引用本文
徐冬梅, 贺忠群, 赵英鹏, 王一鸣, 龙胜举. 低温胁迫下AMF对景天三七生长和生理特性的影响. 草业科学, 2016,33(12):2452-2464
Xu Dong-mei, He Zhong-qun, Zhao Ying-peng, Wang Yi-ming, Long Sheng-ju. Effects of arbuscular mycorrhizal fungi on growth and physiological characteristics of Sedum aizoon under low temperature stress. Pratacultural Science,2016,33(12): 2452-2464  
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《草业科学》编辑部
低温胁迫下AMF对景天三七生长和生理特性的影响
徐冬梅1,2, 贺忠群1, 赵英鹏1, 王一鸣1, 龙胜举1
1.四川农业大学园艺学院,四川 成都 611134
2.绵阳农业科学研究院,四川 绵阳 621023
贺忠群(1971-),女,四川成都人,教授,博士,主要从事蔬菜逆境生理与设施园艺方面的研究.E-mail:[email protected]

第一作者:徐冬梅(1986-),女,四川绵阳人,硕士,主要从事园艺植物栽培生理研究E-mail:[email protected]

收稿日期: 2016-07-22
基金: 四川省教育厅项目(10ZB044)
摘要

以景天三七(Sedum aizoon)为试材,接种丛枝菌根真菌(AMF)后,再进行低温处理(0 ℃、5 ℃、10 ℃,以25 ℃为对照),在低温处理2、4、6、8和10 d后对生长指标和相对电导率、丙二醛(MDA)含量、抗氧化酶活性、脯氨酸(Pro)含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量和叶绿素荧光参数进行测定,旨在探讨低温胁迫下接种AMF对景天三七生长和生理特性的影响。结果表明,低温胁迫抑制了AMF(Glomus mosseae)对景天三七根系的侵染能力和菌根的相对依赖性。与未接种对照相比,接种AMF的景天三七在株高、根长、干鲜重等方面有明显增加,0 ℃低温下增长效应更明显,总干重比未接种对照增加了75.38%;低温胁迫下景天三七相对电导率、MDA含量和Pro含量随胁迫温度的下降和胁迫时间的延长而增加;超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和可溶性蛋白含量则呈先上升后下降的趋势;叶绿素含量和PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)呈下降趋势。与未接种对照相比,接种AMF能显著抑制低温下景天三七细胞膜透性和MDA含量的升高,显著提高景天三七体内SOD、POD和CAT的活性,诱导产生更多的可溶性蛋白和脯

关键词: 丛枝菌根真菌; 景天三七; 低温胁迫; 生理特性
中图分类号:S567.23+9 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0022
Effects of arbuscular mycorrhizal fungi on growth and physiological characteristics of Sedum aizoon under low temperature stress
Xu Dong-mei1,2, He Zhong-qun1, Zhao Ying-peng1, Wang Yi-ming1, Long Sheng-ju1
1.College of Horticulture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611134, China
2.Mianyang Agricultural Science Research Institute, Mianyang 621023, China
Corresponding author:He Zhong-qun E-mail:[email protected]
Abstract

We used Sedum aizoon to determine the growth index, relative conductivity, malondialdehyde (MDA) content, antioxidant enzyme activity, proline content, soluble protein content, chlorophyll content, and chlorophyll fluorescence parameters following low temperature stress (0, 5, 10, and 25 ℃) for 2, 4, 6, 8, and 10 d after inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). The results showed that mycorrhizal colonization abilities and mycorrhizal dependency were significantly (P<0.05) inhibited by low temperature. Low temperature stress significantly inhibited the growth of S. aizoon, and the plant height, stem diameter, and root length growth were significantly greater than in the normal control. The growth effect was greater under 0 ℃ temperature stress, and total dry weight was 75.38% greater than that of the non-AMF treatment. Under low temperature stress, relative conductivity, MDA content, and proline increased as temperature decreased and the stress time increased. Superoxide dismutase(SOD) activity, peroxidase(POD) activity, catalase(CAT) activity, and soluble protein showed a decreasing trend after an initial increase. Furthermore, chlorophyll content and Fv/Fm declined. Compared with the non-AMF treatment, AMF inoculation significantly inhibited the increase in relative electric conductivity and MDA content, significantly improved antioxidant enzyme activity, such as SOD, POD, and CAT, and induced greater soluble protein and proline content. It also indicated that Fv/Fm in AMF plants was significantly higher than that in the non-AMF plants. Therefore, AMF could greatly enhance the low temperature tolerance of S. aizoon and reduce damage from low temperature stress.

