氮及丛枝菌根真菌对欧美杨107生长的影响机制研究

发布时间：2020-04-19 19:58

【摘要】：本论文研究了不同施氮水平下接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)根内球囊霉(Rhizophagus irregularis)对欧美杨107(Populus×canadensis?Neva‘)生长、光合作用、营养状况、叶片解剖结构等生理生化指标的影响;分析了AMF对杨树叶片氮分配、NH_4~+和NO_3~-吸收动力学的影响;揭示了AMF对杨树铵盐转运蛋白基因和硝酸盐转运蛋白基因表达的调控作用。得出以下主要结果:1.施氮及接种AMF对杨树生长、光合、水分及叶片解剖结构的影响在未灭菌土壤中接种AMF于不同施氮水平(0、1、5、10、15 mM NH_4NO_3)的欧美杨107,发现施氮水平影响AMF对杨树的接种效果。低氮水平(0、1 mM NH_4NO_3)下,接种R.irregularis提高了杨树的株高(10.74%~16.38%)、地径(4.20%~6.43%)、总生物量(1.17%~4.36%)、净光合速率(16.88%~17.23%)、最大光化学效率(Fv/Fm)(2.10%~2.17%)、水分利用效率(29.15%~29.30%)、叶片相对含水量(4.61%~4.83%)和主叶脉平均导管直径(11.79%~11.81%)。高氮水平(10、15 mM NH_4NO_3)下,接种R.irregularis提高了杨树Fv/Fm(1.29%~1.65%)和实际光化学效率(ФPSII)(10.29%~35.45%)。相关性分析表明,杨树主叶脉平均导管直径与株高、地径、总生物量、净光合速率、蒸腾速率和叶片相对含水量之间呈显著正相关。结果显示,低氮水平下,AMF通过对杨树叶片维管系统的调节,改善了叶片水分状况,增强了光合能力,从而促进杨树生物量的积累;高氮水平下接种R.irregularis减缓了高氮造成的光系统II(PSII)损伤。2.施氮及接种AMF对杨树营养状况的影响不同施氮水平下,在未灭菌土壤中接种R.irregularis对欧美杨107叶片和根系大量元素和微量元素含量的影响。结果显示,与不施氮对照相比,施氮提高了杨树叶片碳、氮和铜含量以及根系氮和铁含量,高氮水平降低了未接种杨树叶片磷、钙、镁、铁和锰含量以及根系磷、钾、钙和锌含量。低氮水平下,接种R.irregularis对杨树叶片和根系营养元素含量影响不显著(除叶片铁、铜、锌含量和根系钙含量外)。高氮水平下,接种R.irregularis提高了叶片碳、氮、磷、钙、镁、铁、锰和锌含量以及根系磷、铁、锰和铜含量。相关性分析表明,叶片钙和镁含量与Fv/Fm呈显著正相关,叶片磷和锌含量与ФPSII呈显著正相关。以上结果表明,R.irregularis可能通过促进杨树营养元素吸收、调节营养元素在杨树叶片和根系的含量,缓解了高氮造成的营养失衡和PSII损伤。3.接种AMF对杨树叶片氮分配的影响在灭菌土壤中接种R.irregularis对欧美杨107叶片氮向细胞壁蛋白、细胞膜蛋白、水溶性蛋白和光合系统(包括羧化系统(P_C)、能量代谢(P_B)和捕光系统)分配的影响。结果显示,R.irregularis降低了杨树叶片比叶重和氮向细胞壁蛋白的分配比例,增加了氮向细胞膜蛋白和水溶性蛋白的分配比例,说明R.irregularis通过降低氮向结构物质的分配,使更多的氮用于生长代谢。低氮水平下,接种R.irregularis提高了杨树株高(18.76%~36.08%)、地上部干重(50.09%~63.97%)、总干重(43.42%~52.29%)、最大净光合速率(P_(max))(16.83%~20.11%)、光合氮利用效率(PNUE)(40.01%~43.14%),P_C(33.52%~38.54%)和P_B(28.98%~33.90%),但对单位面积叶氮含量和单位质量叶氮含量的影响不显著。同时,P_(max)与P_C和P_B呈显著正相关,PNUE与P_C、P_B和P_(max)呈显著正相关,说明R.irregularis通过增加P_C和P_B来提高杨树光合能力和PNUE。以上结果表明,AMF调控氮在叶片内的分配模式,从而帮助杨树适应低氮环境。4.施氮及接种R.irregularis对杨树NH_4~+和NO_3~-吸收动力学的影响在灭菌土壤中接种R.irregularis对欧美杨107根系总吸收面积、活跃吸收面积、NH_4~+吸收动力学和NO_3~-吸收动力学特性的影响。结果显示,接种R.irregularis提高了杨树根系的活跃吸收面积/总吸收面积比值。在氮浓度不高于1 mM的范围内,杨树幼苗对NH_4~+和NO_3~-的吸收曲线符合Michaelis-Menten方程的特征,即吸收速率(V)=最大吸收速率(V_(max))×底物浓度(S)/[米氏常数(K_m)+S]。根据方程得出,接种R.irregularis提高了杨树吸收NH_4~+和NO_3~-的V_(max)。表明杨树与R.irregularis形成丛枝菌根共生体,提高了杨树根系活跃吸收面积占总吸收面积的比例,增强了杨树吸收NH_4~+和NO_3~-的能力。5.施氮及接种R.irregularis对杨树铵盐和硝酸盐转运蛋白基因表达的影响采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术研究了施氮及接种R.irregularis对欧美杨107叶片和根系铵盐转运蛋白和硝酸盐转运蛋白基因表达的影响。结果显示,在根中,施氮下调未接种杨树AMT1;2、AMT2;1、NRT2;4B、NRT2;4C、NRT3;1A、NRT3;1B和NRT3;1C的表达;在叶中,施氮上调未接种杨树AMT1;2、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4B的表达,说明在氮不足时,根中氮吸收相关基因表达量上升以提高杨树获取氮的能力,叶中由于氮不足而氮转运蛋白基因表达量下降。低氮水平下,R.irregularis下调根系NRT1;2、NRT2;4B、NRT2;4C、NRT3;1A、NRT3;1B和NRT3;1C的表达,上调叶片NRT2;4B的表达,说明菌根化杨树可能通过菌根途径吸收氮而下调根系氮转运相关基因的表达。高氮水平下,R.irregularis上调根系AMT1;6、AMT2;1和NRT1;1的表达,下调叶片AMT1;2、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT1;2和NRT2;4B的表达。以上结果表明,AMF能够通过调控植株铵盐和硝酸盐转运蛋白基因的表达来调控植物对氮的吸收和转运。
【图文】：

