全 文 ：植物学通报 2004, 21 (5): 539~546
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金委员会生命科学部主任基金(30240083)资助项目。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: ybgao@nankai.edu.cn
收稿日期：2003-04-16 接受日期：2003-08-06 责任编辑：崔郁英
不同氮素营养条件下内生真菌感染对黑麦草
光合和蒸腾速率及生物量的影响①
王金龙 高玉葆② 任安芝 王 巍 赵念席
(南开大学生命科学学院 天津 300071)
摘要 以黑麦草(Lolium perenne L.)为实验材料，研究在不同氮素营养条件下内生真菌(Neotyphodium
lolii)感染对其光合特性及生物量的影响。结果表明：1)整个实验中，内生真菌感染对黑麦草净光合速
率、蒸腾速率以及水分利用效率均无显著影响，但在中氮和高氮水平时，感染种群的净同化累积值有超
过非感染种群的趋势；2)在本实验的第一处理期和第二处理期，内生真菌感染对黑麦草绿色部分的干物
质产量无显著影响，但在第三处理期感染种群的绿色部分的干物质产量显著高于非感染种群。
关键词 内生真菌，黑麦草，净光合速率，蒸腾速率，水分利用效率，生物量
Effects of Endophyte Infection on Photosynthesis, Transpiration
and Biomass of Lolium perenne L. at Different
Nitrogen Levels
WANG Jin-Long GAO Yu-Bao② REN An-Zhi WANG Wei ZHAO Nian-Xi
(College of Life Science，Nankai University，Tianjin 300071)
Abstract In order to investigate the effect of endophyte infection on its host plants, net photosyn-
thetic rate， transpiration rate, water using efficiency and dry mass yield were determined using
endophyte-infected (EI) and endophyte-free (EF) populations of Lolium perenne L. at different nitro-
gen levels. There were no significant differences between EI and EF populations in net photosyn-
thetic rate，transpiration rate or water using efficiency during the experimental period but the cumu-
lative value of diurnal photosynthesis was greater in EI populations than in EF populations both at
the medium and at high nitrogen level. No significant differences existed between EI and EF popula-
tions in dry mass yield of the herbage during the first or the second experimental period. During the
third experimental period, the dry wass of the EI populations was significantly higher than the EF
populations.
Key words Endophyte，Lolium perenne L.，Net photosynthesis rate，Transpiration rate，
Water using efficiency，Biomass
内生真菌长期生活在植物体内的特殊环境中，并与宿主协同进化，形成了互惠共生关系。
研 究 论 文
540 21(5)
一方面内生真菌可从宿主中吸收营养供自身生长需要，另一方面内生真菌对宿主的生长发育和
系统演化过程有重要影响 (Siegel，1993)。从目前的研究结果来看，内生真菌主要是通过影响
宿主的物质代谢，使其产生某些生理活性物质(如生物碱和激素等)来改变植株的生理特性，提
高植株的抗逆性并刺激植株生长(Bacon and Siegel, 1988；Clay, 1994；Yue et al.，2000；Stanley
et al.，2002)。
氮素是内生真菌次生代谢物质生物碱的组成成分之一，也是内生真菌核酸的组成成分之
一，所以有必要研究不同氮素水平下内生真菌感染对宿主的影响。鉴于目前国内外对这方面
研究较少，本研究通过内生真菌检测建立了黑麦草(Lolium perenne L.)感染和非感染的实验植
物种群，并对它们施以不同浓度的氮素，比较不同实验处理期植株的光合速率、蒸腾速率及
生物量积累特点，以期了解不同氮素营养条件下内生真菌对其宿主生理特性的影响，从而为
进一步认识内生真菌和植物的共生关系提供依据。
1 材料和方法
1.1 实验材料
本实验所用的植物材料是黑麦草(Lolium perenne L.)，品种为‘SR4000’，含有内生真
菌 Neotyphodium lolli。黑麦草种子来源于南开大学校园植物生理生态实验田(2000年 9月收
获 ) 。
1.2 感染(endophyte-infected, EI)和非感染(endophyte-free, EF)实验种群的建植
选取均匀、饱满的 EI、EF种子，浸泡在蒸馏水中 5~6 h，摆放于培养皿的湿滤纸上，
然后于 26℃的恒温培养箱培养，7 d后萌发。将萌发后的幼苗移栽到蛭石中温室培养，这期
间每周施Hoagland营养液一次，每 2~3 d浇一次水，以保证幼苗充足的养分和水分供应。移
栽一周后逐株进行内生真菌感染状况的检测。4周后，挑选长势良好、大小一致的 EI和 EF
分蘖株移入栽植桶中。栽植桶中装填约30 kg复合土壤(土 /多元螯合肥=14)。其中土壤的含氮
量为 0.027%，多元螯合肥的氮磷钾总含量超过 30%，中、微量元素(钙、镁、硫、硅、铁、
锰、铜和锌等)和有机质等超过 20%。移栽前，每盆加入约 1 kg水，使土壤水分含量达到饱
和。每盆移入 30株苗，EI和 EF分别移栽 15盆，共 30盆。
1.3 施氮处理
本实验采用两因素随机区组实验设计：因素之一为内生真菌感染率，分 EI和 EF两种水
平，因素之二为施氮水平，分为低氮、中氮和高氮三种水平。将 2× 3共 6种处理各重复 5
次。用CaCl2和KCl分别替代Hoagland营养液中的Ca(NO3)2和KNO3，然后分别加入 0.5 mol.