Keyword: arbuscular mycorrhizal fungi; low temperature stress; Sedum aizoon; physiological and biochemical characteristics

景天三七(Sedum aizoon)也称养心菜, 为景天科(Crassulaceae)多年生肉质宿根草本, 是一种药食及园林绿化兼用植物。其植株低矮, 株型紧凑, 叶肉质, 成熟时开金黄色小花, 花期长, 整株植物绿色期长, 自然形状整齐美观, 是园林绿地做地被、矮篱、镶边、组织图案或做花坛、花境的优质材料。近年来其作为一种轻型屋顶绿化植物用于城镇生态绿化工程。但景天三七最适合生长的温度为18~25 ℃, 生长期3月-9月, 10月或11月后地上部分枝叶逐渐枯黄, 以宿根越冬, 次年3月在根茎外萌生新芽[1, 2]。低温是影响景天三七冬季生长发育的重要环境因子之一, 是阻碍其四季常绿的关键问题。目前, 国内外对景天三七的研究主要集中在化学成分分析[3, 4, 5]、药理学[6, 7]、显微解剖[8, 9]、组织培养[10, 11]和栽培管理技术[2, 12, 13]等方面, 而关于景天三七的耐寒性研究较少。因此, 研究景天三七对低温胁迫的生理响应机制, 寻求适当的调控措施来提升其对低温胁迫的抗性和恢复能力, 对实现其四季常绿具有重要意义。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一种能与陆地上90%以上的植物根系形成互惠共生体的内生真菌[14]。丛枝菌根真菌侵染根系后可促进寄主植物对水分及营养元素的吸收, 可使寄主植物的地上和地下的形态结构均发生变化, 并且其生理生化活动也会受到影响, 从而促进植物生长, 增加碳水化合物、叶绿素和蛋白质含量等, 加强植物的抗氧化防御机制, 增强植物的抗逆性。近年来有研究认为, 接种AMF可提高植物的耐寒性, 如接种AMF可提高玉米(Zea mays)、韭菜(Allium tuberosum)、茄子(Solanum melongena)、菜豆(Phaseolus vulgaris)和君迁子(Diospyros lotus)等的抗低温能力[15, 16, 17, 18, 19, 20]。目前, 关于接种AMF对景天植物耐寒性的研究尚未见报道。因此, 本试验将AMF接种到景天三七, 从生理机理上探讨接种AMF对低温胁迫下景天三七生长和生理特性的影响, 以期为AMF推广应用到景天三七的生产实践提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料

供试植物为景天三七, 采自四川农业大学实验农场。

供试菌种为丛枝菌根摩西球囊霉(Glomus mosseae), 由中国农业科学院蔬菜研究所提供。

1.2 试验设计

选择健壮、无病虫害的景天三七茎剪成5~6 cm、带4~5个腋芽的茎段, 扦插入30孔营养盘中, 扦插基质为珍珠岩, 扦插期间按常规管理。扦插后一次性浇透水, 每两天进行一次补水; 气温高于25 ℃时应每天进行补水; 保持基质相对湿度在65%~75%。若烈日暴晒、光照过强则需用遮阳网进行遮阴。30 d后选择生长一致的景天三七扦插苗(根系用自来水冲洗干净)进行定植。定植于10 cm× 10 cm的营养钵中, 每钵一株, 定植前营养钵用75%酒精擦洗消毒; 定植基质为腐殖质土和园土按1∶ 1比例(质量比)混匀后于烘箱中160 ℃高温灭菌2 h, 自然冷却后继续在160 ℃烘2 h放凉[21]。接种处理同时进行定植, 接种AMF(AM)处理采用层施法, 每钵施接种物20 g; 未接种对照(NAM)为每钵加等量灭菌接种物, 以保证根际环境一致; 常温下统一进行肥水管理, 接种处理10 d左右喷施1%的磷酸二氢钾和0.5%的尿素, 每个处理保持浇水量一致。

