内生真菌感染对不同地理种群羽茅的生理生态影响

1、内生真菌感染对不同地理种群羽茅的生理生态影响（贾彤任安芝 尹立佳 魏茂英 高玉葆*（南开大学生命科学学院，天津， 300071）摘要：Neotyphodium内生真菌与宿主的共生关系问题一直是一个研究的热点，而实际上二者的关系可能 比认识到的更为复杂。本文为田间盆栽实验，研究了内生真菌对海拉尔种群与锡林浩特定位站种群的羽茅 在不同生长阶段的影响。研究结果表明，Neotyphodium内生真菌对羽茅的影响与宿主羽茅所处的原生生境和不同的生长发育阶段有关，羽茅生长前期，内生真菌显著提高了海拉尔种群植株的株高、比叶重、水分 利用效率以及光合氮利用效率；羽茅生长后期，内生真菌对锡林浩特定位站羽茅的光合

2、氮利用效率有显著 的贡献。感染内生真菌对两个地理种群中羽茅的生物量的分配，叶绿素含量，叶片氮含量都没有显著的影 响。关键词：Neotyphodium内生真菌；羽茅；光合特性；原生生境中图分类号：Q948文献标识码：A 文章编号：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基金项目：国家自然科学基金项目（30970460）;教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目 （20090031110026

7、）;教育部留学回国人员科研启动基金项目（2009-2011）资助作者简介：贾彤（1985-）,女，博士，主要从事禾草-内生真菌关系的研究通信联系人： 高玉葆，教授，植物生理生态学.E-mail: HYPERLINK mailto: 0 引言内生真菌的分布十分广泛，其宿主植物涉及藻类、针叶树、灌木和草本等多个类群，尤以禾本科植物最为常见。从世界范围来看，目前已至少在 80 个属 290 多种禾本科植物中发现有内生真菌1 。 广义的内生真菌指在其生活史一定阶段或全部阶段生活于健康植物各种组织和器官的细胞内部或间隙的真菌， 包括生活史中某一阶段营表面生的腐生真菌， 对宿主暂无伤害的潜伏性病原真菌和菌

8、根真菌2-4 。狭义指生活于健康植物的各种组织和器官的细胞内部或间隙的真菌4 。本研究中，羽茅分离的内生真菌，以菌丝形式定居于宿主植物体内，在自然情况下不产生子座和孢子， 只通过菌丝生长进入宿主植的繁殖器官， 经种子垂直传播，属于狭义的范畴。目前， 对于内生真菌和宿主禾草共生关系的研究绝大多数集中于人工栽培的草坪草和牧草，其中又以高羊茅和黑麦草的研究最多。Hesse等将野外三种不同生境下的感染内生真菌的黑麦草移植室内， 然后干旱胁迫处理， 发现从干旱地区移植的植株在水分充足的条件下，染菌植株（ EI ）的生长速率小于非染菌（EF） ，而在干旱胁迫下，EI 产生的分蘖数多于 EF， 种子产量也较

9、EF 高； 从湿润地区移植的植株， EI 植株比 EF 植株对干旱胁迫更敏感， 这说明内生真菌与宿主植物的相互关系跟宿主植物的原生境有关， 它们之间的共生关系可能是长期的自然选择的结果5 。 White 等6在高羊茅- 内生真菌共生体抗旱性的实验中表明，与未感染（E-）植株相比，感染（E+）植株的叶片加厚变窄，叶片卷曲现象普遍、根系生物量更大并且分布深。羽茅 （Achnatherum sibiricum ）是禾本科芨芨草属的一种多年生草本植物，在内蒙古的各类草场中较为常见 7 。魏宇昆等对中国北方草原56 个样地 175 个种群的禾草进行大规模的内生真菌染菌率调查后发现，羽茅在所有检测的样地都

