內(nèi)生真菌感染對不同地理種群羽茅的生理生態(tài)影響

1、內(nèi)生真菌感染對不同地理種群羽茅的生理生態(tài)影響（賈彤任安芝 尹立佳 魏茂英 高玉葆*（南開大學生命科學學院，天津， 300071）摘要：Neotyphodium內(nèi)生真菌與宿主的共生關系問題一直是一個研究的熱點，而實際上二者的關系可能 比認識到的更為復雜。本文為田間盆栽實驗，研究了內(nèi)生真菌對海拉爾種群與錫林浩特定位站種群的羽茅 在不同生長階段的影響。研究結果表明，Neotyphodium內(nèi)生真菌對羽茅的影響與宿主羽茅所處的原生生境和不同的生長發(fā)育階段有關，羽茅生長前期，內(nèi)生真菌顯著提高了海拉爾種群植株的株高、比葉重、水分 利用效率以及光合氮利用效率；羽茅生長后期，內(nèi)生真菌對錫林浩特定位站羽茅的光合

2、氮利用效率有顯著 的貢獻。感染內(nèi)生真菌對兩個地理種群中羽茅的生物量的分配，葉綠素含量，葉片氮含量都沒有顯著的影 響。關鍵詞：Neotyphodium內(nèi)生真菌；羽茅；光合特性；原生生境中圖分類號：Q948文獻標識碼：A 文章編號：201104-717Ecophysiological effect of endophyte Infection onAchnatherum sibiricum in different populations in InnerMongolia SteppeJIA Tong, REN Anzhi, YIN Lijia, WEI Maoying, GAO Yubao*（C

3、ollege of Life Sciences, Nankai University, Tianjin 300071）Abstract: It has been a focus of research about the relationship betweenNeotyphodium and host symbiosis, but in fact, the relationship between them may be more complicated than realized. In this experiment we studied the effect of endophyte

4、infection in different growth stages of A. sibiricum between different populations in Inner Mongolia Steppe. The results showed that the effect of Neotyphodium on A. sibiricum was related to the original environment and different growth stages of A. sibiricum . At seedling stage, endophyte infection

5、 significantly increased plant height, leaf mass per area, water use efficiency and photosynthetic nitrogen use efficiency of Hailar population. At later growth stage, endophyte infection made a significant contribution to the photosynthetic nitrogen use efficiency of Xinlinhot population. There wer

6、e no significant differences in biomass distribution, chlorophyll content and leaf nitrogen content of A. sibiricum in two populations.Key words : Neotyphodium ; Achnatherum sibiricum ; photosynthetic characteristics; original environment基金項目：國家自然科學基金項目（30970460）;教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目 （20090031110026

7、）;教育部留學回國人員科研啟動基金項目（2009-2011）資助作者簡介：賈彤（1985-）,女，博士，主要從事禾草-內(nèi)生真菌關系的研究通信聯(lián)系人： 高玉葆，教授，植物生理生態(tài)學.E-mail: HYPERLINK mailto: 0 引言內(nèi)生真菌的分布十分廣泛，其宿主植物涉及藻類、針葉樹、灌木和草本等多個類群，尤以禾本科植物最為常見。從世界范圍來看，目前已至少在 80 個屬 290 多種禾本科植物中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)生真菌1 。 廣義的內(nèi)生真菌指在其生活史一定階段或全部階段生活于健康植物各種組織和器官的細胞內(nèi)部或間隙的真菌， 包括生活史中某一階段營表面生的腐生真菌， 對宿主暫無傷害的潛伏性病原真菌和菌

8、根真菌2-4 。狹義指生活于健康植物的各種組織和器官的細胞內(nèi)部或間隙的真菌4 。本研究中，羽茅分離的內(nèi)生真菌，以菌絲形式定居于宿主植物體內(nèi)，在自然情況下不產(chǎn)生子座和孢子， 只通過菌絲生長進入宿主植的繁殖器官， 經(jīng)種子垂直傳播，屬于狹義的范疇。目前， 對于內(nèi)生真菌和宿主禾草共生關系的研究絕大多數(shù)集中于人工栽培的草坪草和牧草，其中又以高羊茅和黑麥草的研究最多。Hesse等將野外三種不同生境下的感染內(nèi)生真菌的黑麥草移植室內(nèi)， 然后干旱脅迫處理， 發(fā)現(xiàn)從干旱地區(qū)移植的植株在水分充足的條件下，染菌植株（ EI ）的生長速率小于非染菌（EF） ，而在干旱脅迫下，EI 產(chǎn)生的分蘗數(shù)多于 EF， 種子產(chǎn)量也較

