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文档简介
热 带 农 业 科 学第 5 期 (总第 93 期)2001 年 10 月Oct . 2001CH IN ESE J OU RNAL O F TRO P ICAL A GR ICUL TU R ENo . 5 2001菌根真菌在植物组培苗生产技术中的应用王真辉 中 国 热 带 农 业 科 学 院 橡 胶 栽 培 研 究 所(海南儋州571737)农业部热带作物栽培生理学重点开放实验室摘要 综合评述了国内外近 20 a 来应用菌根真菌于植物组培苗生产技术中的研究进展与成果 。关键词 菌根真菌 ;共生 ;组织培养 ;微繁中图法分类号 Q949 . 32 ; Q143 . 2 ; S188菌根真菌不仅具有促进宿主植物吸收矿质养分及生长发育的功能 ,而且在逆境条 件下 (如土壤受重金属污染 ,宿主遭受病害 、 营养和水分过剩或亏缺时) ,对于宿主植物 的生存 、生长和产量方面 ,也发挥着重要的 作用1 。地球上大多数植物都能与菌根真 菌形成共生关系 ,而且有许多植物对菌根具 有较高的依赖性 。目前 ,离体组织培养已逐渐成为一些经 济作物 、林木和果树的主要繁殖形式 。在这 种形式的种苗繁育过程中 ,由于前期 ( 指个 体增殖阶段 ,包括愈伤组织的培养 ,芽 、根的 诱导) 是在无菌条件下进行的 ,因而 ,种苗与 菌根真菌接触的机会大为减少 ,甚至到了后 期 (指苗圃驯化培育阶段) 也还常常得不到 菌根真菌的帮助 ,导致苗木生长状况较差 , 抵抗力较弱 ,成活率较低 。因此 ,尽早对组 培苗进行高效菌根真菌的人工接种 ,实现菌根化 ,是培育壮苗的重要途径之一 。现将国内外学者近 20 a 来在此领域的研究进展与 成果综述如下 。1 菌根真菌与宿主植物1 . 1菌根真菌与宿主植物的相互选择 菌根真菌对宿主植物虽然没有表现出严格的专一性 ,但却对宿主植物具有一定的 选择性2 。菌根真菌与宿主植物的正确组 合 ,是发挥菌根效应的关键 。同时 ,生态条 件也是影响菌根真菌的接种效应的重要因 子 。因此 ,在菌根真菌的应用研究中 ,筛选 出能适应一定的生态条件并能与宿主植物 形成最佳组合的高效菌根真菌菌种 ,是最根 本 、最关键的内容 。MC. G. Chvez 等人研究了 3 种 VAM 真菌对苗圃中 4 个品种的草莓微繁苗的侵 染反 应 。他 们 发 现 , 这 些 VAM 真 菌 的 侵 收稿日期 :2001 - 06 - 18编辑/ 郑里程王真辉 ,男 ,1972 年生 ,森林培育学硕士 。联系电话 : 0898 - 23300595/ 0459 ; B P :959515951948 。染 ,可影响草莓组培苗的生长势和生产力 ;在不同的 VAM 真菌与草莓品种的组合中 , 组培苗的菌根效应明显不同3 。A . C. Az2 co n 等人所进行的番荔枝 ( A n non a che ri m o2 l a) 微繁苗接种 AM 菌根真菌的效应试验 , 也得到与此相类似的结果4 。M . S. Reddy 等人为了选择与细叶桉采用盆栽法 ,研究了 VA 菌根真菌对组培幼苗茎 、叶和根系中的玉米素 、玉米素核苷 、赤 霉素 、吲哚乙酸和脱落酸等 5 种内源激素的 含量的影响 。结果表明 ,在组培苗生长的各 个时期 ,接种处理对植物体内几种内源激素 的含量均有一定的影响9 。A . Martins 等 人 认 为 , 栗 ( Cast a nea sat i v a Mill . ) 微繁苗的菌根化 , 在促进植株 生长的同时 ,也增加了其蛋白质含量与净光 合速率 ,并使其呼吸速率与 CO2 补偿点降( Eucal y pt uste ret icor nis ) 最 亲 和 的 外 生 菌根菌 , 在微繁苗开始生根时 , 分别接种 A 2m a ni t a m u ri n a 、Hyste ra n gi u m i nca rce ra2t u m 、L acca ri a l accat a 、Pisol i t h us t i nct ori us 、S cle rode r m a cep a 和 S . f l av i d u m 。