壤氮素的竞争能力。Gobert and Plassard（2002）研究发现，接种外生菌根真菌菌（Rhizopogon roseolus）提高了海岸松对 NO3-的吸收速率。AMF 对宿主植物力学特性的影响还鲜为报导，AMF 如何影响植物对 NO3-和 NH4+的吸收动力学待研究。.2 菌根植物对氮素的吸收途径AMF 侵染植物根系，同时生活在根内环境和土壤环境中。在根内，AMF 形成，包括丛枝（arbuscule）、根内菌丝（hypha）、泡囊（vesicle）和根内孢子（sp，丛枝是 AMF 和植物进行物质交换的场所；在土壤中，AMF 的结构主要包括和根外孢子，其中，根外菌丝是 AMF从土壤中吸收营养的主要部位（Smith and; 刘润进和陈应龙 2007）。形成 AM 的植物具有两条氮素吸收途径：根系直接吸收途径（direct pathway）收途径（mycorrhizal pathway）。根系直接吸收途径是指植物通过根系直接吸收氮素，这一途径吸收的氮素进入根表皮细胞或者根毛细胞；菌根吸收途径包括菌丝从外界吸收氮素、从根外菌丝向根内菌丝转运氮素和从根内菌丝向根系细素，这一途径吸收的氮素直接进入根皮层细胞（Smith and Smith 2011）（图 1

第一章 文献综述 以 NH4+的形式转运给植物。Kobae et al.（2010）和 Breuillin-Sessoms et al.（2015）究结果支持这一观点。他们的研究表明，，大豆的 GmAMT4;1（Kobae et al. 2010）和苜蓿（Medicago truncatula）的 MtAMT2;3（Breuillin-Sessoms et al. 2015）在含有丛根皮层细胞中特异性表达，并且是在丛枝膜的分枝区域而不是主干区域特异性表明丛枝膜的分枝区域有活跃的铵盐转运蛋白。Guether et al.（2009b）研究发现，从根（Lotus japonicus）中克隆的得到的 LjAMT2;2 负责吸收 Gi. margarita 通过丛枝传植物的氮，在 AM 共生体的形成中不可或缺，然而，LjAMT2;2 转运的是 NH3而并H4+，说明除了 NH4+之外，NH3也参与了氮素从丛枝向植物细胞的转运过程。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S792.11


本文编号：2633679