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温室及田间实验发现,随着施磷量的增加,菌根真菌对植物根系的侵染率先降低后趋于不变,与侵染率“拐点”相对应的土壤磷浓度因植物种类不同而不同。在磷肥长期定位实验小区进行的研究发现,在0~20cm土层中,玉米根系的菌根真菌侵染率、丛枝丰度均在施磷量75kg/hm2时达到最低值,并且不再随供磷水平的提高而变化,说明即使在磷肥高投入条件下,菌根真菌仍然能够侵染玉米根系。以往的研究中,忽略了在田间条件下不同土层中速效磷浓度的差异。实际上,在磷肥高投入条件下,菌根真菌对20~40cm土层中的玉米根系侵染率显著高于对0~20cm土层中的根系侵染率。
农民在施肥丛枝菌根真菌是土壤栖居菌,它们的生长发育和生理功能,如磷的吸收速率和数量取决于菌根真菌和宿主植物自身的特性、环境因子以及农业措施。环境因子包括土壤养分、pH、水分、透气性、温度、理化性质以及其他微生物对丛枝菌根的影响。虽然菌根真菌共生体建立的分子机制还不甚清楚,有研究报道该过程主要由植株体内的磷浓度系统调节。植物分泌的独角金内酯是参与该调节过程的重要信号物质,它在根内的合成受地上部磷浓度的系统调节。类胡萝卜素裂解酶(CCD)是一类参与植物体内独角金内酯合成的重要酶类。缺失该酶的玉米突变体表现为菌根真菌侵染严重下降。在环境中有效磷浓度高的情况下,独角金内酯的合成和分泌受到抑制,植物根系菌根共生体的形成受到限制。
玉米种植田对大田玉米根系该基因的表达研究发现,0~20cm土层ZmCCD8根系8a的相对表达量在拔节和吐丝期随着施磷量增加而降低,在施磷量增加到75kg/hm2时达到最低值,且不再随着施磷量增加而继续降低。说明拔节和吐丝期在0~20cm土层中的玉米根系菌根真菌侵染与独角金内酯合成基因表达高度正相关,反映了植株在调节菌根共生体建立过程中的重要作用。但不同土层间根系的ZmCCD88a表达无显著差异,意味着上下土层中根系的独角金内酯合成可能并无差异。下层土壤中根系的菌根真菌侵染高于上层根系或许是由于其他因素造成,下层土壤较低的磷浓度或许是其中重要原因。至玉米乳熟期,不同磷处理、不同土层间的根系ZmCCD8a表达均降至非常低水平,说明乳熟期菌根真菌对宿主玉米贡献磷的能力已变得非常低。因而在研究大田菌根真菌共生体的功能时,需要考虑宿主生育时期及研究方法。
成熟的玉米菌根真菌从土壤中活化、吸收的无机磷首先转化为多聚磷酸盐(polyP)储存于液泡中,然后在菌根真菌菌丝内运输至根内菌丝,最后至丛枝,被重新分解为无机磷并被释放进入宿主根系皮层细胞与丛枝间的空间,然后被宿主根系皮层细胞上的磷转运蛋白转运至宿主根内。菌根内的酸性磷酸酶主要负责将液泡内的多聚磷酸盐水解为无机磷,碱性磷酸酶的活性与丛枝的形成和磷从丛枝向宿主的转移相关联。宿主根系皮层细胞上有一类特异性受菌根真菌侵染诱导表达的磷转运蛋白,其功能是吸收来自菌根真菌的无机磷。在玉米中,ZmPhtl;6被认为是编码该类转运蛋白的其中一个基因。有研究指出,同菌根真菌向宿主供应磷的能力也存在差异。
剥开的玉米在玉米拔节和吐丝期,根系中菌丝体内的酸性/碱性磷酸酶活性(代表具有酸性/碱性磷酸酶活性的真菌结构在整个根系中出现的强度)以及根系ZmPhtl;6的相对表达量在0~20cm土层均在施磷量75kg/hm2时达到最低值并且不再随施磷量增加而继续降低。在高量磷肥投入时,20~40cm土层的根系中以上三个指标均显著高于0~20cm土层的根系,ZmPhtl1;6的相对表达量在吐丝期时也显著高于0~20cm土层而在乳熟期(R4),无论是根内菌丝体酸性/碱性磷酸酶活性还是根系ZmPhtl1;6相对表达,在两个土层中的数值均变得非常低,且不受供磷水平影响。
玉米吐丝期总之,田间高量磷肥投入降低了表层土壤中菌根真菌对宿主的供磷能力,但下层土壤中的菌根真菌仍能维持较高的供磷能力。不同土层土壤在磷浓度、氮磷比、机械翻动及水分含量等方面差异均会影响菌根真菌对根系的侵染。在大豆的分根实验中,半根系生长于低磷土壤,另一半根系生长于高磷土壤,虽然局部高磷抑制了整个根系的菌根真菌侵染,但生长于低磷土壤中根系的菌根真菌侵染依然高于生长于高磷土壤的根系。在玉米乳熟期,菌根真菌的供磷能力下降至非常低的水平,且不受供磷水平和土层差异的影响,可能是由于在乳熟期,地上部向根系输送的碳水化合物大大减少。