结果显 示 , S cle rode r m a 属 的 这 2 个 种 和 H . i n2 ca rce rat u m 不能与细叶桉形成菌根 ; 用 P.t i nctori us 的 2 个 当 地 分 离 物 接 种 的 细 叶 桉 ,其菌根数量明显多于其它处理的 ,且其 中 1 个处理的微繁植株 ,移栽到苗圃后的生 长状况显著优于非菌根苗5 。M . S. Red2 dy 等人在另一项研究中发现 , 在参试的 5 种外生菌根真菌中 ,只有 Pa x i l l us i nov l u t us 能与杨属 ( Pop ul us ) 的 P. del toi des 微繁苗 形成菌根 ; 这 个 组 合 的 植 株 高 生 长 量 和 干 重 ,都显著大于其余 4 个组合的6 。I. Balla 等人的试验结果表明 , 接种以 当地桃园分离到的菌根真菌菌株 ,对桃树微 繁苗的生长具有更明显的促进作用7 。J .J ansa 等 人 将 来 源 于 杜 鹃 花 科 ( Ericales) 植 物根部的 200 多个菌根真菌菌株 ,分别接种 到几 种 杜 鹃 属 ( R hododen d ron ) 的 微 繁 苗 上 ,发现仅 10 %的菌株对幼苗生长有正效 应 ,而其余的似乎并无影响8 。1 . 2接种效应的生理机制 菌根真菌接种对组培苗生理代谢的影响 ,是菌根促进组培幼苗生长的内在反映 。 齐国辉等人以苹果脱毒苗为试验材料 ,低10。C. Her nandez - Sebastia 等 人 报 道 , 在草莓组培苗 遭 受 水 分 胁 迫 时 , 菌 根 植 株 的C 、N 代谢仍表现得积极而活跃 , 根部的天 冬氨酸 、丝氨酸 、苏氨酸 、氨基丁酸 、丙氨酸 以及淀粉的含量有所提高 ,而非菌根植株的 情况正好与此相反 。据此 ,他们推测 ,在遭 受水分胁迫时 ,组培苗的根与叶之间存在一 个可流动的天冬酰氨库 ,其流动方向取决于 菌根 存 在 与 否11 。A . A . Est rada - L una 等人 也 证 实 , 菌 根 化 的 番 石 榴 ( Psi di u m g u aj av a L . ) 微繁植株 , 其茎生长与叶产量 均显著高于未进行接种处理的 ,与测得的净 光 合 速 率 和 气 孔 传 导 增 大 的 结 果 相 呼应12。2菌根真菌的接种效应及其影响因素2 . 1接种时机 (组培苗的生长阶段)目前 ,国内外学者在研究植物组培苗的 菌根真菌接种效应时 ,接种时机主要集中于2 个生长阶段 ,即试管苗的生根阶段和苗圃 驯化培育阶段 。2 . 1 . 1在组培苗的驯化培育阶段接种目前 ,多数研究者仍将菌根真菌的介入 时间 ,选择在试管苗生根之后 ,即是在组培王真辉菌根真菌在植物组培苗生产技术中的应用的提 高23 。A . Gaur 等 人 认 为 , 菌 根 真 菌接种 、施肥和组培苗的生长阶段差异 ,均可 显著影响植 株 的 生 理 与 养 分 吸 收 状 况 , 其 中 ,AM 共生体对处于驯化阶段的 S y n goni2 u m podop hyl l u m 与龙血树属 ( D racea n a ) 植 物微繁苗起到积极 、有利的作用 ,可使幼苗 的驯化过程缩短了 15 d24 。但是 ,也有人指出 : 尽管菌根真菌的侵 染程度很高 ,但在驯化期间 ,菌根对微繁植 株的生长并无有益的影响25 。2 . 1 . 2在组培苗的生根阶段接种 在生根阶段对试管苗接种菌根真菌 ,由于在选择培养基种类 、菌剂制作方法 、培养 条件 ,以及它们之间的相互配合方面 ,仍有 许多亟待解决的问题 ,故难度较大 。