全 文 ：三叶草根间菌丝桥在氮素传递中的作用初探
张俊伶　李晓林　杨志福
(中国农业大学植物营养系　北京　100094)
此文于 1996 年 7 月 8 日收到。
国家自然科学基金资助项目。
应用 5 室隔板方法研究了三叶草根间菌丝桥在氮素传递中的作用。结果表明 :
低氮时植株间菌丝桥的形成改善了受体植株氮、磷营养状况 ,高氮时仅受体植株地上
部吸氮量和吸磷量有所增加 ;供体受体三叶草根间传递15 N 的数量、受体植株的生物
量及根系的吸氮量均不受植株间菌丝桥和受体根室施氮水平的影响。
关键词 :三叶草 　VA 菌根 　菌丝桥 　15N 　氮素传递
前 　　　言
菌根是指土壤真菌和植物根的共生体 ,菌根作为自然界中的一种普遍现象 ,在生态系统中
有很重要的作用。其中 VA 菌根是自然界分布最广泛的一种菌根 ,世界上大约 90 %以上的植
物都可以与 VA 菌根真菌形成菌根。正是由于 VA 菌根真菌不具有宿主专一性 ,因而侵染一
株植物 (供体植物)后 ,根外菌丝在生长的过程中遇到另一株植物 (受体植物)根系后 ,可以再度
侵染 ,从而在植株间形成连接植物根系的菌丝桥。一些研究结果表明 ,15N 可以通过菌丝桥在
植株间传递[1 —3 ] ,且传递量的多少受供体和受体库源强度的影响[1 ,4 ,5 ] ,另外 ,其传递的氮量可
改变受体植株的生长状况[2 ,6 ] ;但另一些研究则得出相反的结论 ,他们或在植株间未发现氮的
传递 ,或认为菌丝桥传递的氮量很少 ,不足以引起植物生长状况的变化[7 —9 ] 。基于以上研究
中的问题 ,本试验设计一种新的方法 ———5 室隔板方法 ,借助15 N 示踪技术对三叶草植株间菌
丝桥在氮素传递中的作用进行初步探讨。
材 料 与 方 法
试验装置　试验装置 (图 1)为有机玻璃制成的 5 室隔板系统 ,自左至右标为 A、B、C、D 和
E5 室。A、C、E 室长、宽、高的规格为 3cm ×8cm ×8cm ,B、D 室为 2cm ×8cm ×8cm ,A、B 室 ,C、
D 及 D、E 室之间用孔径 30μm 尼龙网隔开 ,以限制根系在边室中生长 ,而菌根菌丝可以穿过尼
龙网从边室中吸收养分。B 室和 C 室之间用厚度为 4mm 的玻璃板隔开 ,玻璃板上开有许多直
径为 4mm 的孔。玻璃板靠近B 室的一边为 30μm 孔径的细尼龙网 ,靠近 C 室的一边为 105μm
孔径的粗尼龙网 ,其作用是允许菌丝大量穿过。玻璃板的作用是形成空气层 ,从而只允许菌丝
穿过 ,可以在植物根系间传递养分 ,而防止养分随水分从供体植株一侧向受体植株一侧移动。
A、E 室有缓冲水分的作用 ,防止浇水过程中 B、D 室中水分的过度饱和。C 室目的在于减少养
742　核 农 学 报　1997 ,11 (4) :247～253Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
图 1 　5 室隔板装置示意图
Fig. 1 　Diagram of the pot used
分的直接扩散。
材料 　供试土壤为北京大兴县庞各庄乡的耕层砂壤土 ,土壤的基本理化性状为 :有机质
0139 % ,全氮 01027 % ,速效磷 (Olsen2P) 319mg/ kg ,速效钾 (N H4Ac2K) 6014mg/ kg ,p H (盐浸)
718 ,田间持水量为 2110 %。供试土壤过 1mm 土筛后在 120 ℃下高压蒸气灭菌 2h ,以消除土
壤中的真菌孢子。供体植物和受体植物均为红三叶草 ( T rif oli um pratense L . ) 。菌种为 Glo2
m us mosseae。先用玉米盆栽繁殖 ,生长 2 个月后用含有受到真菌侵染的根段和含有菌丝的根
际土壤作为菌根接种剂。
试验方法 　试验设 B 室 (供体根室)接种 ( + M)和不接种 ( - M)菌根真菌 ,A、B 室 (供体根
室)设 1 个氮素水平 (250mg N/ kg ,其中施入的标记氮为 150mg/ kg) ,D 室 (受体根室) 、C 室和
E 室设两个氮素水平 N1 (100 mg/ kg)和 N2 (200 mg/ kg) ,各处理均设 4 次重复。