L-1硝酸铵 7.86 mL、52.14 mL和 157.15 mL于 10 L1/3 Hoagland营养液中，按照Arechavaleta
等(1992)的做法进行低、中和高浓度氮肥处理(相当于 11 mgN.L-1、73 mgN.L-1和 220 mgN.L-
1)，每个栽植桶中加入 1 L营养液。每周施一次肥，浇水时要浇等量的水，保证实验期间有
充足的供水量。
1.4 光合日进程及生物量测定
实验时间是 2001年 5月 29日至 10月 31日，共持续 150 d。为了保证黑麦草的正常生长，
这期间共刈割两次，一次是在 7月 8日，另一次是在 8月 27日。因此，整个实验过程可以
分为 3个处理期。各个处理期间挑选晴朗的日子(6月 26日、8月 21日及 10月 8日)，用美国
5412004 王金龙等：不同氮素营养条件下内生真菌感染对黑麦草
CID公司生产的CI-301PS便携式光合测定仪，选取植株第二片叶，采用开路法进行净光合速
率和蒸腾速率等生理指标的日进程测定。光合有效辐射(PAR)、空气温度和叶片温度等环境因
子由CI-301PS光合测定仪在测定光合作用的同时获得(图1)。此外，每次收获时将栽植桶内植
物剪取(留茬高度 5 cm)，把绿色部分与枯萎部分分拣开，在 65℃烘箱中烘干后称重，计算绿
色部分干物质产量。
1.5 数据处理
参考梁宇等(2001)的算法，将日进程测定的净光合速率和蒸腾速率作累积计算，分别得到
净同化累积值和蒸腾累积值，并由此计算得出水分利用效率，即：净同化累积值 =∑(Pi×△ t),
蒸腾累积值 =∑(Ei×△ t)，其中 Pi为每次测定的净光合速率平均值，Ei为每次测定的蒸腾速
率平均值，△ t为测定时间间隔(s)，这里为 7 200(2 h); 水分利用效率 = 净同化累积值 /蒸腾
累积值。所有数据的统计处理均用 SAS软件处理。
2 结果与分析
2.1 净光合速率日变化
在第一实验处理期的测定日(6月 26日)，EI和EF种群的日净光合速率均呈现双峰曲线：
第一个高峰出现在上午9:00，另一个高峰出现在下午3:00左右(图2a)。图2显示中氮水平的净
图 1 各个日进程期间环境因子的变化
a. 6月 26日； b. 8月 21日； c. 10月 8日
Fig.1 Changes in environmental factors during three
experimental periods
a. June 26； b. August 21； c. October 8
光合速率日进程曲线，低氮和高氮水平的
曲线走势与中氮水平相同。经统计检验，
内生真菌感染对日净同化累积值没有显著影
响(表 4)，但在中氮和高氮水平时，EI种群
的日净同化累积值有超过EF种群的趋势(表
1)。EF种群不同氮水平间的日净同化累积
值无显著差异，而EI种群中氮素水平的日
净同化累积值高于低氮水平(表 1)。
在第二实验处理期的测定日(8 月 21
日)，EI和EF种群的净光合速率日变化曲线
都呈单峰型，峰值出现在上午9:30左右(图
2b)。尽管由统计检验得出内生真菌感染对
黑麦草的日净同化累积值没有显著影响(表
4)，但是同一氮素水平下 EI种群的日净同
化累积值有超过EF种群的趋势(表2)。EI种
群的三个氮水平之间的日净同化累积值没有
显著差异，而EF种群中氮水平的日净同化
累积值高于低氮水平(表 2)。
在第三实验处理期的测定日(10 月 8
日)，EI和EF种群的净光合速率日变化曲线
也是单峰曲线，峰值出现在中午12:00左右
(图 2c)。由统计检验可知，感染对日净同
542 21(5)
化累积值没有显著影响(表4)，但是在中氮和高氮水平时，EI种群的日净同化累积值有超过EF
种群的趋势(表 3)。EI和 EF种群的三种氮素水平之间的日净同化累积值没有显著差异，但中
氮水平下日净同化累积值有增大趋势(表 3)。
2.2 蒸腾速率日变化
在第一实验处理期的观测日(6月26日)， EI和 EF种群各个氮素水平下的蒸腾速率曲线都呈
双峰形，除 EI2外，其他处理的第一个峰值出现在上午 9:00，另一个峰值出现在下午 1:00左
右(图3a)。图3仅显示中氮水平的蒸腾速率日进程曲线，低氮和高氮水平的曲线走势与中氮水
平相同。比较EI和EF种群的日蒸腾累积值发现，EI和EF种群的各个氮水平之间以及同一氮
水平时的EI和EF种群之间的蒸腾速率均无显著差异(表 1)。
在第二实验处理期的观测日(8月 21日)，EI和EF种群在各个氮水平下的蒸腾曲线呈早晚
低、中午高的单峰曲线，峰值出现在 13:00附近，且具有较高的一致性(图 3b)。从 EI和 EF
种群的日蒸腾累积值也可以看出，同一氮水平下EI和EF种群均无显著差异并且EI和EF种群
图 2 3个实验处理期净光合速率日进程
0、1、2分别代表低氮、中氮和高氮水平；EI、EF分别代表内生真菌感染和非感染植株；a~c. 同
图 1