F. Ravolanirina 等 将 未 萌 发 和 已 萌 发 的 VA 菌根真菌孢子接种到试管苗的生根 培养基上 ,经过一段时间的培养后发现 ,菌 根真菌促进了植株生长 ,并在植株皮层细胞 内形成丛枝 。这说明 ,在生根阶段实现组培 苗菌根化是可能的 ,而且这种共生关系在移 栽后仍然存在26 。赵志鹏等最早采用根段培养技术制备 单一的 VA 菌根菌剂 ,并将其接种到室内生 长的泡桐试管苗上 ,结果使幼苗根系菌根侵 染率达 50 % ,试管苗的 N 、P 素含量也有一 定的提高27 。N . Mat hur 等人在改进型 M S 培养基 上 ,使菌根真菌 Gl om us const rict u m 与枣属 ( Zi z i p h us) 的 Z . m a u ri t i a n a 试 管 苗 建 立苗的驯化培育阶段接种菌根真菌 。国内外许多研究的结果表明 : 这时接种菌根真菌 , 将对试管苗的生长与养分吸收具有积极的 促进作用 ;另外 ,在减轻移栽对组培苗造成 的胁迫 、加快驯化进程 、提高移栽成活率及 抗病能力等方面 ,也是十分有益的13 16 。 郭秀珍等人的试验结果显示 ,移栽时 , 对泡桐和葡萄组培苗进行 VA 菌根真菌的 人 工 接 种 , 均 能 显 著 促 进 其 植 株 的 生长17 ,18;M . T. Vidal 等的研究结果表明 ,在驯化阶段 , 鳄梨 ( Pe rsea a m e rica n a ) 微繁苗一般生长较慢 ,但若在试管苗开始转入驯 化培养时 ,及时接种菌根真菌 ,可使幼苗形 成良好的根系统 ,促进根 、茎生长 ,提高根茎 比 ,增加植物组织中 N 、P 、K 素的含量 , 并 有助于植株抵抗移栽时所受的胁迫19 。据 报道 ,菌根真菌能显著地促进香蕉微繁苗的高生长20 ,21,明显增大植株的叶面积 、根和茎的鲜重 、光合速率和呼吸速率21 。R. M . Barbo sa Mato s 等人的研究结果 显示 ,带有菌根的菠萝 ( A n a n as com os us ) 组 培苗 ,虽在驯化期间的生长状况与对照无明 显差异 ,但移栽到大田 6 个月后 ,其高度明 显大于对照 ;12 个月后 ,这种差异进一步增 大 ,而且 ,菌根植株具有相当数量的吸根和 吸芽 ,其叶中积累的 N 与 K 素也较多22 。 P. Fo rt una 等在红叶李 ( Pr u n us ce rasi f e ra) 组培苗的菌根真菌接种效应的研究中发现 , 在驯化开始的 6 周内 ,菌根幼苗与非菌根幼 苗的生长并无差异 ,但与未经接种处理的幼 苗相比 ,AM 真菌对植株根系形态产生很大 影响 ;此后 ,菌根真菌接种在幼苗驯化与生 长发育过程中的重要作用逐步显现出来 :菌 根植株茎尖顶端生长较早恢复 ,在驯化结束 时 ,菌根植株的高生长量与生物量均有显著起有效的共生关系 ,从而使微繁苗的生长 、养分吸收状况有显著改善 ,并加快了移栽后的驯化进程28 。S. Winarsih 也 在 改 进 型 M S 培 养 基 上 ,对咖啡无性系 B P42 外植体接种菌根真菌 Gi gas pora m a r ga ri t a 。但 结 果 发 现 , 这对小植株并未产生影响29 。2 . 1 . 3 植物愈伤组织的诱导 、培养与菌根 真菌的培养 、接种同时进行迄今为 止 , 应 用 最 广 泛 的 丛 枝 菌 根 真 菌 ,由于其生 长 与 发 育 离 不 开 活 体 植 物 根 系 ,因而不能通过纯培养途径加以繁殖 。因 此 ,人们在研究其侵染及其生理特性等的过 程中 ,一般通过菌根离体根段组织培养的方 法 ,建立丛枝菌根真菌菌系 。于是 ,植物组 织培养繁殖技术 ,就自然地与丛枝菌根真菌 联系在一起了 。菌根离体根段的组织培养 ,为菌根化组 培苗的培养提供了 2 种途径 :一是如上一节 内容所介绍的 ,将菌根的离体根段或外植体 当作丛枝菌根真菌的载体 ,即作为菌剂 ,用 作离体培养系统中菌根真菌的接种菌源 ;二 是将菌根的离体根段或外植体直接作为植 物外植体加以培养 ,培育出完全菌根化的组 培苗 。