各室施肥水平见表 1。三叶草生长 4 周后将丰度为 21119 %的 (15 N H4) 2SO4 分次注入供
体根室B 室 ,最终使土壤施氮水平达 250 mg/ kg。其余所有肥料均作基肥和土壤拌匀后装盆。
表 1 　试验施肥水平
Table 1 　Fertilizer applied in each compartment
养分
Nutrient
施肥量
Fertilizer applied (mg/ kg)
A、B 室
A、B compartment
C、D、E 室
C、D、E compartment
肥料品种
Fertilizer
N1 250 (150 15N) 100 NH4NO3
N2 250 (150 15N) 200 NH4NO3
K 150 150 K2SO4
P 50 50 KH2PO4
接种菌根真菌仅在 B 室中进行。50g 接种剂和 100g 土壤完全混匀后装入菌根处理的 B
室 ,对照组则加入相同重量灭菌处理的接种土。D 室装入相同重量的砂土。其余 3 室土壤重
量均为 250g。装盆后各室土壤容重为 113g/ cm3 。
三叶草种子在 10 %H2O2 中浸泡 10 min 进行表面消毒后 ,置于湿润的滤纸上放置 1 昼夜
催芽 ,然后播于 B、D 室土壤中 ,每室 30 粒 ,并在土壤表面覆盖 1 层石英砂以减少水分的蒸发。
试验在温室内进行 ,生长期间温度维持在 20～25 ℃,光照时间为每天 14h ,用生物镝灯进
行照射 ,光照强度为 84μE·m - 2·s - 1 ,生长期间水分维持至田间持水量 ,利用称重法定期浇水。
842 核　农　学　报 11 卷
三叶草生长至 10 周时进行收获。分别收获 B、D 室三叶草的地上部和根部 ,将根系洗净
后从中称取 015g ,用酸性品红2网格交叉染色法测定菌根侵染率。其余根系和地上部一起烘
干磨粹后 ,经 H2 SO42H2O2 湿灰化消化样品后 ,测定样品中养分的含量 :氮 (凯氏定氮法) ,磷
(钒钼黄比色法) ,15N 丰度 (质谱法) 。
结 果 与 分 析
(一)菌根侵染率
接种菌根真菌的供体和受体三叶草根系均有菌根真菌的侵染。两个氮素水平下供体和受
体根系的菌根侵染率分别为 : 供体 1211 % ( N1 ) , 13184 % ( N2 ) ,受体则相应为 4191 %和
5183 % ,侵染率不受受体根室施氮水平的影响。两个氮水平下植株根系菌根侵染率均是受体
低于供体。试验中未接种菌根的植株则完全没有菌根的侵染。表明供体接种条件下供体和受
体植株根系间形成了菌丝桥。
(二)植株生长状况
供体和受体植株地上部和根系的干物重见表 2。从表 2 可以看出 ,供体植株地上部干物
重因接种菌根真菌而增加 ,供体根系及受体地上部和根系的生物量不受施氮水平和菌根的影
响。
表 2 　供体和受体三叶草的生长状况
Table 2 　Plant dry weight under different N levels (D compartment)
and mycorrhiza treatment (B compartment)
处理
Treatment
地上部干物重
Shoot DW(g/ pot)
根系干重
Root DW(g/ pot)
供体
Donor
受体
Receiver
供体
Donor
受体
Receiver
N1 - M 　　　　1157c 3 1146a 0194a 0184a
N1 + M 2156a 1154a 1115a 0182a
N2 - M 1186b 1146a 1105a 0172a
N2 + M 2140a 1190a 1112a 0179a
3 应用 L . S. R 法检验处理间差异程度 ,同一列中的不同字母表示差异达 5 %显著水平 (下同) ,以下表相同。
The L . S. R method was used to test the significance of differences and the data in a column followed by different letters are
significantly different at P ≤0105 ,the same as the following tables.