植株长至20 cm左右时, 将上述景天三七植株移入人工气候箱(GZ-380-GSI), 进行低温胁迫处理。胁迫处理温度为0 ℃、5 ℃、10 ℃, 以25 ℃为对照(CK1和CK2)。同一个温度水平下设不接种(NAM)和接种(AM)两个处理, 共8个处理, 每个处理10盆, 3次重复; 人工气候箱内光照强度为10 000 lx, 光周期12 h/12 h(昼/夜), 相对湿度70%。

分别在低温胁迫处理前(0 d)和处理结束(10 d)后, 取植株根系观察菌根侵染效果, 计算菌根侵染率; 测定各处理植株株高、茎粗等形态指标和地上与地下部分干重和鲜重, 并计算菌根依赖性。在低温处理0、2、4、6、8、10 d时测定叶绿素荧光参数, 并取叶样, 部分叶样立即用于测定细胞膜透性和叶绿素含量, 其余叶样分装后保存于超低温冰箱(-80 ℃)中, 用于测定丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、可溶性蛋白和游离脯氨酸(Pro)含量。取样方法为叶片样取自顶部向下第3-6片功能叶。

1.3 测定方法

根据预试验确定景天三七低温处理的时间以10 d较好, 10 d后0 ℃处理的植株地上部有很明显的冷害症状, 5、10 ℃未出现冷害症状。因此, 本试验在低温胁迫处理前(0 d)和处理结束(10 d)时, 用直尺和游标卡尺测量植株的株高、茎粗、根长; 分别取植株地上部和地下部, 用去离子水冲洗干净擦干后, 分别称鲜重, 105 ℃杀青15 min, 75 ℃烘至恒重, 称干重。取景天三七根系测定菌根侵染率和菌根依赖性, 菌根侵染率参照Phillips和Hagman[21]的方法, 用曲利苯蓝(Trypan blue)溶液染色, 固定, 电镜下观察菌根侵染情况。菌根相对依赖性参照Plenchette等[22]的方法计算。公式如下。

菌根侵染率=(丛枝菌根感染的根段长度/检查根段的总长度)× 100%;

菌根依赖性=[(接种处理干重-不接种处理干重)/接种处理干重]× 100%。

细胞膜透性采用李合生[23]的相对电导率法测定; MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[23]; SOD活性采用氮蓝四唑法[23]测定; POD活性采用愈创木酚法[23]测定; CAT活性采用紫外分光光度法[23]测定; 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法[23]测定; Pro含量采用酸性茚三酮比色法[23]测定; 叶绿素含量采用李合生[23]的乙醇提取法; 叶绿素荧光动力学参数测定采用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM-2500)测定。

试验数据采用Microsoft Excel 2007、DPS 7.05统计软件完成, 差异显著性采用Duncan’ s新复极差法测验分析。

2 结果
2.1 低温胁迫下AMF对景天三七菌根侵染率、干鲜重和菌根依赖性的影响

低温胁迫处理前, 接种AMF的景天三七菌根侵染率达69.17%, 未接种根系未发现丛枝菌根结构(表1); 与未接种对照相比, 接种处理地上部和地下部的鲜重分别增加了56.19%和63.04%, 地上部和地下部干重分别增加了40.91%和65.00%, 接种处理与未接种对照间差异显著(P< 0.05)。与25 ℃相比, 0、5和10 ℃条件下菌根侵染率分别下降了37.26%、22.53%和12.72%, 菌根依赖性分别下降了34.65%、24.53%和13.71%。这说明虽然低温胁迫降低了AMF对景天三七根系的侵染率和菌根依赖性, 但是AM真菌显著提高了植物在低温下的生长。低温胁迫10 d时, 0、5及10 ℃低温处理下接种处理与未接种相比在一定程度上提高了景天三七的的干鲜重, 特别是在0 ℃下接种使景天三七地上部鲜重和地上部干重分别比未接种增加106.06%和68.12%, 说明低温胁迫显著降低了景天三七地上部和地下部鲜重和干重。

表1 低温胁迫下AMF对景天三七菌根侵染率、干鲜重和菌根依赖性的影响 Table 1 Effects of arbuscular mycorrhizal fungi(AMF) on mycorrhizal colonization, fresh mass, dry mass, and mycorrhizal dependence of Sedum aizoon under low temperature stress
2.2 AMF对低温胁迫下景天三七生长的影响