当然 ,这类研究课题的难度也更大 。2 . 2 组培苗的培养基质2 . 2 . 1用于驯化阶段的培养基质 为使移栽后的试管苗能够存活并茁壮成长 ,选择既有利于植物生长 ,又适合于菌 根真菌存活并对植物进行侵染的培养基质 , 是非常重要的 。这类栽培基质须具备 4 个 基本功能 ,即固定作物 、保肥 、保水和透气 , 同时还要成本低廉 ,取材和操作的方便 。在 具体的试验中 ,人们一般选用混合基质 ( 如 泥土与河沙 的 混 合 物) , 也 有 人 将 泥 炭 、蛭 石 、河沙 、有机肥或其它富含有机质的基质 , 按适当比例混合均匀后使用 。L ee S. S. 等 人 发 现 , 兰 属 ( Cy m bi di2u m ) 的 C. k a n ra n 组培幼苗在兰花土 (当地的兰花根际土壤) 与松树皮堆肥的培养基质上生长良好 ; C . goe ri n gi i 在不灭菌的兰花 土上生长良好 ,而在灭菌的兰花土上则生长 受到抑制 。这就是说 ,灭菌后的兰花土缺少 天然的菌根真菌 ,因而对幼苗的养分吸收与 生长产生负面影响 。因此 ,他们认为 ,可将 当地的兰花根际土壤看作是带有丰富兰科 植物菌根真菌的接种物 ,用作兰花组培幼苗 的本底育苗基质30 。V1 Estaun 等人在河沙与表土混合物 、泥炭 、由泥炭与树皮堆肥组成的商品育苗基质这 3 种 基 质 上 , 对 桃 与 扁 桃 杂 交 砧 木(peach almo nd) 的组培苗接种菌根真 菌 。3 个月后的观测结果表明 ,幼苗的生长量和菌根真菌侵染率 ,均与培养基质的种类显著 相关 ,其中 ,单独以泥炭为基质的处理 ,其幼 苗生长状况明显好于另外 2 种处理 ; 2 个生 长季后 ,所有接种菌根真菌的幼苗 ,其根系 的菌根真菌侵染水平基本相同 ,而且其生长 状况均好于未经接种的31 。B . D . Noval 等人及 R. K. Ver ma 等 人的研究结果表明 :在表土或河沙与表土的 混合物中加入一定比例的有机肥 ,可增强菌根真菌的接种效应 ,从而对组培苗的生长 、养分吸收 、菌根真菌的侵染率及孢子产量都产生 明 显 的 促 进 作 用32 ,33 。A . Schubert 等人在 3 种泥炭类商品育苗基质中加入适 量 P 素 ,接种 112 d 后 ,苹果组培幼苗根系 感染菌根真菌的比例极高 ,植株对养分特别 是对 P 素的吸收量明显增加 , 生长也显著 加快 ;同时 ,基质中的 P 素大幅度减少 。这 是因为 ,在这种养分丰富的基质中 ,植株根 系与菌根真菌广泛形成了共生关系 ,从而促 进了植株对养分的吸收34 。2 . 2 . 2 用于生根阶段的培养基质王真辉菌根真菌在植物组培苗生产技术中的应用为更早地实现植物微繁外植体的菌根化 ,已有人进行在无菌条件下直接将菌根真 菌菌剂与植物愈伤组织共同培养的试验 ,但 成功者并不多见 。其问题在于 ,宿主植物与 菌根真菌对养分 、通气状况及培养条件的需 求有一定的差异 。因此 ,选择合适的离体培 养基质 ,使二者的需求得到兼顾 ,这是今后 的研究工作必须解决的关键和重点问题 。 G. L . Mar k 等 人 分 别 对 木 麻 黄 属( Cas u a ri n a ) 的 C . equiset i f ol i a 已 生 根 的 外植体和愈伤组织外植体进行了丛枝菌根 真菌与弗兰克氏菌的单独接种和混合接种 。 他们直接将孢子接到这 2 种外植体的基部 。 其中 ,他们所 用 的 愈 伤 组 织 外 植 体 培 养 基 M4 支持 70 %的丛枝菌根真菌孢子萌发 ,而 已生根外植体培养基 M5 则支持 57 %的孢 子萌发 ;2 种培养基都适合于弗兰克氏菌的 生长 。试验结果显示 :丛枝菌根真菌与弗兰 克氏菌对外植体均未侵染成功 ,但血清学方 法以及标准的显微技术检测仍不能排除一 部分感染的可能35 。在这一研究中 , 由于 有弗兰克氏 菌 的 加 入 , 更 增 添 了 研 究 的 难 度 。