9、EF 高； 從濕潤地區(qū)移植的植株， EI 植株比 EF 植株對干旱脅迫更敏感， 這說明內(nèi)生真菌與宿主植物的相互關系跟宿主植物的原生境有關， 它們之間的共生關系可能是長期的自然選擇的結果5 。 White 等6在高羊茅- 內(nèi)生真菌共生體抗旱性的實驗中表明，與未感染（E-）植株相比，感染（E+）植株的葉片加厚變窄，葉片卷曲現(xiàn)象普遍、根系生物量更大并且分布深。羽茅 （Achnatherum sibiricum ）是禾本科芨芨草屬的一種多年生草本植物，在內(nèi)蒙古的各類草場中較為常見 7 。魏宇昆等對中國北方草原56 個樣地 175 個種群的禾草進行大規(guī)模的內(nèi)生真菌染菌率調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，羽茅在所有檢測的樣地都

10、有較高的內(nèi)生真菌感染率，最高可達100% 8 。通過對羽茅感染的內(nèi)生真菌菌株進行生物學特征和DNA 分子鑒定，結果發(fā)現(xiàn)與羽茅共生的內(nèi)生真菌與高羊茅、黑麥草感染內(nèi)生真菌同屬于 Neotyphodium 屬 9,10 。天然禾草與內(nèi)生真菌的關系研究較少， 但僅有的結果顯示其比較復雜， 從有利到中性到不利均有報道， 那么， 存在于羽茅中的內(nèi)生真菌與宿主植物的關系究竟如何， 這種關系是否也受到原生生境的影響呢？本實驗采用田間栽培的方式， 以兩個地理種群不同生長階段的羽茅為研究對象，測定內(nèi)生真菌對羽茅的生長及光合特性的影響。試驗材料與方法試驗材料羽茅種子于2005 年分別采集自內(nèi)蒙古海拉爾的中國農(nóng)業(yè)科學

11、院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外實驗站 （ HLE ） 和錫林浩特的中國科學院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站 （ DWZ ） 。 兩個地理種群的生境環(huán)境見表1 。 2009 年 4 月選取兩個地理種群中飽滿成熟的羽茅種子，播種于裝滿蛭石的花盆中培養(yǎng)。 羽茅長到足夠多可檢測分蘗后， 進行內(nèi)生真菌的檢測， 確定染菌（E+）和不染菌（E-）的植株，每個地理種群羽茅 30盆，E+和E-植株各15盆，在天 津南開大學校園內(nèi)的試驗田中進行培養(yǎng)，于 2009年5月至IJ 2009年8月末對羽茅E+和E-植株初期的形態(tài)變化和末期的生物量進行測定，并且在羽茅不同生長階段（6月，7月，8月）進行各生理指標的測定。表1

12、羽茅原生生境的自然概況及氣候特征Table.1 The habitat characters of the original environment:位置(m)雨量(mm)氣溫（C）1(h)海拉爾119.40 E49.06 N629350-2.02766暗栗鈣土草甸草原割草地，主要生長針 茅、羽茅、冰草錫林浩特116.42 E43.38 N11903502.352256栗鈣土渾善達克沙 地邊緣圍欄以外，以羽茅為主1.2 試驗方法在自然CO2濃度條件下（大約為360 dmol?mol）,選擇晴朗少云的天氣，從9:00am至U12:00am,用LI-6400便攜式光合作用測定儀（LI-COR,US

13、A）,選取染菌和不染菌植株新葉完 全展開的第一葉，進行光合光響應測定。光強由 LI-6400-02BLED紅藍光源進行自動控制。 在不同光合有效車射通量密度（PPFD 1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50和0 d mol?m?61）下測定葉片光合速率，每個水平E+和E-羽茅各3個重復。數(shù)據(jù)處理及分析本研究中Pn對光強的響應符合 Michaelis-Menten的直角雙曲線方程，其表達式為：IPmax PnRdmax其中，a為光合速率的光響應曲線的初始斜率，它反映了表觀量子效率（AQY） ； I為光量子通量密度PPFD （mol/（m2s）