25 ℃处理10 d时, 接种AMF的景天三七苗的株高、茎粗和根长显著高于未接种对照(P< 0.05), 分别提高了30.46%、12.38%和33.54%。无论接种与否, 不同低温胁迫明显抑制了景天三七苗的生长, 0 ℃低温处理表现更明显。0 ℃低温胁迫10 d时, 未接种AMF的景天三七苗的株高、茎粗、根长分别为未接种对照(CK1)的86.95%、90.48%和85.22%, 接种AMF的景天三七苗的株高、茎粗、根长分别为对照(CK2)的84.16%、91.24%和85.70%(表2)。景天三七生长量虽然在低温处理下较对照显著减少, 但接种AMF显著促进了低温胁迫下景天三七的生长。0 ℃低温条件下, 接种株的株高、茎粗和根长分别比未接种株增加了26.27%、13.33%和34.28%, 表明接种AMF可促进低温下景天三七的生长, 减缓低温对景天三七的伤害。

表2 低温胁迫下AMF对景天三七株高、茎粗、根长的影响 Table 2 Effects of AMF on height, diameter, root length of Sedum aizoon under low temperature stress
2.3 低温胁迫下AMF对景天三七叶片细胞膜透性的影响

在正常温度(25 ℃)下, 随着时间的延长, 未接种处理(NAM)和接种处理(AM)的景天三七叶片细胞膜透性没有明显变化(表3)。但随着温度的降低, 景天三七细胞膜透性逐渐增大, 并随低温胁迫时间的延长大体增加。无论接种与否, 景天三七叶片细胞膜透性在低温胁迫2~6 d期间呈急剧上升趋势。0、5、10 ℃低温胁迫10 d时未接种处理的景天三七叶片细胞膜透性分别为55.63%、48.07%、41.51%, 是0 d 25 ℃未接种处理的2.26倍、1.95倍、1.69倍; 接种处理的景天三七叶片细胞膜透性分别为47.17%、41.69%、35.41%, 是0 d 25 ℃接种处理的2.15倍、1.90倍、1.61倍。在同一低温条件下, 未接种处理的景天三七细胞膜透性显著高于接菌处理的(P< 0.05)。

表3 低温胁迫下AMF对景天三七细胞膜透性(%)的影响 Table 3 Effects of AMF on membrane permeability(%) of Sedum aizoon under low temperature stress
2.4 低温胁迫下AMF对景天三七叶片MAD含量的影响

在常温下, 未接种处理(NAM)和接种处理(AM)的景天三七叶片中MDA含量相对比较稳定(表4)。低温下, MDA含量增加, 并随着低温胁迫时间的延长, 无论接菌与否, 景天三七叶片中的MDA含量均不断积累, 总体呈逐步上升趋势, 并且未接菌处理的景天三七叶片中MDA含量上升趋势比接种处理明显。在同一低温条件下, 接种株叶片中的MDA含量均基本显著低于未接种株的(P< 0.05)。低温0、5、10 ℃胁迫10 d时, 未接种处理叶片的MDA含量分别是接种处理的1.44倍、1.48倍、1.50倍。可见, 接种AMF能显著抑制MDA含量的上升。

表4 低温胁迫下AMF对景天三七MDA含量(%)的影响 Table 4 Effects of AMF on malondialdehyde(MDA) content(%) of Sedum aizoon under low temperature stress
2.5 低温胁迫下AMF对景天三七叶片抗氧化酶活性的影响

在常温下(25 ℃), 与未接种处理相比, 接种AMF处理的景天三七叶片SOD、POD和CAT活性均显著上升(P< 0.05)(表5)。低温胁迫下, 无论接菌与否, SOD活性随胁迫时间的延长先呈逐渐上升的趋势, 后又下降最后总体上趋于平稳; POD活性呈升高-降低-升高-降低的趋势; CAT活性呈先升高后降低的趋势。同一低温条件下, 与不接种处理相比, 接种处理的SOD、POD和CAT活性均显著高于未接种处理(P< 0.05)。0 ℃胁迫6 d时, 无论接种与否, 景天三七SOD活性较高, 其未接种处理的SOD活性较同期25 ℃未接种处理高56.64%, 较同期0 ℃接种处理低18.65%。0 ℃胁迫4 d时, 无论接种与否, 景天三七POD活性较高, 未接种处理的POD活性较同期25 ℃未接种处理高83.07%, 较同期0 ℃接种处理的低18.29%。0 ℃胁迫8 d时, 无论接种与否, 景天三七CAT活性较高, 未接种处理的CAT活性较同期25 ℃未接种处理高61.61%, 较同期0 ℃接种处理的低26.35%; 而到胁迫10 d时, CAT活性显著降低。