(三)供体植株氮、磷营养状况
表 3 为供体三叶草体内含磷量和含氮量。结果表明 ,菌根提高了供体三叶草地上部的含
磷量和含氮量 ,两者分别为对照处理的 2 倍和 115 倍左右 ,但受体根室的氮素水平不影响供体
植株的含磷量和含氮量。与地上部情况不同 ,植株根系的含磷量和含氮量均无显著性差异 ,不
受供体接种菌根真菌和受体氮水平的影响。
942　4 期 三叶草根间菌丝桥在氮素传递中的作用初探
表 3 　供体三叶草体内含氮量和含磷量
Table 3 　P and N concentration in donor red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment) ( %)
处理
Treatment
地上部　　Shoot 根系　　Root
含磷量
P conc.
含氮量
N conc.
含磷量
P conc.
含氮量
N conc.
N1 - M 0110b 2107b 0110a 2128a
N1 + M 0120a 3114a 0113a 2139a
N2 - M 0112b 2144b 0112a 2129a
N2 + M 0120a 3123a 0112a 2138a
供体三叶草体内吸氮量和吸磷量见表 4。从表 4 可以看出 ,接种菌根真菌促进了植株地
上部吸氮量、吸磷量及根系的吸磷量 ,三者分别为对照的 3～4 倍、2 倍和 115 倍左右。受体根
室氮素水平不影响接种处理植株的吸氮量和吸磷量 ,但使未接种植株地上部养分吸收量有所
增加 ,但植株根系的吸氮量不受菌根和受体根室施氮的影响。
表 4 　供体三叶草体内吸氮量和吸磷量
Table 4 　P and N content in donor red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment) (mg/ pot)
处理
Treatment
地上部　　Shoot 根系　　Root
吸磷量
P content
吸氮量
N content
吸磷量
P content
吸氮量
N content
N1 - M 1135c 35178c 0196b 21126a
N1 + M 5108a 79178a 1153a 27159a
N2 - M 1188b 44181b 1119b 23199a
N2 + M 4183a 79120a 1161a 28191a
(四)受体植株氮、磷营养状况
11 植株含氮量和含磷量 :表 5 中受体三叶草含氮量和含磷量数据表明 ,低氮时菌丝桥的
形成使受体植株地上部和根系的含氮量和含磷量均高于相应的对照处理 ,且以磷的增加量较
大 ,地上部和根系的含磷量达对照的 2 倍。高氮时菌丝桥不影响植株含氮量和含磷量。
表 5 　受体三叶草体内含氮量和含磷量
Table 5 　P and N concentration in receiver red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment) ( %)
处理
Treatment
地上部　　Shoot 根系　　Root
含磷量
P conc.
含氮量
N conc.
含磷量
P conc.
含氮量
N conc.