14、； Pmax為光飽和時的最大凈光合速率（mol/（m2 s）; Rd為葉片的暗呼吸速率（叩ol/（m2s）。氣孔限制值Ls= 1 -Ci/Ca ;其中，Ci為胞間CO2濃度 （科mol -mbl Ca為大氣CO2濃度（科mol - m）ql水分利用效率 WUE =Pn/Tr,光合氮利用效率 PNUE=Pmax/（1/14NmassXLMA）,數(shù)據(jù)用SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析 （One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD） （ p0.05 ）進行多重比較。2結果與分析2.1植物生長實驗初期，對羽茅前期的生長變化分別于5月末和6月中旬進行了測量，羽茅生長前期分篥

15、數(shù)低于3個分篥。5月末，海拉爾的E+羽茅的株高平均值為11.42cm,顯著高于海拉爾 E-的株高，而定位站的E+羽茅和E-羽茅的株高值沒有顯著差異，但定位站E+羽茅的平均株高比海拉爾E+羽茅大5.3%。6月中旬，海拉爾羽茅 E+與E-的株高差異不顯著，而定位站 羽茅的株高值表現(xiàn)為 E-顯著高于E+。5月末和6月中旬，內(nèi)生真菌感染對兩個地理種群的 羽茅葉片數(shù)均無顯著的影響（圖1）。但在羽茅生長末期，不同地理種群內(nèi)生真菌感染對羽茅生物量的分配沒有顯著的影響（圖2）。由月中旬4 0 G2 2 1 CU)妙昌Gq弓1不怵婁“ o o O h * !1a- 1 2 1 口Jaqa %臺1超立古口5月末O

16、 0 0 0 0 0S.4.3.2.1 .O.o o o o _u o Q F20.2.M4.0. ?)右與1AUEE電赧HLEWZP-VZD不同地理種群的用苗架屋狀態(tài)圖1不碘理種群羽茅生長初期的株高,葉片熟的比較*Fig.l riant Height :上af number of 三-and E A.iicutn p：atts m afferent poimlatioEB注:圉中英文字母的異同表示各值之間差患者顯著F七。，未標注表明不顯著下同Nre 3irffTmt lertcTF iTidirarp nkei酉Ur siqnifirinT nfferpr re （0pt）e izifect

17、Lcxi（xi the leaf mass per area in difzerai：第9%ih 工暇期 cf .4 sibiricum2.2羽茅的生理指標2. 2.1羽茅不同生長階段的葉綠素含量6月份定位站E+的葉綠素a含量的平均值為1.99 mg g-1,顯著高于海拉爾的E-植株的葉綠素a含量，并且定位站 E+植株的葉綠素b含量以及總葉綠素含量也分別顯著高于海拉 爾的E-植株的葉綠素含量。各個地理種群內(nèi)的E+與E-羽茅的葉綠素a含量，葉綠素b含量,以及葉綠素a/b和總葉綠素含量在 7月和8月也差異不顯著（表 2）。表2各月份不同地理種群羽茅葉綠素各含量指標（平均值曲準差）Table 2 T

18、he chlorophyll content of A. sibiricum in different months （mean sd） +a(mg -g-1)1b(mg -g-1)a/b(mg -g-1)6 月DWZE+1.99 0.39a0.620.12a3.21 0.112.63 0.51aE-1.61 0.15a0.49 10.03ab3.26 0.122.12 .17abHLEE+1.81b 0.22ab0.54 10.06ab3.35 0.082.38 .27abE-1.50 0.02b0.460.02b3.29 0.091.98 0.04b7 月DWZE+1.88 .040.79

19、0.222.50 0.612.69 0.25E-1.96 .300.620.133.19 0.242.61 0.44HLEE+2.60 .270.790.103.29 0.223.43 0.37E-2.21 .360.790.312.98 0.733.04 0.658 月DWZE+2.33 .130.700.033.34 0.163.06 0.15E-2.28 .050.730.063.13 0.203.04 0.11HLEE+2.08 .160.640.043.25 0.072.75 0.20E-2.10 .240.700.133.03 0.242.83 0.37注：英文字母的異同表示各月同