10、有较高的内生真菌感染率，最高可达100% 8 。通过对羽茅感染的内生真菌菌株进行生物学特征和DNA 分子鉴定，结果发现与羽茅共生的内生真菌与高羊茅、黑麦草感染内生真菌同属于 Neotyphodium 属 9,10 。天然禾草与内生真菌的关系研究较少， 但仅有的结果显示其比较复杂， 从有利到中性到不利均有报道， 那么， 存在于羽茅中的内生真菌与宿主植物的关系究竟如何， 这种关系是否也受到原生生境的影响呢？本实验采用田间栽培的方式， 以两个地理种群不同生长阶段的羽茅为研究对象，测定内生真菌对羽茅的生长及光合特性的影响。试验材料与方法试验材料羽茅种子于2005 年分别采集自内蒙古海拉尔的中国农业科学

11、院呼伦贝尔草原生态系统国家野外实验站 （ HLE ） 和锡林浩特的中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站 （ DWZ ） 。 两个地理种群的生境环境见表1 。 2009 年 4 月选取两个地理种群中饱满成熟的羽茅种子，播种于装满蛭石的花盆中培养。 羽茅长到足够多可检测分蘖后， 进行内生真菌的检测， 确定染菌（E+）和不染菌（E-）的植株，每个地理种群羽茅 30盆，E+和E-植株各15盆，在天 津南开大学校园内的试验田中进行培养，于 2009年5月至IJ 2009年8月末对羽茅E+和E-植株初期的形态变化和末期的生物量进行测定，并且在羽茅不同生长阶段（6月，7月，8月）进行各生理指标的测定。表1

12、羽茅原生生境的自然概况及气候特征Table.1 The habitat characters of the original environment:位置(m)雨量(mm)气温（C）1(h)海拉尔119.40 E49.06 N629350-2.02766暗栗钙土草甸草原割草地，主要生长针 茅、羽茅、冰草锡林浩特116.42 E43.38 N11903502.352256栗钙土浑善达克沙 地边缘围栏以外，以羽茅为主1.2 试验方法在自然CO2浓度条件下（大约为360 dmol?mol）,选择晴朗少云的天气，从9:00am至U12:00am,用LI-6400便携式光合作用测定仪（LI-COR,US

13、A）,选取染菌和不染菌植株新叶完 全展开的第一叶，进行光合光响应测定。光强由 LI-6400-02BLED红蓝光源进行自动控制。 在不同光合有效车射通量密度（PPFD 1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50和0 d mol?m?61）下测定叶片光合速率，每个水平E+和E-羽茅各3个重复。数据处理及分析本研究中Pn对光强的响应符合 Michaelis-Menten的直角双曲线方程，其表达式为：IPmax PnRdmax其中，a为光合速率的光响应曲线的初始斜率，它反映了表观量子效率（AQY） ； I为光量子通量密度PPFD （mol/（m2s）

14、； Pmax为光饱和时的最大净光合速率（mol/（m2 s）; Rd为叶片的暗呼吸速率（叩ol/（m2s）。气孔限制值Ls= 1 -Ci/Ca ;其中，Ci为胞间CO2浓度 （科mol -mbl Ca为大气CO2浓度（科mol - m）ql水分利用效率 WUE =Pn/Tr,光合氮利用效率 PNUE=Pmax/（1/14NmassXLMA）,数据用SPSS13.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析 （One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD） （ p0.05 ）进行多重比较。2结果与分析2.1植物生长实验初期，对羽茅前期的生长变化分别于5月末和6月中旬进行了测量，羽茅生长前期分篥

