丛枝菌根对紫茎泽兰和黄花蒿地上地下养分分配的竞争调控策略

谭淇毓,吴长榜,何跃军,*,欧 静,申开平,亢丽玲,夏婷婷,方正圆,韩 勖,徐鑫洋

1 贵州大学林学院, 贵阳 550025 2 贵州大学森林生态研究中心, 贵阳 550025 3 贵州林业勘察设计院, 贵阳 550014

外来植物通过地上资源和地下资源的优化分配以实现对不同环境的适应,从而对土壤中矿质营养和水分等资源最大化利用[1]以提高其生存和竞争能力。植物地上地下生物量及养分分配与植物生长对策及其资源利用能力密切相关,如植物将更多资源投入到地上部分以便获取更多的光照资源以增加同化产物的合成[2],并通过生理过程调节氮、磷营养物质在生物体的分配格局从而促进生长[3]。氮和磷元素是形成植物体各类酶和蛋白质等物质组成元素[4],在植株发育和各类生理活动中发挥重要作用。植物对养分资源的摄取效率及对营养物质分配策略也是其资源竞争的优势特征。

外来植物入侵一个新的生境时,在生理和生长上具有与乡土植物非对称竞争优势获得资源[5]。入侵种与乡土种之间的竞争首先是对土壤养分如氮、磷资源的竞争[6],二者对养分资源的吸收利用能力差异导致物种的优胜劣汰,即相对竞争能力强的入侵种逐渐取代乡土种或抑制其生长[7]。研究发现,土壤微生物如菌根真菌与外来入侵植物互作在入侵植物竞争替代乡土植物的群落演替中发挥着重要作用[8- 9]。申开平等[10]发现AM真菌通过菌根网络提高入侵植物养分竞争能力并缓解了磷限制,这对我们解决外来物种与乡土植物竞争入侵机制提供了新的思路。丛枝菌根真菌是一类能与大约80%的陆生植物形成互利共生关系的土壤功能微生物[11],AM吸收土壤养分供应宿主植物所需的氮、磷等营养物质并交换植物碳水化合物实现互利共生[12]。根系外延菌丝长度可达根长的13倍[13],可侵染不同植物根系而形成公共菌根网络[14]。AM菌根网可作为养分交换的通道使不同物种个体在营养吸收[15]和养分转移[16]产生差异改变植物的营养竞争力,因而可能进一步影响入侵植物和乡土植物资源竞争。

由碳酸岩发育的喀斯特地貌在世界上广泛分布,中国西南地区是世界三大集中连片喀斯特分布中心[17]。喀斯特山区岩石渗漏性强,强烈的土壤侵蚀等因素易导致养分流失,土壤养分在空间分布上具有强烈的非均质性呈现异质性斑块格局[18]。植物根系生长空间受限制时,为了最大限度获取养分,因此依赖根际外延菌丝体摄取土壤中养分富集区域的资源,从而实现土壤养分资源的再分配。因此,AM真菌可能通过根系外延菌丝体及其庞大的菌根网调控喀斯特土壤异质性生境资源,并在不同的喀斯特植物间实现资源差异化配置而改变种间关系,如有研究者发现AM公用菌根网影响同种或异种植物个体间的养分转移与分配并调控物种物种个体功能性状[19-20],也有研究发现AM真菌能够显著促进紫茎泽兰对氮、磷的吸收且优于乡土植物[21]。虽然这些研究阐述了AM真菌在植物个体间资源竞争的重要性,但还缺乏在养分亏缺的喀斯特生境中,面对外来物种如紫茎泽兰的入侵扩张,AM如何通过根系外延菌丝互联影响入侵植物与乡土植物资源竞争利用策略尚不清楚。因此,采用模拟竞争实验研究喀斯特土壤中AM对紫茎泽兰和入侵植物地上地下养分分配的竞争调控策略,对深入诠释AM真菌介导的植物入侵过程及其与乡土植物之间的养分竞争调节具有理论和实践意义。