N1 - M 0111b 1192c 0109a 2117c
N1 + M 0123a 2154b 0118a 2141b
N2 - M 0115b 2196a 0113b 2166a
N2 + M 0115b 2191a 0114b 2168a
052 核　农　学　报 11 卷
21 植株吸氮量和吸磷量 :受体植株吸氮量和吸磷量列于表 6。从表 6 可以看出 ,供体和受
体三叶草形成菌丝桥后 ,两个氮水平条件下受体植株地上部吸氮量和植株吸磷量均有增加 ,但
菌根在高氮时的效应低于低氮时的效应。高氮时菌根使植株 N、P 的吸收量提高 015 倍 ,而低
氮时植株地上部和根系的吸磷量分别为对照的 213 倍和 2 倍 ,地上部吸氮量为 114 倍。氮水
平的提高增加了未形成菌丝桥的植株地上部吸氮量、吸磷量和根系的吸磷量 ,而形成菌丝桥植
株仅地上部吸氮量有所增加 ,植株地上部和根系的吸磷量不仅没有增加反而有所下降 ,受体根
系吸氮量各处理间无显著性差异 ,不受施氮水平和菌根的影响。
表 6 　受体三叶草吸氮量和吸磷量
Table 6 　P and N content in receiver red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment) (mg/ pot)
处理
Treatment
地上部　　Shoot 根系　　Root
吸磷量
P content
吸氮量
N content
吸磷量
P content
吸氮量
N content
N1 - M 1158d 27185c 　　0175d 18105a
N1 + M 3166a 38187b 1145a 19106a
N2 - M 2102c 42187b 0195b 19105a
N2 + M 2174b 50165a 1113ab 21105a
表 7 　受体三叶草体内15 N丰度及总15 N量
Table 7 　15N abundance and total 15N in receiver red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment)
处理
Treatment
15N 丰度
15N abundance ( %)
总15N 量
Total 15N (mg/ pot)
地上部
Shoot
根系
Root
地上部
Shoot
根系
Root
N1 - M 0140a 0145a 　　0105b 　　0107a
N1 + M 0138a 0141a 0103bc 0104ab
N2 - M 0138a 0142a 0103bc 0105ab
N2 + M 0140a 0139a 0109a 0103b
表 8 　供体三叶草体内15 N丰度及总15 N量
Table 8 　15N abundance and total 15N in donor red clover under different N levels
(D compartment) and mycorrhiza treatment (B compartment)
处理
Treatment
15N 丰度
15N abundance ( %)
总15N 量
Total 15N (mg/ pot)
地上部
Shoot
根系
Root
地上部
Shoot
根系
Root
N1 - M 3199a 3164a 　　6123ab 　　3134a
N1 + M 2112b 2137b 6172a 2166b
N2 - M 3148a 3118a 6170a 3124a
N2 + M 2127b 2151b 7124a 2198ab
152　4 期 三叶草根间菌丝桥在氮素传递中的作用初探
(五)植株体内15 N 丰度及总15 N量
表 7 和表 8 分别为受体和供体植株体内15N 丰度及总15N 量。表 7 结果明确表明 ,除 N2
水平时菌根提高了地上部的15N 总量外 ,受体三叶草体内15 N 丰度 ,无论地上部还是根系均无
显著性差异 ,不受氮水平和菌根的影响 ,甚至接种处理植株在数值上低于相应的对照。植株地
上部和根系15N 的丰度值相近 ,范围在 0138 %～0145 %之间 ,15N 总量范围在 0103～0109mg/
盆之间。
表 8 中供体三叶草地上部和根系的15N 丰度均表现为接种菌根真菌处理低于相应不接种
对照处理。植株15N 总量除低氮时植株地上部受菌根及氮水平的影响外 ,其余处理之间均无
显著性差异。地上部和根系的总15N 量分别在 710 mg/ 盆和 310 mg/ 盆左右。
讨 　　　论
11 植株根间菌丝桥的形成 :很多试验观察到同种、不同种植物根系间可以形成菌丝
桥[2 ,11 ,12 ] 。本试验得到同样的结论。供体接种使受体三叶草根部有菌根的侵染 ,而对照根部
则没有发现菌根的侵染 ,表明供体根系的根外菌丝可以穿过隔板进入中室再度侵染受体植株
