全 文 :广 西 植 物 Guihaia Sept.2013,33 (5):640-644 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2013.05.010
张传博,谭金玉,孙云子,等.喀斯特典型地区烟管荚蒾AM真菌多样性研究 [J].广西植物,2013,33 (5):640-644
Zhang CB,Tan JY,Sun YZ,et al.Diversity of arbuscular mycorrhizae of Viburnum utile in karst areas[J].Guihaia,2013,33 (5):640-644
喀斯特典型地区烟管荚蒾AM真菌多样性研究
张传博*,谭金玉,孙云子,罗 充
(贵州师范大学 生命科学学院,贵阳550001)
摘 要:烟管荚蒾是喀斯特地区灌木丛的主要组成植物。以茂兰喀斯特森林为采样地点,对烟管荚蒾 AM
真菌进行了分离、鉴定与多样性分析,并对优势菌种进行初步的接种研究。结果表明:烟管荚蒾根系的菌
根侵染率为82.1%,从根际土壤分离到 AM 真菌2属16种,球囊霉属 (Glomus)7种,无梗囊霉属
(Acaulospora)9种。优势种为根内球囊霉 (Glomus intraradices)、皱壁无梗囊霉 (Acaulospora rugosa)
和刺无梗囊霉 (A.spinosa)。优势菌种接种紫花苜蓿 (Medicago sativa),促生作用明显,并显著提高了
SOD、POD和CAT酶活性。该研究对于探讨喀斯特地区AM真菌的多样性与独特性,筛选优良的宿主植
物和与之高效共生的AM真菌具重要意义。
关键词:喀斯特;烟管荚蒾;AM真菌
中图分类号:Q938.1 文献标识码:A 文章编号:1000-3142(2013)05-0640-05
Diversityof arbuscular mycorrhizae of
Viburnumutilein karst areas
ZHANG Chuan-Bo*,TAN Jin-Yu,SUN Yun-Zi,LUO Chong
(College of Life Sciences,Guizhou Nomal University,Guiyang 550001,China)
Abstract:Viburnum utile is a major component of scrub in karst areas.To better elucidate arbuscular mycorrhizal
fungal diversity,distribution associated with V.utile,and the effect of growth of Medicago sativainoculated with
the dominant species,we colected soil samples from Maolan karst forest.The results indicated that the infection
rating of Viburnum utile by AMF was 82.1%.Sixteen species of arbuscular mycorrhizae belonging to two genera
were isolated and identified from soil samples,including 7species of Glomus and 9species of Acaulospora.Mean-
while,Glomus intraradices,Acaulospora rugosa and A.spinosa were the dominant species.In addition,the
growth and SOD,POD,and CAT activities of the Medicago sativainoculated with dominant species were improved
compared to the control without inoculation.These results would provide new insight into the AM fungal diversity
and specificity,and play an important role in screening to identify excelent plant-AM fungus combination.