1 研究方法

1.1 实验装置与处理

本实验模拟构建连体的1个竞争室和2个种植室微生态系装置,两侧为种植室分别种植紫茎泽兰与黄花蒿,种植室与竞争室均由10 cm×10 cm×10 cm(长×宽×高)的隔室组成,各隔室间为2 mm的聚丙烯塑料隔板,钻有0.5 cm直径圆孔,孔间距1 cm,隔板两侧粘附20 μm(允许菌丝通过并阻碍根系)或0.45 μm的尼龙网(菌丝和根系均不通过)[18]。所有隔室均装入2.5 kg灭菌土壤基质,两侧种植室分别播入5粒用10%的H2O2灭菌紫茎泽兰与黄花蒿种子。实验采用幼套球囊霉(Glomusetunicatum)作为供试菌种(购于北京农林科学院营养资源研究所,编号为BGA0046),实验前将该菌种通过已灭菌的土壤种植白三叶草(Trifoliumrepens)扩繁,种植3个月后收获实验菌剂备用(实验菌剂孢子密度约10个/g),包含菌丝片段及侵染根段。实验处理包括养分竞争方式处理和AM真菌接种处理。【1】养分竞争方式处理：针对两物种对中央竞争室养分资源利用采用20 μm和0.45 μm尼龙网设置①共同竞争(Common competition treatment, CC)：竞争室和两个种植室间的隔板采用20 μm的尼龙网隔离,使两侧植株根系菌丝体从两个种植室到达竞争室并形成互联菌根网；②单一利用处理(Single utilization treatment, SU)：对其中一个种植室一侧隔板采用20 μm尼龙网,另一侧用0.45 μm尼龙网,使其中一个种植室植物仅能通过菌丝体利用竞争室养分,但另一侧植物不能利用；③未利用对照处理(Non-utilization treatment, CK)：两个隔板均采用0.45 μm尼龙网实现两侧菌丝体均不能到达竞争室,实现竞争室养分不能被两个植物种所利用。【2】AM真菌接种处理：①对上述【1】中所有处理的种植室中接种50 g幼套球囊霉菌剂,记为M+；②非接种处理：对上述【1】中所有处理均不接种AM真菌,但添加50 g AM菌剂灭菌物,再加入菌剂双层过滤液10 ml,以保证除目的菌以外的其他微生物区系一致,记为M-。【1】和【2】处理完毕后浇足水分移置大棚培养,幼苗出土后留苗2株。生长12周对植株进行生长指标测定,实验培养基质采用过筛石灰土与河沙按3∶1体积比充分混合后在124—126℃、0.14 MPa下连续湿热灭菌1 h,石灰土采于贵阳市花溪区典型喀斯特地段,土壤pH 7.45,速效磷11.48 mg/kg,速效钾287.30 mg/kg,碱解氮127.48 mg/kg,全磷0.9 g/kg,全钾4.99 g/kg,全氮2.27 g/kg。

1.2 指标测定

菌根侵染率依据Brundrett[22]等的染色观察方法测定。分根、茎、叶测定植物生物量和氮磷浓度。植物生物量测定采用烘干称量法,植物氮含量采用半微量凯氏定氮法,磷含量采用钼锑抗比色法测定[23]。通过生物量与养分浓度相乘获得养分吸收量,再将根系作为地下部分,茎和叶作为地上部分分别获得地上地下生物量和养分吸收量。

1.3 数据处理及分析

实验数据分析采用SPSS 25.0软件,在5%显著水平通过LSD方差方法分析CC、SU和CK之间的差异性,并采用t-Test比较M+与M-间差异,并采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)分析养分竞争方式(CC；SU；CK)和AM真菌(M+；M-)以及地上地下生物量、氮磷摄取量分配之间的差异。采用Origin 2018版本软件制图。

2 结果与分析

2.1 丛枝菌根对紫茎泽兰和黄花蒿菌根侵染率及地上地下生物量分配的影响

实验中在M-条件下未发现菌根真菌侵染,也未发现菌丝体片段或者AM孢子。在M+条件下,CC、SU、CK处理的紫茎泽兰侵染率分别为72.1%、72.5%、71.9%,黄花蒿分别为63.0%、65.2%、62.3%。就地上生物量而言,AM真菌对紫茎泽兰与黄花蒿地上生物量影响不显著(P>0.05,表1)；养分竞争方式显著影响黄花蒿地上生物量(P<0.05,表1),M+条件下,黄花蒿地上生物量在CC和CK间无显著差异,但二者均显著低于SU,表现为SU>CK>CC(图1)。就地下生物量而言,AM真菌处理对紫茎泽兰地下生物量影响显著(P<0.05,表2),M+紫茎泽兰地下生物量显著高于M-；养分竞争方式未显著影响紫茎泽兰与黄花蒿地下生物量(P>0.05,表2)。AM真菌与养分竞争方式的交互作用对紫茎泽兰与黄花蒿地上地下生物量的影响不显著(P>0.05,表1,表2)。结果表明,接种AM真菌提高了紫茎泽兰地下生物量,在共同竞争条件下限制了黄花蒿地上生物量积累。