Fig.2 Diurnal changes of net photosynthesis rate in the three experimental periods
a ~ c are the same as in Fig.1
图 3 中氮水平 3个实验处理期蒸腾速率日进程
a ~ c. 同图1
Fig.3 Diurnal changes of transpiration rate of medium nitrogen level in the three experimental periods
a ~ c are the same as in Fig.1
5432004 王金龙等：不同氮素营养条件下内生真菌感染对黑麦草
表 1 第一实验处理期日净同化累积值、日蒸腾累积值和水分利用效率
Table 1 Cumulative values of diurnal photosynthesis, diurnal transpiration and water use efficiency of
Lolium perenne in the first experimental period
实验种群
群体生理指标
Trial populations
Physiological characteristics of EI and EF populations
日净同化累积值 日蒸腾累积值 水分利用效率
Cumulative value Cumulative value of Water use efficiency
of diurnal photosynthesis diurnal transpiration (mmolCO2.mol-1 H2O)
(mmol CO2.m-2) (mol H2O.m-2)
低氮 Low nitrogen 215.79± 60.48bc 140.00± 37.64a 1.560± 0.205a
EI 中氮Medium nitrogen 305.16± 7.86a 159.02± 16.44a 2.329± 0.499a
高氮High nitrogen 258.34± 59.43ab 159.02± 16.44a 1.634± 0.389a
低氮 Low nitrogen 239.26± 23.34bc 147.05± 27.15a 1.668± 0.247a
EF 中氮Medium nitrogen 197.92± 16.98c 130.65± 33.53a 1.600± 0.371a
高氮High nitrogen 250.46± 12.29abc 122.02± 43.01a 2.318± 0.825a
表中数值为：平均值±标准误差，进行同一氮水平下 EI与 EF之间及 EI与 EF的不同氮水平之间的比较，角
标中相同字母则差异不显著，字母不同则差异显著 (α =0.05)
Data are presented in the format of mean ± standard error; same letter denotes non-significant difference while
different letter denotes a significant difference (α =0.05)
表 2 第二实验处理期日净同化累积值、日蒸腾累积值和水分利用效率
Table 2 Cumulative values of diurnal photosynthesis, diurnal transpiration and water use efficiency of
Lolium perenne in the second experimental period
实验种群
群体生理指标
Trial populations
Physiological characteristics of EI and EF populations
日净同化累积值 日蒸腾累积值 水分利用效率
Cumulative value Cumulative value of Water use efficiency
of diurnal photosynthesis diurnal transpiration (mmolCO2.mol-1 H2O)
(mmol CO2.m-2) (mol H2O.m-2)
低氮 Low nitrogen 138.35± 9.79ab 150.40± 4.89a 0.920± 0.069a
EI 中氮Medium nitrogen 159.05± 38.71a 136.28± 6.50a 1.171± 0.310a
高氮High nitrogen 143.99± 19.57ab 149.54± 22.81a 0.977± 0.141a
低氮 Low nitrogen 105.26± 25.64b 125.64± 25.67a 0.683± 0.094a
