基于叢枝菌根真菌共生的外來(lái)植物南美蟛蜞菊入侵機(jī)理研究.pdf

1、生物入侵不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害，而且會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類健康造成不可估量的損失，已成為21世紀(jì)五大全球性環(huán)境問(wèn)題之一。全球科學(xué)家投入大量的精力對(duì)生物入侵的機(jī)制和防治方法進(jìn)行研究，近年來(lái)研究者們發(fā)現(xiàn)植物的入侵和土壤微生物之間存在著緊密的聯(lián)系。叢植菌根真菌(Arbuscularmycorrhizal fungi，AMF)是在農(nóng)田、草地、森林等陸地生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布一類功能型微生物，能夠和90％以上的植物共生形成菌根。研究者發(fā)現(xiàn)，大部分

2、入侵植物都能夠與AMF形成共生關(guān)系，入侵植物與AMF的相互作用成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。關(guān)于入侵植物和AMF相互作用的文章雖然很多，但單一進(jìn)行野外調(diào)查或室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)往往具有孤立性和片面性。本文構(gòu)建野外宏觀實(shí)驗(yàn)-室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)-培養(yǎng)皿微觀實(shí)驗(yàn)體系，克服了過(guò)去單一進(jìn)行野外調(diào)查或室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的弊端，既避免了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的片面性又保證了實(shí)驗(yàn)的可控性，同時(shí)兼顧宏觀和微觀研究，是目前研究AMF與植物的相互關(guān)系比較系統(tǒng)和全面的研究方法
　　本文選取

3、中國(guó)南部造成嚴(yán)重生態(tài)危害的入侵植物南美蟛蜞菊（Wedeliatrilobata），從野外宏觀實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)皿微觀實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次全面的研究了南美蟛蜞菊不同程度入侵對(duì)土壤中細(xì)菌和真菌群落的影響，AMF對(duì)南美蟛蜞菊表型可塑性和異速生長(zhǎng)的影響，南美蟛蜞菊的菌根依賴性以及南美蟛蜞菊提取物和根系分泌物物對(duì)AMF孢子萌發(fā)以及菌絲發(fā)育的影響，旨在為探討植物入侵機(jī)制，尋找防治植物入侵提供理論依據(jù)。本研究主要得到以下結(jié)論:
　　1.在中國(guó)海南

4、省的五個(gè)不同地點(diǎn)分別選取了不同南美蟛蜞菊入侵程度（未入侵、低度入侵和高度入侵）下的根際土壤，系統(tǒng)分析了土壤的理化性質(zhì)和土壤微生物結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示:(1)低程度的南美蟛蜞菊入侵顯著的增加了土壤的pH值，但是高度入侵并沒(méi)有顯著的改變土壤的pH值。(2)南美蟛蜞菊的入侵程度還顯著的影響了土壤中K和Ca的含量，但是沒(méi)有影響其他的理化指標(biāo)。(3)南美蟛蜞菊低度入侵和高度入侵顯著的增加了根際真菌群落的豐度，但是對(duì)根際細(xì)菌群落沒(méi)有顯著的影響。(4)

5、南美蟛蜞菊的入侵還影響了參與土壤N循環(huán)的土壤微生物。這些由南美蟛蜞菊入侵導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)和微生物群落的變化可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)植物的入侵過(guò)程。
　　2.為驗(yàn)證土壤微生物對(duì)入侵植物的作用，我們?cè)诤Ｄ蠉u設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證密度和AMF對(duì)典型克隆植物南美蟛蜞菊表型可塑性與異速生長(zhǎng)的影響。通過(guò)是否在土壤中添加真菌抑制劑苯菌靈獲得高AMF和低AMF兩種AMF處理。植物的種植密度設(shè)置為25棵/m2和50棵/m2。在種植后的30，60，90和120 d

6、進(jìn)行取樣。結(jié)果顯示:(1)高密度處理和高AMF處理會(huì)提高南美蟛蜞菊的菌根侵染率。(2)密度處理和AMF處理都影響了南美蟛蜞菊的表型可塑性和異速生長(zhǎng)，并且AMF對(duì)其表型可塑性和異速生長(zhǎng)的影響在不同的密度下是不同的。(3)低密度和高AMF處理增加了植物的總生物量，但是高AMF處理減少了地下生物量的分配。據(jù)我們所了解，本次研究是第一次對(duì)AMF和密度處理對(duì)入侵克隆植物表型可塑性與異速生長(zhǎng)的研究。
　　3.為了更好的研究AMF與南美蟛蜞菊的

7、關(guān)系，必須盡可能排除殺菌劑和土壤中其他微生物的影響。我們?cè)诮K大學(xué)溫室內(nèi)設(shè)計(jì)了土壤營(yíng)養(yǎng)和AMF處理雙因素的盆栽實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證南美蟛蜞菊在滅菌后的，不同營(yíng)養(yǎng)條件的土壤中的生長(zhǎng)狀況和菌根依賴性。在2種土壤營(yíng)養(yǎng)處理和5種AMF處理下，種植南美蟛蜞菊90d后發(fā)現(xiàn):(1)南美蟛蜞菊可以被多種AMF侵染，并且在不同的營(yíng)養(yǎng)情況下普遍具有較高的菌根侵染率。(2)分別單獨(dú)接種幼套球囊霉（Glomus etunicatum）、摩西球囊霉(G.mosseae)、