表5 低温胁迫下AMF对景天三七SOD、POD和CAT活性的影响 Table 5 Effects of AMF on superoxide dismutase(SOD), peroxidase(POD) and catalase(CAT) activity of Sedum aizoon under low temperature stress
2.6 低温胁迫下AMF对景天三七叶片渗透调节物质的影响

2.6.1 低温胁迫下AMF对景天三七叶片可溶性蛋白含量的影响 在正常温度(25 ℃)下, 接种处理的景天三七叶片可溶性蛋白含量显著高于未接菌处理(P< 0.05)(表6)。在5和10 ℃低温胁迫下, 无论接种与否, 景天三七叶片内可溶性蛋白含量随着胁迫持续时间的延长呈先升高后降低的趋势; 而在0 ℃低温胁迫下, 随胁迫持续时间延长呈下降趋势。

表6 低温胁迫下AMF对景天三七可溶性蛋白含量(mg· g-1)的影响 Table 6 Effects of AMF on soluble protein content(mg· g-1) of Sedum aizoon under low temperature stress

无论接种与否, 0 ℃胁迫2 d时, 景天三七可溶性蛋白含量较高, 其未接种处理的可溶性蛋白含量较同期25 ℃未接种处理高58.17%, 接种处理的可溶性蛋白含量较同期25 ℃接种处理高45.24%。无论接种与否, 5和10 ℃胁迫4 d时, 景天三七可溶性蛋白含量较高, 其未接种处理的可溶性蛋白含量较同期25 ℃未接种处理分别高33.14%和25.74%, 接种处理的可溶性蛋白含量较同期25 ℃接种处理分别高30.02%和16.77%。在同一低温胁迫下, 接种处理的景天三七叶片可溶蛋白含量显著高于未接种处理(P< 0.05)。低温0、5、10 ℃胁迫10 d时, 接种处理的景天三七叶片可溶性蛋白含量比未接种处理分别高9.73%、6.48%和18.53%。

2.6.2 低温胁迫下AMF对景天三七叶片游离脯氨酸含量的影响 在正常温度(25 ℃)下, 接种处理的景天三七叶片游离脯氨酸含量高于未接种处理(表7)。无论接种与否, 景天三七叶片游离脯氨酸含量随着低温胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长大体呈逐渐升高的趋势。0、5和10 ℃低温胁迫10 d时, 未接种处理的景天三七叶片游离脯氨酸含量分别比同期25 ℃未接种处理高177.35%、108.35%、31.52%, 接种处理的的景天三七叶片游离脯氨酸含量分别比同期25 ℃接种处理高223.87%、115.26%、33.90%。在同一低温条件下, 接种处理的景天三七叶片中游离脯氨酸含量显著高于未接种处理(P< 0.05)。低温0、5、10 ℃胁迫10 d时接种处理的景天三七叶片游离脯氨酸含量比未接种处理分别高34.24%、18.76%和17.03%。可见, 接种AMF可使低温下的景天三七具有更多的脯氨酸, 进而能更为有效地减缓低温对景天三七的胁迫。

表7 低温胁迫下AMF对景天三七游离脯氨酸含量(mg· g-1)的影响 Table 7 Effects of AMF on Pro content(mg· g-1) of Sedum aizoon under low temperature stress
2.7 低温胁迫下AMF对景天三七叶绿素含量的影响