EF 中氮Medium nitrogen 156.42± 48.63a 145.76± 22.82a 1.072± 0.269a
高氮High nitrogen 123.25± 27.57ab 135.73± 18.19a 0.915± 0.180a
同表 1。Notes are the same as table 1
表 3 第三实验处理期日净同化累积值、日蒸腾累积值和水分利用效率
Table 3 Cumulative values of diurnal photosynthesis, diurnal transpiration and water use efficiency of
Lolium perenne in the third experimental period
实验种群
群体生理指标
Trial populations
Physiological characteristics of EI and EF populations
日净同化累积值 日蒸腾累积值 水分利用效率
Cumulative value Cumulative value of Water use efficiency
of diurnal photosynthesis diurnal transpiration (mmolCO2.mol-1 H2O)
(mmol CO2.m-2) (mol H2O.m-2)
低氮 Low nitrogen 152.07± 20.48a 44.50± 7.53a 3.468± 0.452a
EI 中氮Medium nitrogen 181.51± 33.58a 46.08± 12.12a 4.038± 0.480a
高氮High nitrogen 172.70± 48.91a 52.50± 13.36a 3.305± 0.737a
低氮 Low nitrogen 160.39± 51.65a 38.73± 12.68a 4.181± 0.733a
EF 中氮Medium nitrogen 171.43± 22.75a 53.40± 9.41a 3.273± 0.466a
高氮High nitrogen 144.96± 42.47a 46.03± 8.33a 3.191± 0.863a
同表 1。Notes are the same as table 1
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各个氮水平间也无显著差异(表 2)。
在第三实验处理期的观测日(10月8日)，EI和EF种群的蒸腾速率日变化曲线也比较相似，
都是单峰曲线，峰值出现在中午 12:00左右(图 3c)。比较 EI和 EF种群的日蒸腾累积值发现，
EI和EF种群的各个氮水平之间以及同一氮水平下的EI和EF种群之间的蒸腾速率均无显著差异
(表 3)。
2.3 水分利用效率变化
三个实验处理期中，内生真菌感染对EI和EF种群的水分利用效率没有显著影响(表4)，但
图4 3个实验处理期绿色部分干物质产量的变化
图例同图 2
Fig.4 Changes of dry mass yield of herbage in the
three experimental periods
0, 1, 2 represent. Low, medium and high nitrogen
level; a~c are the same as in Fig.1
表 4 3个实验处理期日净同化累积值、日蒸腾累积值和水分利用效率的方差分析结果
Table 4 Analysis of variance of cumulative values of diurnal photosynthesis, diurnal transpiration and water
use efficiency of Lolium perenne in the three experimental periods
日净同化累积值 日蒸腾累积值 水分利用效率
Cumulative value Cumulative value of Water use efficiency
of diurnal photosynthesis diurnal transpiration (mmolCO2.mol-1 H2O)
(mmol CO2.m-2) (mol H2O.m-2)
1 2 3 1 2 3 1 2 3
内生真菌 Endophyte NS NS NS NS NS NS NS NS NS
氮水平Nitrogen level NS NS NS NS NS NS NS NS NS
交互作用 Interaction * * NS NS NS NS NS * NS NS
NS. Not-significant; *. p < 0.05; **. p < 0.01；1. The first experimental period；2. The second experimental