2 . 3育苗基质中 P 素的含量 在育苗基质中加入适量 P 素 , 可增加菌根真菌的感染率 ,促进共生体的形成 ,使 微繁植株的各项生长指标得到提高 ;但若加 入的 P 素过量 ,则往往会阻碍菌根的形成 ,3菌根真菌与其它微生物混合接种对微繁植株生长的影响菌根真菌在土壤中分布广泛 。在植物 根 、根际以及土壤团粒中 ,它们与大量微生 物共同存在 ,并且相互作用38 ,它们之间的 作用 ,往往会对植物生长发育产生深刻的影 响 。近年来 ,在菌根真菌与有益根际微生物 (其中包括共生固氮细菌与放线菌 ,以及一 些非共生固氮细菌和具有解磷作用的细菌) 混合接种对植物生长影响的研究中 ,也包括 有对组培苗生长影响的内容 。J . Nowak 认为 , 有益微生物与植物组 织外植体共同培养 ,可以使微繁植株的发育 与代谢发生变化 ,并且提高植株对生物与非 生物胁迫的抵抗能力 。这种由接种物诱导 产生的抵御反应 ,称之为“生物化”( biotiza2 tio n) ; 对 于 菌 根 真 菌 引 起 的 反 应 , 则 称 为 “菌根化”( myco rr hizatio n) 39 。N . S. Naqvi 等人研究了接种 VA 菌根 真菌与根瘤菌 ( Rhizo bium) 对驯化阶段的新 银合欢微繁苗生长和成活的影响 。结果表 明 :混合接种 2 种菌的处理 ,其幼苗根 、茎生 长 ,叶片数量 ,根瘤数量与菌根真菌感染率 , 都有较大幅度的增加 ,而且微繁植株的成活 率在 5 个月后仍达 100 % ; 单独接种其中一 种菌的处理 ,其幼苗成活率分别为 91 . 66 % 与 65 . 21 % ;对照幼苗则生长缓慢 ,而且在 5 个月后几乎全部死亡40 。J . T. Put hur 等人对新银合欢先在生 根阶段进行根瘤菌接种 ,待组培苗生根并形 成根瘤后再进行驯化培育 ,同时接种 VA 菌 根真菌 。其结果是 : 混合接种的处理 ,组培 苗的成活率和生长速度都比较高 ;单独接种从而抑制植株的生长14 ,26 ,36 ,37。这与以往在普通植物的菌根真菌接种效应的研究结论相同 。此外 ,有人报道说 ,相对而言 ,施用单一 磷源时 ,微繁植株的菌根比例较高 ; 施用复 合磷源时 ,组培苗的菌根比例较低29 。根瘤菌的处理 , 植株成活 率 仅 为 20 %41 。M . Keller 等人的研究也证明 ,对豆科树种组培苗进行 VA 菌根真菌与根瘤菌的混合接种 ,能够提高苗木的移栽成活率42 。R1 Alo nso - Reyes 等人在移栽香蕉组 培苗时 ,同时接种了内生菌根真菌与解磷细 菌 Pseu dom on as f l uorescens , 结果使植株的 高生长量明显增加20 。C. Karabaghli 等人 在挪威云杉幼嫩枝段的诱导生根试验中发 现 ,当 培 养 基 中 添 加 了 IAA 的 合 成 前 体色氨酸时 ,下胚轴单独接种外生菌根真 菌 L acca ri a bicolor , 可 提 高 培 养 体 的 生 根 率 ; 混 合 接 种 L . bicolor 与 Pseu dom on asf l uorescens , 可增加培养体根的数量 。这与 加入外源 IAA 的效果相同43 。M . Vo sat ka 等人指出 : 在选择混合 接 种的组合时 ,必须同时考虑菌根真菌 、有益 细 菌 以 及 它 们 的 宿 主 三 者 之 间 的 亲 和vesicular arbuscular mycorr hizae o n tissue cult ure- derived plant s of st rawberry. Hort Science ,1990 , 25 (8) : 903905Azco n A C , Encina C L , Azco n R , et al . Effect of arbuscular mycor hiza o n t he growt h and devel2 op