常温(25 ℃)下, 接种AMF提高了景天三七叶片的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量; 无论接种与否, 在不同低温胁迫下景天三七叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量均低于对照, 并随低温胁迫时间的延长而逐渐降低(表8)。0 ℃低温胁迫10 d时, 未接种处理叶片的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量分别比同期25 ℃未接种处理低44.56%、37.69%和42.75%。在同一低温条件下, 接种处理的景天三七叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量明显高于未接种处理。在0 ℃低温下, 接种处理的景天三七叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的含量在胁迫10 d时比未接种处理的分别高10.82%、9.50%和10.44%。说明接种AMF可以通过提高景天三七叶片内的光合色素的含量, 促进景天三七的光合作用, 提高其耐寒性。

表8 低温胁迫下AMF对景天三七叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的影响 Table 8 Effects of AMF on chlorophyll a, chlorophyll b, and total chlorophyll of Sedum aizoon under low temperature stress
表9 低温胁迫下AMF对景天三七Fo和Fv/Fm的影响 Table 9 Effeets of AMF on Fo and Fv/Fm of Sedum aizoon under low temperature stress
2.8 低温胁迫下AMF对景天三七叶绿素荧光参数的影响

无论接种AMF与否, 景天三七叶片初始荧光(Fo)均随温度的降低而升高, 并随低温胁迫时间的延长而升高; 同一温度下, 与不接种处理相比, 接种处理的景天三七叶片Fo均显著低于未接种处理(P< 0.05)。0、5和10 ℃低温胁迫10 d时, 接种处理的景天三七叶片Fo分别比同期25 ℃接种处理高65.90%、48.95%和36.76%, 分别比同期0、5和10 ℃未接种处理低8.89%、8.65%和5.90%(表9)。无论接种AMF与否, 景天三七的PS Ⅱ 原初光能转化效率(Fv/Fm)随温度的降低而下降; 同一温度下, 与不接种处理相比, 接种AMF的景天三七Fv/Fm均高于未接种处理, 除0 ℃低温胁迫2 d时, 接种处理和未接种处理的Fv/Fm差异不显著外, 其余温度下均达显著水平(P< 0.05)。0、5和10 ℃低温胁迫10 d时, 接种处理的景天三七Fv/Fm分别比同期25 ℃接种处理下降了26.55%、18.67%和13.21%, 分别较同期0、5和10 ℃未接种处理提高了2.19%、2.13%和1.42%(表9)。

3 讨论与结论

温度能够影响AMF的发育和活力。低温胁迫降低AMF侵染率在多种植物中被广泛发现。如在10 ℃下AMF对高粱(Sorghum bicolor)根系的侵染率几乎降为0[24]; AMF在低温(15、5 ℃)下对玉米的侵染率比常温(25 ℃)下低, 低温能抑制AMF对玉米的侵染[25]。本研究表明, 低温胁迫明显降低了摩西球囊霉对景天三七根系的菌根侵染率, 这与前述研究结果一致。低温胁迫对景天三七地上和地下部分干鲜重均有一定的抑制作用, 温度越低, 抑制作用越明显; 接种摩西球囊霉能够明显减缓低温胁迫对景天三七地上部生长的抑制效应。

低温胁迫常导致植物碳同化降低, 维持生长的能耗增加, 一般会使植株生物量减少, 即直接表现在植物的株高、茎粗、根长、干鲜重上。接种AMF可促进多种植物在逆境下的生长发育。在低温处理(昼/夜, 15/10 ℃)6 d下, 接种AMF的黄瓜(Cucumis sativus)幼苗的株高增长量, 茎粗增长量, 地上部和地下部干、鲜重的增长量均显著高于未接菌对照[26]。本研究结果也表明, 与未接种对照相比, 低温胁迫下, 接种AMF能显著促进景天三七的生长。

植物在低温下受到伤害的重要原因是低温改变植物细胞膜透性[27]。植物在正常条件下生长, 叶片细胞膜透性很小。在低温胁迫下植物细胞膜透性会不同程度的增大, 导致电导率升高。MDA的含量反映细胞膜过氧化作用强弱和质膜的损伤程度, 在一定程度上可反映植物耐受逆境的能力[28]。植物受到逆境伤害时, 植物体内MDA含量会升高, 导致植物细胞膜系统受到伤害。本研究结果表明, 低温下景天三七叶片的相对电导率升高, 细胞膜透性增大, MDA含量升高, 说明低温对景天三七细胞膜造成不同程度的损伤。这与对低温胁迫下4种景天属植物生长和生理变化的研究结果[29]类似。而接种AMF能通过自我调节机制, 降低景天三七细胞膜质膜透性和MDA含量, 减缓相对电导率上升, 减轻景天三七细胞膜的损伤, 使其耐寒性提高。这与在不同温度下对菌根化玉米的研究[30]结果一致。