图1 不同处理下紫茎泽兰与黄花蒿地上地下生物量分配Fig.1 The allocation of biomass in the aboveground and the belowground of Eupatorium adenophorum and Artemisia annua under different treatmentsCC：共同竞争处理 common competition treatment；SU：单一利用处理 single utilization treatment；CK：未利用对照处理 non-utilization treatment；M+：接种AM真菌 inoculation with AM fungi；M-：未接种AM真菌 no inoculation。英文字母(a,b,c)表示紫茎泽兰或黄花蒿在CC、SU、CK之间差异显著(P<0.05)；英文字母(x,y)表示紫茎泽兰或黄花蒿在M+与M-之间差异显著(P<0.05)；希腊字母(α,β)表示紫茎泽兰与黄花蒿间差异显著(P<0.05)。图中数据为平均值±标准差(n=3)

表1 AM真菌接种与养分竞争方式对紫茎泽兰和黄花蒿地上部分指标影响的双因素方差分析

表2 AM真菌接种与养分竞争方式对紫茎泽兰和黄花蒿地下部分指标影响的双因素方差分析

2.2 丛枝菌根对紫茎泽兰和黄花蒿地上地下氮吸收量的影响

就地上氮吸收量而言,AM真菌处理对紫茎泽兰与黄花蒿地上氮吸收量影响不显著(P>0.05,表1)；养分竞争方式显著影响紫茎泽兰与黄花蒿地上氮吸收量(P<0.05,表1),M+条件下,SU处理紫茎泽兰地上氮吸收量显著高于CK处理,紫茎泽兰地上氮吸收量在CC与SU处理间无显著差异,表现为SU>CC>CK,黄花蒿地上氮吸收量在CC与CK间差异未达到显著水平,但二者均显著低于SU处理,表现为SU>CC>CK(图2)。就地下氮吸收量而言,AM真菌处理显著影响紫茎泽兰地下氮吸收量(P<0.05,表2),M+紫茎泽兰地下氮吸收量显著高于M-(图2)；养分竞争方式显著影响紫茎泽兰地下氮吸收量(P<0.05,表2),M+条件下,SU处理紫茎泽兰地下氮吸收量显著高于CK处理,紫茎泽兰地下氮吸收量在CC与SU处理间无显著差异,表现为SU>CC>CK(图2)。M+条件下,CC处理紫茎泽兰地下氮吸收量显著高于黄花蒿(图2)。结果表明,AM改变了养分资源在植物体内的分配格局,显著提高紫茎泽兰地下氮吸收量,在共同竞争条件下抑制了黄花蒿地上氮养分吸收。

图2 不同处理下紫茎泽兰和黄花蒿地上地下氮分配Fig.2 The allocation of nitrogen in the aboveground and the belowground of Eupatorium adenophorum and Artemisia annua under different treatments英文字母(a,b,c)表示紫茎泽兰或黄花蒿在CC、SU、CK之间差异显著(P<0.05)；英文字母(x,y)表示紫茎泽兰或黄花蒿在M+与M-之间差异显著(P<0.05)；希腊字母(α,β)表示紫茎泽兰与黄花蒿间差异显著(P<0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)

2.3 丛枝菌根对紫茎泽兰和黄花蒿地上地下磷吸收量的影响

就地上磷吸收量而言,AM真菌显著影响紫茎泽兰地上磷吸收量(P<0.05,表1),M+紫茎泽兰地上磷吸收量显著高于M-(图3)；养分竞争方式对紫茎泽兰和黄花蒿地上磷吸收量影响显著(P<0.05,表1),M+条件下,CC处理紫茎泽兰地上磷吸收量显著高于SU处理与CK处理,表现为CC>SU>CK,黄花蒿地上磷吸收量在CC与CK处理间差异未达到显著水平,但两者处理均显著低于SU处理,表现为SU>CC>CK(图3)；M+条件下,CC处理下的紫茎泽兰地上磷吸收量显著高于黄花蒿。AM真菌和养分竞争方式的交互作用对紫茎泽兰地上磷吸收量影响显著(P<0.05,表1)。就地下磷吸收量而言,AM真菌显著影响紫茎泽兰地下磷吸收量(P<0.05,表2),紫茎泽兰地下磷吸收量M+显著高于M-处理；养分竞争方式对紫茎泽兰与黄花蒿的地下磷吸收量影响不显著(P>0.05,表2),M+条件下,CC处理下的紫茎泽兰地下磷吸收量显著高于黄花蒿(图3)。结果表明,在菌根网互联条件下抑制了黄花蒿地上磷养分摄取,提高了紫茎泽兰地上地下磷吸收。