15、数低于3个分篥。5月末，海拉尔的E+羽茅的株高平均值为11.42cm,显著高于海拉尔 E-的株高，而定位站的E+羽茅和E-羽茅的株高值没有显著差异，但定位站E+羽茅的平均株高比海拉尔E+羽茅大5.3%。6月中旬，海拉尔羽茅 E+与E-的株高差异不显著，而定位站 羽茅的株高值表现为 E-显著高于E+。5月末和6月中旬，内生真菌感染对两个地理种群的 羽茅叶片数均无显著的影响（图1）。但在羽茅生长末期，不同地理种群内生真菌感染对羽茅生物量的分配没有显著的影响（图2）。由月中旬4 0 G2 2 1 CU)妙昌Gq弓1不怵娄“ o o O h * !1a- 1 2 1 口Jaqa %台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. ?)右与1AUEE电赧HLEWZP-VZD不同地理种群的用苗架屋状态图1不碘理种群羽茅生长初期的株高,叶片熟的比较*Fig.l riant Height :上af number of 三-and E A.iicutn p：atts m afferent poimlatioEB注:圉中英文字母的异同表示各值之间差患者显著F七。，未标注表明不显著下同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羽茅的生理指标2. 2.1羽茅不同生长阶段的叶绿素含量6月份定位站E+的叶绿素a含量的平均值为1.99 mg g-1,显著高于海拉尔的E-植株的叶绿素a含量，并且定位站 E+植株的叶绿素b含量以及总叶绿素含量也分别显著高于海拉 尔的E-植株的叶绿素含量。各个地理种群内的E+与E-羽茅的叶绿素a含量，叶绿素b含量,以及叶绿素a/b和总叶绿素含量在 7月和8月也差异不显著（表 2）。表2各月份不同地理种群羽茅叶绿素各含量指标（平均值曲准差）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：英文字母的异同表示各月同

20、列各值之间差异是否显著（P0.05）,未标注指不显著（下同）2.2.2叶片氮含量海拉尔羽茅的叶片氮含量百分比在6月份最低为1.5%, 7月份达到叶片氮含量的最大百分比为2.9%, 8月份略有下降的趋势；定位站E-羽茅植株N%的变化趋势与海拉尔的相同，但定位站E+羽茅植株的叶片氮含量变化则相反，并且 7月份海拉尔E+羽茅的N%显著高于定位站E+羽茅的N%,但同一地理种群中 E+植株的N%与E-植株的N%差异不显著,这表明不同地理种群中内生真菌感染对羽茅叶片中氮含量的影响差异不显著（图4）。0 5 o ci - o _s - o -s - o4 3 IF- 2 2 110 0 2S卫一voa .鼠

21、 9nsJBaqNlm丸减HrMDWZ+ 口 DWZ BHLE+ DHLE6 月 June 7月 July 8 月 August力同月伶Diifet ent months图4内牛真菌感染对不同生长阶段羽茅叶片氮含量的影响Fig.4 Eliect of aid ophy te uiiec tion on die mtrogci content in diiiaeiit ero1h 4 agesof J xihirit run光合氮利用效率两个地理种群的羽茅的 PNUE在6月份都高于7月和8月，6月份，定位站 E-羽茅的PNUE显著高于E+,与此不同的是，海拉尔 E+羽茅的PNUE显著高于E-。7

22、月份，两个地 理种群羽茅的PNUE的变化相同，均是 E-植株的PNUE显著高于E+植株。8月份，定位站E+羽茅的PNUE显著高于E-,这与前两个月的结果相反，而海拉尔E-的PNUE仍然显著高MOO.OG1200Qho。0 9n 0 9 o-o.仆o.o.So o o6 4- owroJomF ,CJmLHv层 l&ci.E 一=1orwzi ODVJZ. IZJE nUILE-于E+。（图5）6月June_TBJuK SflAuwisi不同目价心|恨uitnis】血-国同地理种群内生真菌感染对羽茅光合氮素利用效率的影响Fifl 5Effect of aidcphytc infection on