的根系 ,从而形成了植株根系间的菌丝桥。本试验中受体根系的菌根侵染率显著低于供体根
系 ,一方面是隔板阻碍的限制 ,另外植株收获期过早 ,真菌尚未充分侵染也是一个因子。
21 受体植株生长及体内氮、磷营养状况 :关于植株根间菌丝桥传递氮、磷对受体植株氮、
磷营养及植株生长影响的研究结果尚未统一[2 ,6 —8 ] ,本试验中低氮情况下受体植株体内氮、磷
营养状况均因植株间形成菌丝桥而得到改善 (表 5、表 6) ,根系在这样低的侵染率情况下 ,植株
体内养分的显著增加很可能与菌丝桥对养分的直接传递有关。
在本试验中 ,受体根室施氮水平的增加提高了受体植株体内含氮量 ,然而高氮时菌根并不
影响植株体内含磷量和含氮量 ,却使氮的总吸收量增加 ,磷的总吸收量反而减少 ,可能是高氮
时植株对磷的需求也相对较大 ,而此时菌丝吸收的养分却不能满足需求所致。综上所述 ,有理
由认为供体和受体的库源强度可能是影响植株间养分转移量的一个因子 ,这与其它的一些研
究结果一致。
本试验中受体植株的生长状况不因菌根和施氮水平而变化 ,一方面是由于菌根侵染率低 ,
植株收获过早 ,菌根作用还未充分发挥 ;另外 ,由于此时植株体内氮、磷含量较适合 ,推测可能
是除氮、磷以外的其它因子限制了植物的生长 ;最后 ,也可能是土壤中养分对植物生长来说相
对充足 ,因而植物对菌根的依赖性相对减少。
31 菌丝桥与15N :如前所述 ,菌丝桥在15 N 传递中的作用结果不一。本试验受体植株15 N
的丰度各处理间无明显差异 ,且均接近15 N 的自然丰度值 01365 % ,甚至菌丝桥形成受体植株
15N 总量低于相应的对照处理 ,说明在本试验条件下菌丝桥对15N 的传递无影响 (表 7) 。其它
一些研究也报道植株间通过菌丝桥传递的氮量非常有限。George[10 ]等认为 ,株间菌丝桥传递
的氮之所以很少可能与氮素跨膜阻力有关。Hamel[8 ]等认为受体植株体内15 N 的增加可能来
自受体菌丝吸收根系分泌的或衰亡根系中损失的氮。本试验中 ,5 室结构中的隔板对菌丝桥
形成的数量起了很大的抑制作用 ,因而减少了15N 在植株间的传递。
252 核　农　学　报 11 卷
参 考 文 献
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NITROGEN TRANSFER VIA VA MYCORRHIZA HYPHAE L INK
BETWEEN ROOTS OF RED CLOVER
Zhang J unling 　Li Xiaolin 　Yang Zhifu
( College of Resource and Envi ronment , China A gricult ural U niversity , Beiji ng 100094)
ABSTRACT
Five compartments with a air gap was designed to examine underground N transfer via
VAM hyphae l ink bet ween roots of red clover. 15 N was injected into the root compartment for
donor plant 4 weeks after planting. Plants were harvested 6 weeks afterwards. The experiment
had four treatments :t wo N levels( receiver root compartment) ; mycorrhiza and non2mycorrhiza
treatment( B compartment) ,and each with four repl icates. It was demonstrated that there was no
signif icant difference in 15 Nabundance in receiver red clover regardless of the inoculation of my2
corrhiza f ungi and nitrogen fertil ization. Both shoot and root dry weight of receiver plants were
not affected too ,however ,plant P and N nutrient status got better under this condition.
Key words :Red clover ,VA mycorrhiza ,hyphae link ,15N ,nit rogen transfer
352Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1997 ,11 (4) :247～253