图3 不同处理下紫茎泽兰和黄花蒿地上地下磷分配Fig.3 The allocation of phosphorus in the aboveground and the belowground of Eupatorium adenophorum and Artemisia annua under different treatments英文字母(a,b,c)表示紫茎泽兰或黄花蒿在CC、SU、CK之间差异显著(P<0.05)；英文字母(x,y)表示紫茎泽兰或黄花蒿在M+与M-之间差异显著(P<0.05)；希腊字母(α,β)表示紫茎泽兰与黄花蒿间差异显著(P<0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)

2.4 丛枝菌根对紫茎泽兰和黄花蒿地上地下N/P比的影响

就地上N/P而言,AM真菌处理对紫茎泽兰地上N/P及黄花蒿地上N/P影响显著(P<0.05,表1),紫茎泽兰与黄花蒿地上N/P在M-分别显著高于M+；养分竞争方式显著影响紫茎泽兰地上地下N/P及黄花蒿地上N/P(P<0.05,表1),M+处理下,紫茎泽兰地上N/P在CC、SU和CK处理彼此间差异显著,表现为SU>CK>CC,黄花蒿N/P在不同竞争处理间彼此差异显著表现为SU>CC>CK处理(图4)。就地下N/P而言,AM真菌显著影响紫茎泽兰地下N/P(P<0.05,表2),M+紫茎泽兰地下N/P显著低于M-(图4)；养分竞争方式显著影响紫茎泽兰地下N/P(P<0.05,表2),M+处理下,紫茎泽兰SU的地下N/P显著高于CK处理,黄花蒿各竞争处理彼此间无显著差异(图4)；CC和SU下黄花蒿地下N/P显著高于紫茎泽兰。M-处理下,紫茎泽兰和黄花蒿地下N/P在不同竞争间无显著差异(图4)。AM真菌与养分竞争方式的交互作用对紫茎泽兰与黄花蒿地下N/P影响不显著(表1,表2)。

图4 不同处理下紫茎泽兰和黄花蒿地上地下氮磷比Fig.4 The N∶P ratio in the aboveground and the belowground of Eupatorium adenophorum and Artemisia annua under different treatments 英文字母(a,b,c)表示紫茎泽兰或黄花蒿在CC、SU、CK之间差异显著(P<0.05)；英文字母(x,y)表示紫茎泽兰或黄花蒿在M+与M-之间差异显著(P<0.05)；希腊字母(α,β)表示紫茎泽兰与黄花蒿间差异显著(P<0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)

3 讨论

喀斯特地区土壤中氮、磷养分含量相对较低,且植物根系细胞中氮、磷浓度高于根际土壤,阻碍了植株对有效养分元素进一步的吸收利用。在这低资源水平生境中,入侵种对维持自身生长和繁育的必需资源摄取是其能否适应新入侵生境并获得竞争优势的重要因素。AM共生体系形成特殊的适应机制以协助寄主植物高效获取土壤中的养分元素[24]。如根际外延菌丝可加快有机磷矿化和难融态磷解离且菌丝吸收磷的速率远高于通过根系吸收速率[25],以提高宿主植物对营养元素的吸收。本研究中接种AM真菌显著提高了紫茎泽兰地上磷吸收及地下部分生物量积累、氮磷养分吸收(图1,图2,图3)。可见,AM真菌能够改善紫茎泽兰生长可能是通过促进寄主植物对土壤氮、磷养分的摄取及养分吸收器官生物量积累来实现。而接种AM真菌处理对乡土种黄花蒿地上与地下生物量及氮养分吸收影响不显著(表1,表2),表现出入侵种与乡土种资源分配特征对AM真菌处理响应的差异性。幼套球囊霉与紫茎泽兰形成共生体相较乡土种黄花蒿表现出明显的养分资源获取和生长优势也支持了Burke[26]的AM真菌的寄主偏好性导致菌根功能贡献差异观点。Yang[27]等研究也发现中国西南地区入侵植物加拿大一枝黄花(SolidagocanadensisL.)在接种AM真菌后生长显著,而与之共存的乡土植物生长无显著促进作用。植物氮、磷化学计量比特征反应所在地区氮、磷养分限制格局[28],植物受氮和磷限制的N/P临界值为14和16,氮磷比大于16的植物生长繁殖主要受磷元素的限制,氮磷比小于14的植物主要受氮元素的限制作用。本研究中,在CK下接种AM真菌的紫茎泽兰地上与地下氮磷比分别为5.0、4.4,黄花蒿地上与地下氮磷比分别是6.4、5.3(图4),表明西南喀斯特地区入侵植物紫茎泽兰与乡土植物黄花蒿生长主要受到氮素的限制,且接种AM真菌后显著降低了紫茎泽兰地上地下氮磷比及黄花蒿地上氮磷比,表明接种AM真菌对磷的吸收促进作用比氮更大,有利缓解入侵植物生长发育受磷素的限制作用。根据生长速率假说(growthrate hypothesis)[29],植物体内营养元素在物种间存在差异,生长快速的植物会增加磷摄入量以便满足核糖体能够快速合成蛋白质,植物体内营养元素氮磷比较低反映植物有较快的生长速率[30],因此AM真菌可能提高入侵植物紫茎泽兰与乡土植物黄花蒿生长速率,这一方面机制研究还需进一步验证。