Key words:karst areas;Viburnum utile;arbuscular mycorrhizae
喀斯特地区碳酸盐岩充分发育,特殊的地质背
景奠定了喀斯特生态系统的脆弱性和敏感性,长期
以来,不合理的土地开垦、造成石漠化进程加剧,
植被破坏严重,生态系统退化日益严重,对当地社
会、经济的发展和资源的可持续利用以及生存环境
构成了严重威胁,亟待解决 (司彬等,2006;张殿
发等,2001)。石漠化治理的难点是植被恢复,先锋
树种选择,苗木质量和造林成活率是关键。丛枝菌
根真菌 (Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是自
然界分布最为广泛的一种菌根真菌 (Akhtar et al.,
收稿日期:2013-01-13 修回日期:2013-03-22
基金项目:贵州省自然科学基金 (黔科合J字 [2007]2048);贵州师范大学资助博士科研项目 (11904-05032100010)
作者简介:张传博 (1976-),男,山东梁山人,博士,从事内生真菌与菌根真菌研究,(E-mail)zhangchuanbo2004@163.com。
2008)。它能通过根外菌丝增加植物对水分、N、P
等营养元素的吸收,显著改善土壤理化性状,稳定
土壤团粒结构,提高植物在逆境的生长和定殖 (刘
润进等2000;Jung et al.,2012;Lapointe et al.,
2006;Grunwald et al.,2009;Rajeshkannan et al.,
2009)。特别对营养贫瘠地区退化生态系统恢复过程
中的先锋植物有明显的促进作用 (Van der Heijden
et al.,1998;Guadarrama et al.,2004)。利用丛枝
菌根强化退化生态系统修复日益受到人们的重视
(Goncalves et al.,2009)。我国过去对西南地区西
双版纳热带雨林中的丛枝菌根真菌有过报道 (赵之
伟等,2001),但对喀斯特地区烟管荚蒾上的丛枝菌
根真菌未见研究报道。
烟管荚蒾 (Viburnum utile)属忍冬科 (Ca-
prifoliaceae)荚蒾属 (Viburnum)常绿灌木,多
生于海拔500~1 800m的山坡林缘或灌丛中。在
喀斯特地区,烟管荚蒾的生长和存活竞争力较其他
种更强,对喀斯特环境具特殊的适应能力,是石漠
化区域灌木丛的优势树种及群落演替的先锋树种,
也是石漠化治理的理想植物。野外调查证实,在生
境恶劣的强度石漠化样地,烟管荚蒾数量明显增
多,而且石面生境的分布数量也明显高于其他生
境。烟管荚蒾又是重要药用植物,其根、茎、叶、
花均可入药,为中药 “羊屎条叶”、 “羊屎条花”,
具清热解毒,利湿止津,收敛止血等广泛的药理
作用。
贵州茂兰国家自然保护区为典型的喀斯特峰丛
地貌,是喀斯特地形环境下唯一幸存的一片分布集
中,原生性强,相对稳定,绝无仅有的喀斯特森
林。本研究以茂兰国家级自然保护区森林为采样地
点,研究喀斯特地区灌木丛优势树种烟管荚蒾根系
内和土壤AM 真菌的种类组成及多样性,并对优
势菌种进行初步的接种研究。本研究对于筛选优良
的宿主植物和高效共生 AM 真菌,建立规范的烟
管荚蒾菌根化育苗技术,对石漠化地区人工造林及
退化生态系统的植被恢复和重建具重要意义。
1 材料与方法
1.1研究地概况
茂兰国家自然保护区位于贵州省荔波县南部,
地处贵州高原南部向广西丘陵平原过渡的斜坡地
带,最高海拔1078.6m,最低海拔430m,平均
海拔758.8m,属中亚热带季风性湿润气候,年
均气温18.6℃,年均降水量1 752mm,年均相
对湿度83%,年日照时数1272.8mm,区内喀斯特
地貌十分发育,是原生性强、相对稳定平衡的喀斯特
森林生态系统,土壤主要以黑色石灰土为主,成土母
质是纯度较高的石灰岩和白云岩 (周政贤,1987)。
1.2样品采集及处理
2010年10月于贵州荔波茂兰自然保护区喀斯
特森林的青龙潭、拉跃坡、三岔河、漏斗森林共4
个地点采集烟管荚蒾根际土壤12份,每份土样取
5点混合。首先去除表层5cm厚的杂物,挖10~
20cm深有一定须根的土壤剖面,剪取其部分新鲜
幼嫩须根,FAA液固定;收集根际土壤1~2kg,
土样风干,4℃冰箱保存。
选取饱满、大小一致的紫花苜蓿 (Medicago
sativa)种子30粒,60℃温水浸种4h,自然冷
却,播种于育苗盘中,生长30d,挑选生长健壮,
