片温度下时，AM 真菌可以有效地增加蛋白质含量、提高了SOD 和CAT 活性，根系的抗氧化活性也显著提高，而关于园林植物的研究较少，主要集中在牡丹Paeonia suffruticosa、君迁子Diospyros lotus以及切花月季Rosa chinensis、切花菊花Chrysanthemun morifolium上[14-16]，郭绍霞等[14]研究发现，接种AM 真菌后的牡丹根系活力会显著提高，为细胞膜稳定性显著增强，叶绿素分解显著降低，为整个植株增强耐高温能力创造了条件，齐国辉[15]研究发现低温胁迫下接种AM真菌的君迁子的无机营养元素得到活化，并且分泌有活性的转化酶，提高植株营养贮藏水平，孔佩佩[16]研究了高温和低温胁迫下AM 真菌对切花月季和切花菊花的影响，研究表明接种AM 真菌的切花月季和菊花在株高、根长方面具有显著的促进作用，此外也能明显促进植物矿物质营养的吸收。马博英[17]于2021 年研究表明，接种摩西管柄囊霉Funneliformic mosseae通过改变根系分泌物成分及球囊霉素、磷酸酶和土壤团聚体稳定性等，改善根系微环境，减轻胁迫损害，因此本研究选择接种摩西管柄囊霉进一步研究高温胁迫下该菌种对黑麦草的具体影响。

多年生黑麦草Lolium perenne是早熟禾科黑麦草属的一种常见的冷季型草本植物[18]，在城市生态建设、城市园林绿化和农牧业生产等方面都发挥着很重要的作用[17]。研究发现，当温度超过35 ℃时，多年生黑麦草的叶片就会处于萎篶状态，生长速度会明显减缓甚至是停止生长，若温度继续上升，受伤的叶片便无法恢复，最终会使得整株多年生黑麦草枯死[18]。为此，本实验以多年生黑麦草为研究对象，以8℃为显著温差，设置适温（22℃）、高温（30℃）、致死热高温（38℃）3 个温度，研究不同温度胁迫水平下接种AM 真菌与未接种AM 真菌的多年生黑麦草光合、叶绿素荧光和生长指标方面的差异，一方面可以明确高温胁迫下AM 真菌与多年生黑麦草共生关系，另一方面为AM 真菌在多年生黑麦草方面的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以多年生黑麦草为材料，其种子保存于青岛农业大学园林种质资源利用与创新试验室。试验中用到的AM 真菌摩西管柄囊霉保存于青岛农业大学菌根生物技术研究所，主要以菌根根段和孢子、白花车轴草根系以及基质中的菌丝为接种物。

基质由草炭、园土和河沙按照1 ∶1 ∶1 体积比混合而成，草炭和河沙由青岛农业大学统一采购，园土由试验者在青岛农业大学校内采集获取，经过筛灭菌（121 ℃，2 h）后备用

1.2 试验方法

1.2.1 接种处理设计 设计接菌和温度的双因素控制试验，使未接种AM 真菌的多年生黑麦草作对照，接种AMF 的剂量为12000,接种势:IP=N×W×K＋S，IP 为接种势单位，N为单位长度根段内含有的泡囊数量，W为根质量（g），K为单位质量根系长度（cm），S为单位质量或体积接种剂内孢子数量。设置3 个温度梯度，选择生长一致的多年生黑麦草，分别放入3 个设有相同光照强度、不同温度的培养箱中，标记为W1（22℃）、W2（30℃）、W3（38℃）。共有6 个不同处理，分别标记为AW1（接种AM 真菌，22 ℃）、AW2（接种AM 真菌，30 ℃）、AW3（接 种AM 真 菌，38 ℃）、NW1（未接种AM 真菌，22℃）、NW2（未接种AM 真菌，30℃）、NW3（未接种AM 真菌，38℃），每个处理共有8 个重复，分别放入3 个培养箱中进行培养。

1.2.2 播种 将种植基质在121℃高温蒸汽下灭菌2 h 后待用，种植于高×口径为20 cm×20 cm 容器塑料盆，在底层铺上纱布防漏，每盆称取1 g 的多年生黑麦草种子均匀铺在基质表面，再用一层薄基质覆盖种子，最后将基质浇透水后放光照培养箱进行培养。

1.2.3 栽培管理条件 在培养期间控制光照条件为光照/黑暗=12 h/12 h，光照强度为10 000 lux，温度控制在20～27 ℃范围内，湿度为70%，保证通风良好。每3 d 浇一次水，定期观察并记录生长情况，生长30 d 后进行不同温度梯度处理(W1 为22 ℃、W2 为30 ℃、W3 为38 ℃)，温度处理20 d 后对多年生黑麦草进行各项指标的测定。