period；3. The third experimental period
表 5 3个实验处理期绿色部分干物质产量的方差分析结果
Table 5 Analysis of variance of dry matter yield of herbage in the three experimental periods
第一处理期 第二处理期 第三处理期
The first experimental The second experimental The third experimental
period period period
内生真菌 Endophyte NS NS *
氮水平Nitrogen level NS NS NS
交互作用 Interaction NS * * NS
NS. Not-significant; *. p < 0.05; **. p < 0.01
可以看出中氮水平时EI种群的水分利用效率有超
过 EF种群的趋势(表 1、表 2和表 3)。
2.4 绿色部分干物质产量的变化
从三个实验处理期的绿叶干重变化曲线可以
看出：第一实验处理期结束时EF种群的绿色部
分干物质产量整体上高于 EI种群，但随着时间
的延长，EI种群的优势渐渐体现出来，在 5个
月后，即第三实验处理期结束时 EI种群的绿色
部分干物质产量明显高于EF种群(图4)。从方差
分析可以看出，第三处理期时内生真菌感染对
黑麦草绿色部分干物质的产量有显著影响(表
5)，另外EI种群是中氮水平的绿叶干重值较高
(图 4)。
5452004 王金龙等：不同氮素营养条件下内生真菌感染对黑麦草
3 讨论
Belesky等(1987)以单株高羊茅为研究对象时发现，EF和EI两种植株的干重在低氮水平下
无显著差异，但在较高的氮水平下 EI植株的干重比 EF植株高出 50%，在更高的氮水平下 EI
植株能比EF植株高出67%。Richardson等(1999)发现在温室条件下以紫羊茅(Fectuca rubra)的
内生真菌感染植株的生物量增加了 54%，氮素吸收提高了 58%，但Lewis等(1996)和Ravel等
(1997)指出内生真菌和氮素水平对多年生黑麦草的生物量和氮肥吸收并没有影响。可见，不同
宿主植物及实验环境对实验结果是有影响的。本实验发现前两个实验处理期里内生真菌和氮素
水平对地上绿色部分干物质产量无显著影响，但随着生长时间的延长，在第三处理期里内生
真菌就有显著作用了。这说明内生真菌在宿主植物体内发挥作用是需要一定的时间的。
关于内生真菌侵染对植物光合和蒸腾等生理特征的影响，国内外报道得不多。内生真菌
能否增强宿主植物的光合作用，还存在一些争议。Belesky等(1987)在对高羊茅光合活性的研
究时发现，当光照强度增加时EF植株具有更强的光合能力，考虑到EI植株可以积累更多的生
物量，因此Belesky等(1987)认为EF植株利用光合产物的效率较EI植株低，这反映了EF植株
合理调节气孔关闭的能力较低。Richardson等(1990)发现，高羊茅的净光合速率在实验中的四
个基因型上存在差异，而在 EI与 EF之间不存在确定的差异。本文中的三个实验处理期里，
内生真菌感染对黑麦草净光合速率、蒸腾速率以及水分利用效率均无显著性影响(表 4)，但在
中氮和高氮水平时，感染种群的净同化累积值都有超过非感染种群的趋势(表 1、表 2和表 3)。
这说明内生真菌侵染对多年生黑麦草光合、蒸腾等生理特性有一定的增强作用。梁宇等(2001)
研究了干旱胁迫下内生真菌感染对黑麦草实验种群光合、蒸腾和水分利用的影响，结果表明，
在干旱胁迫后期且是重度胁迫下，EI种群的净同化速率高于EF种群。这也说明了在特定条件
下经历一定时间后，EI与 EF种群在净同化积累上的差异才能反映出来。
关于氮素对植物光合特性和生物量的影响，国内外报道得较多。在一定范围内，施氮量
越多，光合速率就越高，生物量越大。本实验未能反映出氮素浓度越大，净光合速率越大
这个规律，可能是因为氮素超过一定值会降低同化速率。Evans(1983)发现, 小麦(Triticum
aestivum L.)叶片CO2的固定只与叶片含氮量有关，但叶片含氮量超过 125 mmol.m-2时，同化
速率则降低。本实验结果表明，无论是日净同化累积值还是地上部绿色部分干物质产量，EI
种群均是中氮水平时最高。这说明在适度的氮素水平下EI种群可能会获得更高的光合产物累积
和生物量。Belesky等(1989)发现，大多数高山羊茅(Festuca ovina var. brachyphylla (Schult.)
Piper)无性系在适度施氮和浇水时内生真菌感染使植物的生物量增加(平均增加了15%)。Belesky
等(1989)指出，在低氮或高氮条件下内生真菌感染对田间高羊茅植株光合产物的累积不产生任
何影响，与本实验结果一致。
参 考 文 献
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