大小一致的幼苗,移栽至营养钵中,每钵4株,用
于接种处理。
1.3侵染率及AM真菌鉴定
菌根侵染率的测定:碱解离-酸性品红染色法处
理烟管荚蒾根系,计算菌根侵染率 (刘润进等,
2007):
菌根侵染率 (%)=∑ (0×根段数+10%×
根段数+20%×根段数+30%×根段数+……+
100%×根段数)/观察总根段数。
AM真菌鉴定:湿筛倾注-蔗糖离心法分离、
镜检孢子,记录孢子数,计算孢子密度。依据
Schenck &Perez编著的 《VA 菌根菌鉴定手册》
和国际 VA 菌种保藏中心 INVAM (http://
invam.caf.wvu.edu/Myc-Info/)的菌根菌的
分类描述和图片 (Schenck &Perez,1988),近年
来发表的新种、新记录种等进行种属的检索、鉴定
和分类。
1.4AM真菌多样性指数测定与计算
物种丰富度 (species richness,SR):是指10
g土壤中含有的AM 真菌种数,即SR=AM 真菌
总种次数/土样数。
孢子密度 (spore number,SN):是指10g土
样数中AM 真菌的孢子个数,即SN=某土样中
AM真菌所有孢子数/土样数。
分离频度 (frequency,F):是指 AM 真菌某
属或种在样本总体中出现的频度,即F= (AM 真
菌某属或种的出现次数/土样数)×100%。
相对多度 (relative abundance,RA):是指该
采样点AM真菌某属或种的孢子数占总孢子数的
比率,即RA= (该采样点AM真菌某属或种的孢
子数/该采样点AM真菌总孢子数)×100%。
重要值I= (F+RA)/2,即分离频度和相
1465期 张传博等:喀斯特典型地区烟管荚蒾AM真菌多样性研究
对多度的平均值。
将AM真菌的优势度按分离频度 (F)划分为5
个等级:F>80%为优势属 (种);60%<F≤80%为
最常见属 (种);40%<F≤60%为常见属 (种);
20%<F≤40%为少见属 (种);F≤20%为偶见属
(种)。
1.5优势AM真菌接种
以灭菌的石灰性土壤为基质,三叶草扩繁优势
AM菌株,制备 AM 真菌菌剂,1∶1混合栽培基
质,将营养钵填至盆高3/4处,挑选生长状况一致
的紫花苜蓿幼苗移栽,每盆4株,25℃温室培养,
培养条件为12h光照,12h黑暗,定期浇1/10强
度无菌 Hoagland营养液 (Schultze,2013)。
1.6优势AM真菌对紫花苜蓿生长量影响
紫花苜蓿幼苗接种90d后,测量其主根长、
株高和叶片数;称量地上和地下部分的湿重、干
重;测定AM真菌对紫花苜蓿的侵染率。
1.7优势AM真菌对紫花苜蓿SOD、POD和CAT
活性影响
取紫花苜蓿一定部位去除叶脉的叶片适量,进
行 SOD、POD 和 CAT 酶液的提取,以 SOD、
POD、CAT试剂盒 (南京建成科技有限公司)进
行酶活性测定和计算。
1.8数据分析
采用DPS统计软件进行方差分析。
2 研究结果
2.1烟管荚蒾AM菌根侵染状况
烟管荚蒾为 AM 真菌依赖性植物,AM 真菌
能够与烟管荚蒾形成良好的共生关系。AM 真菌对
烟管荚蒾根系侵染率为82.1%。根段压片观测,
根系外部形成根外菌丝围绕根系,其菌丝多沿根系
生长方向延伸;根外菌丝可直接侵入皮层细胞,在
根内形成胞内卷曲菌丝和菌丝圈 (图1)。
2.2烟管荚蒾根围AM真菌多样性
烟管荚蒾根际 AM 真菌多样性丰富,多样性
指数为2.03,孢子密度为每10g为82.17个。
共分离鉴定出AM真菌2属16种 (表1),其中球
囊 霉 属 (Glomus)7 种、 无 梗 囊 霉 属
(Acaulospora)9种。优势种3种,根内球囊霉
(Glomus intraradices)、皱壁无梗囊霉 (Acaulos-
pora rugosa)、刺无梗囊霉 (A.spinosa)。最常
见种4种,全部属于球囊霉属。根内球囊霉孢子密
度和分离频度最大,分别是每10g为29.34个和
100.00%,相对多度35.70%,重要值指数67.
图1 烟管荚蒾根内的AM真菌菌丝、菌丝圈 (×100)
Fig.1 AM hyphae and hyphal coil inside the
root cels of Viburnum utile(×100)
85%。皱壁无梗囊霉的孢子密度每10g为16.67
个,分离频度93.3%,相对多度20.28%,重要
值指数56.81%。刺无梗囊霉的孢子密度每10g
为8.00个,分离频度86.67%,相对多度9.