1.2.4 生长指标的测定 主要包括株高、地上部分干质量、地下部分干质量。光合指标的测定主要包括净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）。

叶绿素荧光指标的测定：叶片进行30 min 的暗处理，测定的指标有初始荧光（F0）、暗适应时最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）和PS Ⅱ的电子传递情况（Fm/F0）。

1.3 统计分析

采用Excel 软件对数据进行分析处理，同时采用SPSS18.0 和进行Origin8.0 软件进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草生长指标的影响

对不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草的生长指标测定（表1 和图1），表明温度对多年生黑麦草的株高、地上部分干质量、地下部分干质量和根冠比的影响显著（P＜0.05）。在22℃和30℃下，AM 处理组的多年生黑麦草的株高要比未接种处理组植株分别增加了13.1%和18.6%（P＜0.05）。表明在一定的温度范围内，随着温度的升高，接种AM 真菌的多年生黑麦草的株高比没有接种AM 真菌的多年生黑麦草的株高受到温度的影响较小。

图1 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草生长指标的影响Figure1 Effects of AM fungi on growth indices of Lolium perenne under different temperature stress

表1 温度及接菌对多年生黑麦草生长指标的影响Table1 the effects of temperature and inoculation with AM fungi to the growth index of Lolium perenne

在22℃下，AM 处理组的多年生黑麦草的地上部分干质量比未接种处理组的植株增加了13.6%（P＜0.05），地下部分干质量增加了2.7%（P＜0.05），根冠比降低了6.5%（P＜0.05）。试验结果表明在一定的温度范围内接种AM 真菌能够有效的缓解高温胁迫对多年生黑麦草生长发育带来的影响，其中在株高、地上部分干质量和地下部分干质量都有显著的缓解作用，而在根冠比方面没有起到促进作用。从总体分析，随着温度的升高对多年生黑麦草的不良影响逐渐加剧，而AM处理组受到的影响相对较小。

2.2 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草光合参数的影响

对不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草光合参数进行测定（表2 和图2），结果表明，温度对多年生黑麦草的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度影响显著（P＜0.05）。

图2 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草光合指标的影响Figure2 Effects of AM fungi on photosynthetic indices of Lolium perenne under different temperature stress

表2 温度及接菌对多年生黑麦草光合参数的影响Table2 The effects of temperature and inoculation with AM fungi to the photosynthetic index of Lolium perenne

在22℃和30℃条件下，接种AM 真菌的多年生黑麦草的光合速率比未接种的植株分别增加了54.7%和10.6%，但是在38℃下呈现相反的趋势。在一定的温度范围内，随着温度的升高，接种AM真菌的多年生黑麦草的光合速率会呈现出先降低后升高的趋势，未接种组植株的光合速率也大致表现出同样的趋势。

在22℃和30℃条件下，接种AM 真菌的多年生黑麦草的蒸腾速率比未接种的植株分别增加了54.2%和26.7%，但是在38℃下呈现相反的趋势。这说明随着温度的升高，接种AM 真菌的多年生黑麦草的蒸腾速率会表现为先降低然后逐渐升高的趋势，未接种AM 真菌的多年生黑麦草在一定的温度范围内表现为随着温度的升高而逐渐升高的趋势。

在22℃和30℃条件下，AM 处理组的多年生黑麦草的气孔导度比未接种组植株分别增加了110.9%和27.58%（P＜0.05），但是在38℃下接种AM 真菌的黑麦草低于未接种的。这说明随着温度的升高，接种AM 真菌的多年生黑麦草的气孔导度呈现出先降低然后增加的趋势；而没有接种AM 真菌的多年生黑麦草气孔导度则呈现出随着温度的升高而逐渐增加的趋势。

在不同温度条件下，AM 处理组的多年生黑麦草的胞间CO2浓度呈现出相同的变化趋势，表现为接种AM 真菌的低于未接种的。随着温度的升高，接种AM 真菌的多年生黑麦草的胞间CO2浓度随着温度的升高先增加后降低；没有接种AM真菌的多年生黑麦草也表现出相同的变化趋势。

2.3 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草叶绿素荧光参数的影响

对不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草叶绿素荧光参数进行测定（表3 和图3），结果表明，温度对多年生黑麦草的初始荧光、暗适应时最大荧光、PS Ⅱ的电子传递情况和最大光化学效率影响显著（P＜0.05）。在22℃下，AM 处理组的多年生黑麦草的初始荧光F0 比未接种处理组多年生黑麦草增加18.2%（P＜0.05）。在一定温度范围内，随着温度的升高，接种了AM 真菌的多年生黑麦草的F0 会表现为逐渐降低的趋势，未接种AM 真菌的多年生黑麦草的F0 也表现出同样的变化趋势。