SOD、POD 和CAT是植物体内的活性氧清除剂。SOD的主要功能是清除 O2-产生H2O2和氧分子, 而POD和CAT可以清除体内的H2O2, 防止H2O2和 O2-相互作用, 从而维持体内的活性氧代谢平衡。低温下胁迫会破坏植物体内的这种平衡体系, 造成植株体内活性氧积累, 从而导致膜通透性增加和代谢紊乱, 致使植物受伤害。在目前的相关报道中, 对其与逆境的相关生理已有大量报道。但在低温胁迫下, 抗氧化酶对低温的应答反应, 目前的报道仍不一致[31, 32]。韩冰等[33]研究发现, AMF可以增加低温胁迫下黄瓜幼苗SOD、CAT、POD的活性, 降低MDA含量。本研究结果同样表明, 接种摩西球囊霉可以大幅提高低温胁迫下景天三七叶片SOD、POD、CAT的活性, 能够更有效地清除活性氧, 降低质膜过氧化程度, 维持细胞膜的完整性。

游离脯氨酸和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质, 维持细胞内的代谢平衡[34]。本研究中低温处理下景天三七叶片游离脯氨酸和可溶性蛋白含量均显著高于常温对照, 且接种AMF可使低温处理下游离脯氨酸和可溶性蛋白含量进一步升高, 这与在彩叶草(Coleus blumei)上的研究结果[19]是一致的。

植物进行光合作用的主要色素是叶绿素和类胡萝卜素。低温下植株的叶绿素含量降低, 而接种AMF可提高低温胁迫下植株叶片的叶绿素含量[35]。本研究结果也证明了这一点。接种AMF菌剂摩西球囊霉可增加低温胁迫下景天三七的叶绿素含量。这可能是因为叶绿素含量减少使植物不能吸收较多光能, 最终导致植物光合作用的下降。而接种AMF促进了景天三七叶片叶绿素和类胡萝卜素的合成速率, 加强了营养成分和水分的吸收与转运, 使之有利于菌根植物的气体交换, 从而有利于光合作用。

叶绿素荧光包含了丰富的光合作用信息, 是快速、灵敏、无损伤的研究和探测光合代谢的新手段。Fo表示PSⅡ 所有反应中心处于完全开放状态时的最小荧光产量, 反映PSⅡ 反应中心受到伤害的程度[36, 37]。本研究结果表明, 随着温度的下降和低温胁迫时间的延长, 景天三七叶片Fo逐渐升高, 且同一低温下接种AMF的景天三七Fo低于未接种处理。说明低温胁迫下, 景天三七植株PSⅡ 反应中心受到损伤, 但接种处理的景天三七受到的伤害程度要低于未接种处理。Fv/Fm作为环境胁迫程度的指标和探针, 表示PSⅡ 的最大光能转化效率。本研究中, 低温胁迫可导致 Fv/Fm下降, 而接种 AMF可使低温胁迫下植株的 Fv/Fm得到显著提高。说明低温胁迫下, 接种AMF能够减轻低温胁迫对景天三七叶片PSⅡ 反应中心的伤害, 提高PSⅡ 反应中心活性、电子传递速率和光能转化效率, 从而提高景天三七的光合能力。这与在玉米上的研究结果[25]是一致的。

本研究通过模拟屋顶低温, 探讨接种AMF对低温胁迫下景天三七的生理响应机制, 试验表明低温条件下, 温度越低, 胁迫时间越长, 景天三七受到的伤害越大, 生理活性越低。但是, 接种AMF可以提高景天三七叶片的SOD、POD的活性、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和叶绿素含量, 降低细胞质膜透性和MDA的含量。本研究结果表明, 接种AMF可以通过促进低温胁迫条件下景天三七叶片内叶绿素的生成, 增加低温下景天三七的光合速率; 同时, 促进抗氧化酶活性的提高, 降低细胞膜质的过氧化, 保证低温下细胞的正常代谢活动, 实现景天三七对低温胁迫的抵抗能力的提高。

The authors have declared that no competing interests exist.

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