74%,重要值指数48.24%。
2.3优势AM真菌对紫花苜蓿的促生作用
根系侵染率的高低表示 AM 真菌与植物形成
互惠共生体的状况。结果表明,3种优势AM真菌
均能很好地与紫花苜蓿建立共生关系。不同的AM
真菌对紫花苜蓿的侵染率不同 (表2),以皱壁无
梗囊霉侵染率最高。
紫花苜蓿接种根内球囊霉、刺无梗囊霉、皱壁
无梗囊霉后,3种接种物均显著提高了紫花苜蓿的
地上、地下鲜重和干重;对主根长有一定的提高,
但差异不明显。刺无梗囊霉对紫花苜蓿的地上、地
下鲜重和干重、株高、叶片数影响最大,与对照相
比,分别提高了1.95、0.73、1.23、0.17g、
2.16、11.05cm、9.65片,除主根长与对照相
比没有显著差异,其它生长指标与对照相比,在
0.01水平上差异极显著,在0.05水平上差异显
著。这3种接种物之间相比,对地上鲜重、干重影
响,在0.05水平上差异显著,0.01水平上差异
极显著;但3种 AM 真菌对主根长的影响没有
差异。
2.4优势AM 真菌对紫花苜蓿SOD、POD和CAT
活性的影响
从烟管荚蒾中分离的3种优势AM真菌对POD
活性的影响,在0.01水平上差异极显著,在0.05
水平上差异显著。根内球囊霉和刺无梗囊霉对
246 广 西 植 物 33卷
表1 烟管荚蒾中分离的AM真菌孢子密度、分离频度、相对多度、重要值
Table 1 Spore number,isolation frequency,relative abundance,importance value of arbuscular
mycorrhizae fungi isolated fromViburnum utile
AM真菌
AM fungus
孢子密度SN
(个/10g)
分离频度F
(%)
相对多度RA
(%)
重要值IV
(%)
双网无梗囊霉Acaulospora bireticulata 5.17 33.3 6.29 19.81
丽孢无梗囊霉A.elegans 0.50 26.64 0.61 13.64
细凹无梗囊霉A.foveata 0.17 0.20 0.00 0.10
蜜色无梗囊霉A.mellea 1.00 20.00 1.22 10.61
莫氏无梗囊A.morrowae 0.50 0.27 0.01 0.14
皱壁无梗囊霉A.rugosa 16.67* 93.30* 20.28* 56.81*
刺无梗囊霉A.spinosa 8.00* 86.67* 9.74* 48.24*
孢果无梗囊霉A.sporocarpia 5.67 53.30 6.90 30.12
波状无梗囊霉A.undulate 1.00 33.30 1.22 17.28
褐色球囊霉Glomus badium 3.84 70.00 4.67 37.33
柑橘球囊霉G.citricolum 0.84 20.00 1.01 10.51
明球囊霉G.clarum 3.50 46.67 4.26 25.46
聚生球囊霉G.fasciculatum 2.00 60.00 2.43 31.22
根内球囊霉G.intraradices 29.34* 100.00* 35.70* 67.85*
纯黄球囊霉G.luteum. 3.50 66.67 4.26 35.46
网状球囊霉G.reticulatum 0.67 60.00 0.81 30.41
注:“SN”表示孢子密度;“F”表示分离频度;“RA”表示相对多度;“IV”表示重要值;“*”表示优势种。
Note:“SN”means spore number;“F”means isolation frequency;“RA”means relative abundance;“IV”means importance value;“*”means dominant species.
表2 烟管荚蒾优势AM真菌对紫花苜蓿的侵染率
Table 2 Infection rates of dominant AM fungi
fromViburnum utile on Medicago sativa
AM真菌
AM fungi
对紫花苜蓿的侵染率 (%)
Infection rate on Medicago sativa
根内球囊霉Glomus intraradices 0.33±0.01b
刺无梗囊霉Acaulospora spinosa 0.21±0.012c
皱壁无梗囊霉A.rugosa 0.44±0.012a
注:不同小写字母表示在5%水平上差异显著。下同。
Note:Smal letters mean significant difference at P=0.05level.The same
below.
SOD活性的影响在0.01水平上差异极显著,
在0.05水平上差异显著,皱壁无梗囊霉对SOD
活性的影响与未接种相比,没有差异。刺无梗囊霉
和皱壁无梗囊霉对CAT活性的影响与未接种相比
在0.01水平上差异极显著,在0.05水平上差异
显著,而根内球囊霉对CAT活性的影响与未接种
相比,没有差异。
3 结论与讨论
AM真菌的多样性及其对宿主植物根的侵染率受
到宿主植物、土壤环境和群落结构等诸多因素的影响
(Burrows & Pfleger et al.,2002;Landis et al.,
2004;Hijri et al.,2006)。烟管荚蒾样品采集于
表3 烟管荚蒾优势AM真菌对紫花苜蓿生长量的影响
Table 3 Effects of the dominant AM fungi fromViburnum utile on the growth of Medicago sativa
AM真菌种类
Species of AM fungi
地上鲜重
Fresh weight
of shoot(g)
地上干重
Dry weight
of shoot(g)
地下鲜重
Fresh weight
of root(g)
地下干重
Dry weight
of root(g)
主根长
Main-root
length(cm)
株高
Plant height
(cm)
叶片数 (片)
Number of
leaves
根内球囊霉
Glomus intraradices
2.54±0.12cC0.98±0.02cC1.22±0.10bB0.38±0.04bBC20.83±1.01aA11.67±0.88bB32.00±1.73bB
刺无梗囊霉
Acaulospora spinosa
3.98±0.13aA1.32±0.05aA1.33±0.12aA0.42±0.05aA21.13±4.90aA22.33±0.88aA53.33±0.88aA
皱壁无梗囊霉
A.rugosa
3.42±0.10bB1.14±0.05bB1.32±0.05bB0.40±0.03bAB19.60±0.62aA20.67±3.18aA52.67±10.71aA
CK 2.03±0.18dD0.59±0.02dD0.65±0.04cC0.25±0.03cC18.97±1.43aA11.27±0.88bB40.67±0.88bB
注:不同的大写字母表示在1%水平上差异极显著。
Note:Different big letters indicate very significant differences at P=0.01level.