8、根內(nèi)球囊霉（G.intraradices）以及同時(shí)接種三種AMF均增加了南美蟛蜞菊的莖節(jié)數(shù)目和地上部分的干重，同時(shí)顯著的改變了南美蟛蜞菊地下生物量和地上生物量的比值。(3)植物的全根長(zhǎng)受到土壤養(yǎng)分和AMF處理的影響。在低營(yíng)養(yǎng)處理下的南美蟛蜞菊相對(duì)于高營(yíng)養(yǎng)處理下的南美蟛蜞菊具有更長(zhǎng)的全根長(zhǎng);未接種AMF的南美蟛蜞菊相對(duì)于接種了AMF的南美蟛蜞菊而言具有更長(zhǎng)的全根長(zhǎng)。(4)通過(guò)對(duì)接種AMF以及沒(méi)有接種AMF的南美蟛蜞菊生物量的干重進(jìn)行計(jì)算，

9、我們發(fā)現(xiàn)南美蟛蜞菊的菌根依賴性較低，普遍在120％～170％之間。(5)相對(duì)于低營(yíng)養(yǎng)處理而言，高營(yíng)養(yǎng)處理下的南美蟛蜞菊根部具有更多的AMF孢子，尤其是對(duì)于G.i.菌和Mix處理，兩種營(yíng)養(yǎng)狀況下的孢子數(shù)目差別尤其顯著。
　　4.為了更深入的從機(jī)制上解釋南美蟛蜞菊與AMF之間的作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了嚴(yán)格無(wú)菌的體外孢子萌發(fā)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。首先利用AMF Ri-T發(fā)根共培養(yǎng)體系繁殖獲得了大量無(wú)菌的根內(nèi)球囊霉（G.intraradices G.i.）孢

10、子，然后通過(guò)培養(yǎng)皿中的體外孢子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)研究南美蟛蜞菊的浸提物和根系分泌物的幾種化學(xué)成份對(duì)G.i.孢子萌發(fā)率和菌絲生長(zhǎng)的影響，進(jìn)一步探討南美蟛蜞菊對(duì)AMF的作用原理。這6種化學(xué)成份分別是:南美蟛蜞菊的根系分泌物的水相提取液和有機(jī)相提取液，從南美蟛蜞菊根系分泌物中通過(guò)GC-MS測(cè)定分離鑒定出的鄰苯二甲酸二異丁酯、鄰苯二甲酸二異辛酯，以及從南美蟛蜞菊全株浸提液中獲得的3＃純化物、10＃純化物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)南美蟛蜞菊根系分泌物的水相提取

11、物對(duì)G.i.孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有顯著的抑制作用和促進(jìn)作用，平均萌發(fā)率都維持在70％左右;根系分泌物的有機(jī)相提取物在高濃度下抑制了G.i.孢子的萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)。(2)鄰苯二甲酸二異丁酯抑制了G.i.孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng);鄰苯二甲酸二異辛酯對(duì)對(duì)G.i.孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有顯著的影響。(3)3＃純化物在低濃度時(shí)對(duì)孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響，在高濃度時(shí)抑制了G.i.孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)。10＃純化物對(duì)G.i.孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有顯著的影響

12、。
　　5.本課題從野外的取樣調(diào)查入手，發(fā)現(xiàn)南美蟛蜞菊入侵顯著的增加了根際真菌群落的豐度，揭示了土壤真菌群落在入侵植物的入侵過(guò)程中可能與土壤真菌有很強(qiáng)的相互聯(lián)系。在接下來(lái)的試驗(yàn)田實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)使用苯菌靈抑制AMF和其他真菌會(huì)降低南美蟛蜞菊的生物量，說(shuō)明AMF或其他真菌與南美蟛蜞菊的生長(zhǎng)有密切的聯(lián)系。然后設(shè)計(jì)菌根依賴性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證南美蟛蜞菊生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)AMF的依賴程度，研究結(jié)果顯示雖然AMF可以在一定程度上促進(jìn)南美蟛蜞菊的生長(zhǎng)，但南美蟛蜞

13、菊是一種低菌根依賴性的植物。為了進(jìn)一步解釋南美蟛蜞菊與AMF的作用機(jī)制，我們研究了南美蟛蜞菊根系分泌物和組織提取物對(duì)AMF孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示南美蟛蜞菊根系分泌物和組織提取物中某些成份會(huì)抑制純培養(yǎng)的AMF孢子萌發(fā)與菌絲發(fā)育。綜合以上研究結(jié)果，南美蟛蜞菊入侵會(huì)增加土壤真菌群落的豐度，但是南美蟛蜞菊的某些根系分泌物和組織提取物成份會(huì)抑制AMF的生長(zhǎng)，并且AMF在南美蟛蜞菊生長(zhǎng)中具有一定的促進(jìn)作用，我們認(rèn)為南美蟛蜞菊是不僅僅依賴