小麦及其祖先物种的丛枝菌根共生响应研究

发布时间：2020-06-07 04:27

【摘要】：丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌能与小麦根系形成基于碳、氮、磷物质交换的互惠共生体,对小麦的营养吸收、抗病抗逆等具有综合的有益效应。现代普通小麦(六倍体)起源于多个祖先物种,但迄今为止,小麦及其祖先物种与AM真菌的共生关系如何?它们的AM共生响应模式有何异同?是否受土壤氮、磷肥力的调控?这些问题仍未得到科学的回答,严重阻碍了我们从菌根共生角度进行高抗低肥小麦新品种的选育。针对上述问题,本研究以普通小麦(Triticum aestivum)及其祖先物种(包括:拟斯卑尔脱山羊草[Aegilops speltoides]、乌拉尔图小麦[Triticum urartu]、节节麦[Aegilops tauschii]、野生二粒小麦[Triticum turgidum])为研究对象,通过在温室条件下人工接种AM真菌(接菌及不接菌)及施肥处理(未施肥,施氮,施磷及氮磷混施),结合AM侵染率测定、植物性状分析(生物量、氮磷含量)等,研究不同土壤肥力下小麦及其祖先物种与AM真菌的共生关系,揭示这些亲缘植物的AM共生响应模式,并进一步探讨小麦菌根依赖性的可能性遗传来源,为基于AM共生体的小麦育种提供科学依据。主要研究结果如下:(1)接种AM真菌后,各供试植物材料均被AM真菌侵染,但施肥对不同物种的AM真菌指标的影响各异。从单物种水平来看,施肥显著降低了节节麦和普通小麦根系中的AM真菌总侵染率,但对山羊草、乌拉尔图小麦和野生二粒型小麦则无显著影响。双因素方差分析表明,施肥及物种对丛枝侵染率、泡囊侵染率和孢子密度均有显著影响(all P0.03),且丛枝侵染率、孢子密度及根外菌丝密度受施肥和物种的交互影响(all P0.01)。(2)不同物种的生物量及氮磷含量均受施肥处理的显著影响,施氮及氮磷混施能显著提高多数物种的总生物量及氮含量。接种AM真菌显著提高了山羊草和节节麦的总生物量,提高了节节麦的磷含量,但降低了野生二粒小麦的磷含量。三因素方差分析表明,植物地上生物量、总生物量、根冠比、氮含量和磷含量均受施肥、物种及两者交互的显著影响(all P≤0.005);菌根接种对地下生物量(P=0.056)及植物磷含量(P=0.05)有接近显著的影响,但菌根接种及物种对地上生物量、地下生物量、总生物量、根冠比及磷含量均有显著的交互效应(all P0.03);此外,菌根接种、物种和施肥对植物氮含量(P=0.049)及氮磷比(P=0.002)有三元交互影响。(3)在不同施肥处理下,不同物种的菌根响应模式各异。在未施肥处理下,野生二粒型小麦的菌根生长响应(MGR)为显著负效应(表明AM真菌抑制植物生长),节节麦和山羊草的菌根氮吸收响应(MNR)为显著正效应(表明AM真菌促进植物氮吸收);在施氮处理下,小麦的MGR和MNR均为正效应;在施磷处理下,小麦的MGR和菌根磷吸收响应(MPR)均为负效应,但山羊草的MGR则为正效应;在氮磷混施处理下,节节麦的MGR、MNR和MPR均为正效应,但山羊草的MGR和野生二粒小麦的MNR和MPR均为负效应。聚类分析表明,普通小麦和节节麦的菌根响应性关系较近,暗示了普通小麦的菌根依赖性的遗传来源可能是节节麦。上述研究结果表明,小麦及其祖先物种与AM真菌的相互关系各异,AM真菌对宿主植物生物量及营养吸收的作用受土壤肥力的调控。此外,本研究结果还表明,现代小麦的菌根依赖性可能来源于节节麦。本研究为小麦育种与共生微生物交叉研究开拓新的思路,为基于AM共生体的小麦品种选育提供科学依据。
【图文】：

图 1 丛枝菌根的典型结构-丛枝（a）和泡囊（b）. 图片由赵亚楠拍摄Fig. 1 Typical structures of arbuscular mycorrhizal Arbuscular (a) and Vesicular (b) .Pictureby ZhaoYananAM 真菌通过菌丝在生态系统中发挥了重要作用(Rillig, 2004)。根外菌丝通过形成水稳定的大团聚体来维持土壤结构(Rillig et al., 2010)，并且 AM 真菌的根外生物量与土壤的有机碳、有机氮含量都有较强的正相关作用(Wilson et al.,2009)。Fellbauma et al. (2012) 认为，AM 真菌能将大部分的矿质营养元素转运到植物，并且 AM 真菌产生的球囊霉素为土壤碳固持做了重要贡献 (Rillig, 2002) 。有研究表明，，菌根途径对植物磷的贡献率可高达 100%，对植物锌的贡献率可达25% (Ma et al., 2019)，并且可为宿主植物提供多种益处，例如：增强宿主植物的抗旱性和抗病性(Hage-Ahmed et al., 2019)。AM 真菌能与大多数农作物形成互惠共生体，基于其对农作物的益处，AM 真菌常被用作农业和园艺中的生物肥料(Hamel, 1996)。近年来，农业生态对 AM 真菌生物肥料的需求也不断增长，生产AM 菌剂的公司数量增加了一倍多(Vosátka et al., 2013)。但与此同时，菌根共生体也受到多种农业实践的影响，如土壤耕作、施肥、农药等(Jansa et al., 2002; Frank

本研究的实验技术路线图
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S512.1;S154.3

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