茂兰喀斯特森林的青龙潭、拉跃坡、三岔河、漏斗森
林,采样地点平均海拔800m左右,土壤为黑色石灰
土为主,土层浅薄,地面岩石裸露,pH=7.5,有机
质和全氮含量特别丰富。周围伴生植物为火棘、悬钩
子、小果蔷薇、盐肤木、黄背草,为典型的喀斯特灌
丛。AM真菌的多样性呈现明显的季节动态变化,在
西南地区7~10月是植物旺盛生长期,光合作用和生
理代谢活动强,其种丰度高。本研究中,样品采
3465期 张传博等:喀斯特典型地区烟管荚蒾AM真菌多样性研究
表4 优势AM真菌对紫花苜蓿SOD、POD、CAT活性的影响
Table 4 Effects of SOD,POD and CAT activities of the Medicago sativainoculated with dominant AM fungi
AM真菌种类
Species of AM fungi
SOD活性 (U·g-1FW)
SOD activity
POD活性 (U·g-1FW)
POD activity
CAT活性 (U·g-1FW)
CAT activity
根内球囊霉Glomus intraradices 101.62±0.80aA 91.21±0.18cC 68.71±0.67bB
刺无梗囊霉Acaulospora spinosa 93.42±0.15bB 97.70±0.12aA 82.57±0.39aA
皱壁无梗囊霉A.rugosa 85.55±1.28cC 95.03±0.18bB 84.47±0.25aA
CK 85.20±0.18cC 60.65±0.18dD 69.00±1.30bB
集于10月初,是具代表性的季节。从烟管荚蒾根际
土壤中,共分离鉴定出AM真菌2属16种。其中球
囊霉属7种,无梗囊霉属9种,多样性丰富,但其
它属的种类未见。宿主植物类型和根系特性是AM
真菌发生和分布的重要因子 (Tawarayaet al.,
1994),烟管荚蒾为喀斯特地区适生植物,根系发
达,为AM真菌的侵染与共生提供了适宜的生境。
烟管荚蒾耐贫瘠能力极强,一方面与它自身的生理
特性相关,另一方面也可能和其根际AM真菌多样
性丰富,能在植物根围形成庞大的菌丝网络系统,
菌丝分泌的粘性物质能稳定土壤,改善土壤理化性
质密切相关。
优势AM真菌的种类因植物种类、地形、气候
差异很大,呈现一定的地域分布规律,西南喀斯特
地区的临近区域,亚热带都江堰地区的优势种为光
壁无梗囊霉 (Acaulospora laevis)和地表球囊霉
(Glomus versiforme)等 (Zhang et al.,2004a,b),
我国西双版纳热带雨林的优势种是单孢球囊霉 (G.
monosporum)和细齿无梗囊霉 (Acaulospora dentic-
ulata)(Zhao et al.,2003)。烟管荚蒾根际,以根
内球囊霉,皱壁无梗囊霉,刺无梗囊霉为优势菌种。
说明这几种AM真菌对喀斯特土壤适应能力较强,
可能对烟管荚蒾具有某些独特的生物学功能,但不
同菌种间的孢子密度、分离频度、相对多度及重要
值均存在显著差异。研究发现,无梗囊霉属和球囊
霉属是荒漠生态系统中AM真菌优势类群 (毕银丽
等,2006)。球囊霉属在中性或碱性的土壤条件下出
现较多,在pH5~9范围内,土壤碱性越大,球囊
霉属所占比例越大 (Tanja & Mareel,2003)。喀斯
特地区土壤偏碱性,分离的优势AM真菌中,以根
内球囊霉为主,4种最常见种全部属球囊霉属,说
明生态适应性很强的球囊霉属在喀斯特石漠化生态
恢复中具有较强的利用潜力。这些结论与利用巢式
PCR和DGGE相结合的分子生物学方法的研究结论
一致。
紫花苜蓿与AM真菌有良好的共生性,是筛选
高效、优良AM菌种的模式植物。分离的3种优势
AM真菌均能和紫花苜蓿建立良好的共生关系,其
中以皱壁无梗囊霉亲和力最强,刺无梗囊霉促生作
用最为明显,能显著提高紫花苜蓿的POD、SOD和
CAT活性。这为培养烟管荚蒾菌根苗,提供了重要
理论依据。
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