20、列各值之間差異是否顯著（P0.05）,未標注指不顯著（下同）2.2.2葉片氮含量海拉爾羽茅的葉片氮含量百分比在6月份最低為1.5%, 7月份達到葉片氮含量的最大百分比為2.9%, 8月份略有下降的趨勢；定位站E-羽茅植株N%的變化趨勢與海拉爾的相同，但定位站E+羽茅植株的葉片氮含量變化則相反，并且 7月份海拉爾E+羽茅的N%顯著高于定位站E+羽茅的N%,但同一地理種群中 E+植株的N%與E-植株的N%差異不顯著,這表明不同地理種群中內(nèi)生真菌感染對羽茅葉片中氮含量的影響差異不顯著（圖4）。0 5 o ci - o _s - o -s - o4 3 IF- 2 2 110 0 2S衛(wèi)一voa .鼠

21、 9nsJBaqNlm丸減HrMDWZ+ 口 DWZ BHLE+ DHLE6 月 June 7月 July 8 月 August力同月伶Diifet ent months圖4內(nèi)牛真菌感染對不同生長階段羽茅葉片氮含量的影響Fig.4 Eliect of aid ophy te uiiec tion on die mtrogci content in diiiaeiit ero1h 4 agesof J xihirit run光合氮利用效率兩個地理種群的羽茅的 PNUE在6月份都高于7月和8月，6月份，定位站 E-羽茅的PNUE顯著高于E+,與此不同的是，海拉爾 E+羽茅的PNUE顯著高于E-。7

22、月份，兩個地 理種群羽茅的PNUE的變化相同，均是 E-植株的PNUE顯著高于E+植株。8月份，定位站E+羽茅的PNUE顯著高于E-,這與前兩個月的結果相反，而海拉爾E-的PNUE仍然顯著高MOO.OG1200Qho。0 9n 0 9 o-o.仆o.o.So o o6 4- owroJomF ,CJmLHv層 l&ci.E 一=1orwzi ODVJZ. IZJE nUILE-于E+。（圖5）6月June_TBJuK SflAuwisi不同目價心|恨uitnis】血-國同地理種群內(nèi)生真菌感染對羽茅光合氮素利用效率的影響Fifl 5Effect of aidcphytc infection on

23、 the photo nthctit nitroacihi 疝,勺】cy of.4 sibiriatm in different eophi( 口opul浦ion*羽茅各生長階段的光合特征6月份，海拉爾 E+羽茅的 WUE比E-植株高40.6%,且E+植株的 WUE顯著高于E-羽 茅，但是定位站 E+植株和E-植株的 WUE差異不顯著。7月份，兩個地理種群內(nèi) E+植株和 E-植株的光合生理指標均沒有顯著差異。8月份，海拉爾羽茅的 Pn, Tr, Gs都是E-羽茅顯著高于E+,定位站的羽茅除了 Gs是E-顯著高于E+, WUE是E+顯著高于E-外，其余指標在E+和E-植株之間仍無顯著差異（表 3

24、）。表3各月份不同地理種群羽茅的光合指標(平均值步準差)Table 3 Values of photosynthetic and related parameters of Achnatherum sibiricum in different geographic populations and different months (mean sd) +Pn(g - mol2ns1)Tr(mmol m-2 s-1)Gs (mol m-2 s-1)CO2濃度Ci-1、.(g - mol - molWUE(mmolCO2 mmol-1H2O)值Ls6月DWZE+ 10.19 5413.17 1.17

25、0.17 0.06218.08 45.190.280.122.86 1.38abE-9.09 4.812.83 1.180.14 0.06282.75 51.980.280.142.81 1.58abHLEE+ 10.90 5.102.43 1.480.16 0.10273.42 58.190.320.154.16 2.11aE-7.38 4.482.76 1.130.16 0.07306.17 39.640.230.102.47 29b7月DWZE+ 4.11 209b1.32 0.25b0.08 10.01c284.30 44.110.250.122.99 1.62E- 7.55 3.78

26、ab1.63 0.45ab0.10 .03bc255.30 56.060.330.154.30 2.06HLEE+ 8.59 4.09a1.81 0.26a0.14 10.02a284.10 47.330.270.114.52 2.02E-9.72 4.90a2.00 1.69ab0.13 .05ab266.80 52.730.310.144.33 2.178月DWZE+ 9.74 4.33a1.42 0.51ac0.12 10.03b249.55 63.530.370.166.82 3.31aE-7.63 3.80a1.92 0.45a0.15 10.03a290.55 41.470.250