AM为不同植物提供不同程度的效益是AM真菌对种间竞争影响机制之一。而寄主植物可通过感应AM养分传输效率以调整地上地下的营养状况作出应答[31],使得资源分配格局发生改变。植株营养物质在地下和地上器官之间的分配是获取最大化资源以及生存策略的具体体现。本研究中,养分竞争方式显著影响紫茎泽兰与黄花蒿地上部分氮磷营养吸收(表1,表2),其中SU处理下黄花蒿地上生物量、氮磷吸收量均高于CK(图1,图2,图3)。表明黄花蒿可利用根系外延菌丝摄取竞争室土壤养分,显著促进黄花蒿地上部分生物量积累及氮磷养分吸收。进一步证实了AM具有吸收宿主植物根系吸收范围以外的土壤养分及调节资源分配等功能[19]。植物地上部分是其繁殖、获取养分资源进行同化的主要场所其生物量和营养物质的积累体现根系/菌丝体养分觅食功能的动态性。提高增加植株地上部分资源的积累,满足叶片光合作用和茎生长所需,可获更多有效光能产生碳水化合物以促进整株的营养生长[32]。本研究中,互联菌根网介导的CC较SU处理,显著促进紫茎泽兰地上磷吸收并抑制乡土种地上生物量积累与氮磷吸收,对两植物地下部分生物量积累及氮磷养分吸收无显著影响(图1,图2,图3)。互联菌根网可能对处于竞争状态的植物间不均衡分配资源,降低乡土植物地上部分从菌根共生体中获得收益,从而导致入侵种和本地种的竞争平衡,使竞争有利于入侵植物紫茎泽兰。Awaydul[33]等采用稳定同位素研究发现公共菌丝网络优先向入侵植物加拿大一枝黄花转移矿质养分,并抑制了乡土植物鸡眼草(Kummerowiastriata)对氮、磷元素吸收,这与本文研究结果基本一致。本研究中,根系外延互联菌丝调控下紫茎泽兰地上磷吸收量和地下氮、磷吸收量均高于黄花蒿(图1,图2)。植物的竞争表现与对资源的获取能力有着紧密联系,互联菌丝对生境资源进行非平衡再分配改变了植物个体地上地下资源分配格局,并导致植物种间营养竞争力的改变。Weremijewicz[15]等研究认为种间竞争加剧是由于AM菌丝体调控生境资源优先向富含碳的宿主植物提供养分；Fellbaum[34]等认为宿主植物光合性能直接影响含碳化合物的库源关系和能量消耗水平从而调节AM真菌与寄主植物之间的物质交流,因而AM对养分的吸收会依据宿主植物对碳源强度的调节来进行；Brundrett[35]等则认为AM对生境资源的非平衡再分配是由于寄主植物性状差异,植株功能性状影响植物依赖AM从土壤中获取矿质养分资源的程度。根系外延互联菌丝表现出促成植物种间不平等资源分配功能,使紫茎泽兰在养分资源的获取和利用方面获得优势,并在一定程度增加对资源的消耗,导致地下养分资源竞争渐趋激烈。通过根系外延互联菌丝改变植物种间的营养竞争关系,降低乡土种地上部分在菌根共生体中获得收益,并提高紫茎泽兰养分竞争优势实现入侵能是其菌根作用机制之一。本研究中,将植物根系与外延菌丝视作整体进行考虑,缺乏进一步辨别植株根系与菌丝途径对养分资源的摄取和个体间营养平衡作用,下一步需要使用稳定同位素技术量化入侵植物与乡土植物通过外延菌丝/根系途径对土壤矿质资源分配及植株地上地下养分转运、交换与代谢调控的相对贡献大小,并结合化感作用深入探讨紫茎泽兰的入侵机制。