23、 the photo nthctit nitroacihi 疝,勺】cy of.4 sibiriatm in different eophi( 口opul浦ion*羽茅各生长阶段的光合特征6月份，海拉尔 E+羽茅的 WUE比E-植株高40.6%,且E+植株的 WUE显著高于E-羽 茅，但是定位站 E+植株和E-植株的 WUE差异不显著。7月份，两个地理种群内 E+植株和 E-植株的光合生理指标均没有显著差异。8月份，海拉尔羽茅的 Pn, Tr, Gs都是E-羽茅显著高于E+,定位站的羽茅除了 Gs是E-显著高于E+, WUE是E+显著高于E-外，其余指标在E+和E-植株之间仍无显著差异（表 3

24、）。表3各月份不同地理种群羽茅的光合指标(平均值步准差)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浓度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讨论与结论天然禾草-内生真菌共生体的相互作用与所处的环境条件密切相关。Morse等研究表明，在较为干旱的条件下，感染Neotyphodium内生真菌的亚利桑那羊茅表现出更高的水分利用效 率，而当水分条件较好的时候 E-植株的WUE反而高于E+植株11。本研究结果表明，6月份海 拉尔E+羽茅的水分利用效率显著高于 E-植

28、株，但是定位站E+和E-羽茅的水分利用效率差异 不显著（表3）。这说明内生真菌与宿主植物的相互关系跟宿主植物的原生境有关，它们之 间的相互作用可能是长期的自然选择的结果。内生真菌会随着宿主植物的异性杂交和自然环境而改变，内生真菌也会出现相对较高的遗传多样性，因此，内生真菌与宿主植物之间的相互作用是有巨大变化的，不能简单的通过内生真菌感染与否来预测结果，也可能与宿主的基因型有关，例如Cheplick等研究发现，在干旱胁迫和恢复后，内生真菌感染对宿主黑麦草没 有正效应，显著降低了植株的分篥数，黑麦草的基因型是影响植株生长的主要原因，而非内生真菌感染12,关于宿主的基因型对羽茅-内生真菌共生体相互作

29、用的影响还有待进一步研 究。天然禾草-内生真菌共生体在羽茅的各生长发育阶段会出现不同的作用结果。林枫等对 羽茅在不同地理种群的原位观察中也发现，在其中的羊草样地和西乌旗样地中E+羽茅植株的净光合速率显著高于 E-羽茅，而在霍林河样地中二者的差异则不显著，3个样地中内生真菌对宿主羽茅的蒸腾速率、气孔导度、光能利用效率、水分利用效率均无显著影响13。而本研究得出两个地理种群内E+植株与E-植株的Pn, Tr, Gs, Ci在6月份和7月份均无显著 差异。8月份，海拉尔羽茅的Pn, Tr, Gs都是E-羽茅显著高于E+,定位站的羽茅除了 Gs是 E-显著高于E+, WUE是E+显著高于E-外，其余指

30、标在E+和E-植株之间仍无显著差异。这些 结果的不同可能是因为选取的羽茅所处的生长发育阶段不同， 以及本实验在田间栽培条件下 不同生长阶段羽茅染菌与未染菌植株间的光合特性差异，与原位观察有一定的差别。PNUE是一个与叶片生理、形态及适应环境机制有关的重要指标，植物 PNUE较高，表 明其生长较快，生产力较高14 。本实验结果表明，6月份是羽茅生长速度相对最快的时期，此时植株的PNUE很高，7月和8月生长速度逐渐变缓慢，内生真菌对海拉尔羽茅PNUE的正效应主要表现在6月份，而在8月份，内生真菌对定位站羽茅的PNUE有显著的促进作用。这表明内生真菌对羽茅光合氮利用效率的影响与不同地理种群有关， 而

31、且这种影响与羽茅所处 的生长阶段密切相关。 综上所述，在不同地理种群的研究水平下，Neotyphodium 内生真菌感染对天然禾草羽茅生长和光合特性的影响， 不仅与其是否染菌有关， 而且与植物的原生生境有关， 并且随着羽 茅的不同生长阶段，这种影响也不一致。 参考文献 (References)邹文欣,谭仁祥. 植物内生菌研究新进展. 植物学报 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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