图3 不同温度胁迫下AM 真菌对多年生黑麦草荧光指标的影响Figure3 Effects of AM fungi on fluorescence indices of Lolium perenne under different temperature stress

表3 温度及接菌对多年生黑麦草叶绿素荧光参数的影响Table3 the effects of temperature and inoculation with AM fungi to the fluorescence index of Lolium perenne

在22℃和30℃条件下，AM 处理组的多年生黑麦草的暗适应时最大荧光Fm 比未接种处理组的多年生黑麦草降低13%和增加9.1%（P＜0.05），但是在38℃下呈现相反的趋势。随着温度的升高，接种AM 真菌的多年生黑麦草的Fm 会表现为逐渐升高的趋势，没有接种AM 真菌的多年生黑麦草会表现为先降低后升高的变化趋势。

在22℃和30℃条件下，AM 处理组的多年生黑麦草的最大光化学效率Fv/Fm 比未接种处理组的多年生黑麦草降低10.2%和增加10.4%（P＜0.05），但是在38℃下呈现相反的趋势。在一定温度范围内，接种AM 真菌的多年生黑麦草的Fv/Fm 随着温度的升高表现为逐渐升高的趋势，没有接种AM 真菌的多年生黑麦草表现为随着温度的升高先降低后升高的变化趋势。

在22℃和30℃条件下，AM 处理组的多年生黑麦草的PSII 电子传递情况Fm/F0 比未接种处理组的多年生黑麦草降低了17.4%和增加了15.5%（P＜0.05），但是在38℃下呈现相反的趋势。在一定的温度范围内，接种了AM 真菌的多年生黑麦草的Fm/F0 随着温度的升高表现为逐渐升高的趋势，没有接种AM 真菌的多年生黑麦草表现为随着温度的升高先降低后升高的变化趋势。

3 讨论与结论

生长指标能够直观的反应植物的生长状况，本试验表明，随着温度的升高多年生黑麦草的各项生长指标都受到了不同程度的影响，这可能是由于高温对多年生黑麦草的根系造成了一定的伤害，影响对土壤中的水分和营养物质的吸收，而接种了AM 真菌的多年生黑麦草受到高温的影响较小，在株高、地上部分干质量和地下部分干质量等方面都要比没有接种AM 真菌的多年生黑麦草数据高，这可能是因为AM 真菌能够活化土壤中的营养元素，改善多年生黑麦草的营养状况，促进水分代谢，增强抗逆性所致，这与张伟珍等[19]在箭筈豌豆Vicia sativa上的研究结论一致。

光合作用是植物进行正常生长发育的基础，能够在一定条件下将水和CO2转化为有机物，为植物的各项生命活动提供物质基础，所以植物的光合能力强弱对它的抗逆性有着十分重要的影响。本试验表明，在不同水平的高温胁迫下，多年生黑麦草的各项光合指标都有一定程度的降低，经过分析后发现主要原因可能是部分叶片气孔关闭以及部分叶肉细胞的光合活性降低。接种AM 真菌的多年生黑麦草与未接种AM 真菌的多年生黑麦草相比，前者在光合速率、蒸腾速率和气孔导度要明显高于后者，这说明接种AM 真菌后多年生黑麦草叶片中的叶绿体结构和光合器官受到的伤害有了显著的降低和缓解。除此之外，接种AM真菌能够通过提高多年生黑麦草叶肉细胞的光合活性，进而提高多年生黑麦草的光合能力，而胞间CO2浓度要低于未接种AM 真菌的多年生黑麦草，可能是由于光合器官在高温下受到伤害和光合活性的下降，导致CO2的利用率下降，使得CO2浓度升高。这与陈笑莹等[20]在玉米Zea mays上的研究一致。

植物的叶绿素荧光能够比较准确和迅速地反映光合生理状况，这也已经成为大多数学者研究光合生理的重要途径。本试验表明，高温胁迫下，接种AM 真菌的多年生黑麦草F0 要高于没有接种AM 真菌的多年生黑麦草，而Fv/Fm、Fm 和Fm/F0 主要表现为降低的趋势，这与翟秀明等[21]在茶树Camellia sinensis上的研究不一致，这可能是由于接种AM 真菌在草本植物和木本植物表现出的效果不一致造成的。

接种AM 真菌能在一定温度范围内显著的改变多年生黑麦草的生长指标、光合指标和叶绿素荧光指标，反映了其能够在一定程度上减轻高温胁迫对多年生黑麦草造成的伤害，进而促进多年生黑麦草更好的适应环境和生长发育。因此，在栽培多年生黑麦草时可以适当接种AM 真菌以提高多年生黑麦草的产量和品质。