27、.113.79 75bHLEE+ 3.96 212b0.64 0.15d0.07 10.02c293.36 45.580.260.115.84 2.99abE-7.00 d3.22a0.94 垃27bc0.09 此03b269.64 妗5.650.32 垃167.13 B99a3討論與結論天然禾草-內(nèi)生真菌共生體的相互作用與所處的環(huán)境條件密切相關。Morse等研究表明，在較為干旱的條件下，感染Neotyphodium內(nèi)生真菌的亞利桑那羊茅表現(xiàn)出更高的水分利用效 率，而當水分條件較好的時候 E-植株的WUE反而高于E+植株11。本研究結果表明，6月份海 拉爾E+羽茅的水分利用效率顯著高于 E-植

28、株，但是定位站E+和E-羽茅的水分利用效率差異 不顯著（表3）。這說明內(nèi)生真菌與宿主植物的相互關系跟宿主植物的原生境有關，它們之 間的相互作用可能是長期的自然選擇的結果。內(nèi)生真菌會隨著宿主植物的異性雜交和自然環(huán)境而改變，內(nèi)生真菌也會出現(xiàn)相對較高的遺傳多樣性，因此，內(nèi)生真菌與宿主植物之間的相互作用是有巨大變化的，不能簡單的通過內(nèi)生真菌感染與否來預測結果，也可能與宿主的基因型有關，例如Cheplick等研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫和恢復后，內(nèi)生真菌感染對宿主黑麥草沒 有正效應，顯著降低了植株的分篥數(shù)，黑麥草的基因型是影響植株生長的主要原因，而非內(nèi)生真菌感染12,關于宿主的基因型對羽茅-內(nèi)生真菌共生體相互作

29、用的影響還有待進一步研 究。天然禾草-內(nèi)生真菌共生體在羽茅的各生長發(fā)育階段會出現(xiàn)不同的作用結果。林楓等對 羽茅在不同地理種群的原位觀察中也發(fā)現(xiàn)，在其中的羊草樣地和西烏旗樣地中E+羽茅植株的凈光合速率顯著高于 E-羽茅，而在霍林河樣地中二者的差異則不顯著，3個樣地中內(nèi)生真菌對宿主羽茅的蒸騰速率、氣孔導度、光能利用效率、水分利用效率均無顯著影響13。而本研究得出兩個地理種群內(nèi)E+植株與E-植株的Pn, Tr, Gs, Ci在6月份和7月份均無顯著 差異。8月份，海拉爾羽茅的Pn, Tr, Gs都是E-羽茅顯著高于E+,定位站的羽茅除了 Gs是 E-顯著高于E+, WUE是E+顯著高于E-外，其余指

30、標在E+和E-植株之間仍無顯著差異。這些 結果的不同可能是因為選取的羽茅所處的生長發(fā)育階段不同， 以及本實驗在田間栽培條件下 不同生長階段羽茅染菌與未染菌植株間的光合特性差異，與原位觀察有一定的差別。PNUE是一個與葉片生理、形態(tài)及適應環(huán)境機制有關的重要指標，植物 PNUE較高，表 明其生長較快，生產(chǎn)力較高14 。本實驗結果表明，6月份是羽茅生長速度相對最快的時期，此時植株的PNUE很高，7月和8月生長速度逐漸變緩慢，內(nèi)生真菌對海拉爾羽茅PNUE的正效應主要表現(xiàn)在6月份，而在8月份，內(nèi)生真菌對定位站羽茅的PNUE有顯著的促進作用。這表明內(nèi)生真菌對羽茅光合氮利用效率的影響與不同地理種群有關， 而

31、且這種影響與羽茅所處 的生長階段密切相關。 綜上所述，在不同地理種群的研究水平下，Neotyphodium 內(nèi)生真菌感染對天然禾草羽茅生長和光合特性的影響， 不僅與其是否染菌有關， 而且與植物的原生生境有關， 并且隨著羽 茅的不同生長階段，這種影響也不一致。 參考文獻 (References)鄒文欣,譚仁祥. 植物內(nèi)生菌研究新進展. 植物學報 J ， 2001, 43(9): 881892ZOU W X, TAN R X, Recent Advances on Endophyte Research. Acta Botanica Sinica J, 2001,43(9): 881892.(in

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