ment of microp ropagated A n non a cheri m ol a plant s. Agricult ural Science in Finland , 1994 , 3(3) : 281288Reddy M S , Sat yanarayana T. Inoculatio n of mi2 crop ropagated plantlet s of Eucal y pt us teret icor nis wit h ecto mycorr hizal f ungi . New Forest s , 1998 ,16 (3) : 273279Reddy M S , Satyanarayana T. Ecto mycorr hizal formatio n in microp ropagated plantlet s of Pop u2l us del toi des. Symbiosis , 1998 , 25 ( 1 3 ) : 343348Balla I , Vrtesy J , BirB , et al . Survival and growt h of microp ropagated peach inoculated wit h endo mycorr hizal st rains. Acta Horticult urae ,1998 (477) : 115121J ansa J , Vosat ka M . 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Mycorr hizal f ungi enhancement of growt h andgas exchange of microp ropagated guava ( Psi di24567性44。4结语与展望菌根真菌在植物组培苗生产技术中的 应用研究的目的 ,是解决在无菌条件下的离 体组织培养与引入有益菌种的矛盾 ,使组培 苗尽早带菌45 。今后 ,随着本领域研究的深入 ,以及新 技术 、新方法的应用 ,这种生物系统中各主 体之间的相互作用机理等内容必将逐步明 晰 ,必然推动菌根化组培苗生产向规模化 、 商业化方向发展 。891011参考文献1赵 忠 , 王真辉 , 刘西平. 土壤水分条件对毛白杨菌根接种苗生长及营养生理效应的影响 .西北林学院学报 , 2000 , 15 (2) : 16刘润 进 , 李 晓 林 . 丛 枝 菌 根 及 其 应 用. 北 京 :科学出版社 , 2000 . 1224Chvez MC G , Ferrera - Cerrato R. Effect of1223王真辉菌根真菌在植物组培苗生产技术中的应用u m g u aj av a L . ) plantlet s during ex vit ro accli2mazatio n and plant establishment . Mycorr hiza ,2000 , 10 (1) : 18Pinochet J , Fernndez C , J aizme M , et al . Mi2 crop ropagated banana infected wit h M eloi dogy ne j av anica respo nds to Glom us i nt ra radices andp hosp horus. Hort Science , 1997 , 32 (1) : 101103Gullemin J P , Gianinazzi S , Gianinazzi - Pear2 so n V . Endo mycorr hiza biotechnology and mi2 crop ropagated pineapple A n an as com os us (L . ) Merr. . 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