丛枝菌根真菌影响宿主植物适应低磷环境的跨世代效应

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磷是植物生长发育所必需的大量元素之一,但土壤中可供植物直接吸收的无机磷含量较低。植物由此在长期演化过程中发展出了一系列表型可塑性的策略以适应低磷环境,如改变根系形态以提高对磷的吸收,且这种可塑性改变能够跨世代传递。丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF)与植物根系共生对于宿主植物吸收养分和适应胁迫环境有着重要作用。研究表明,低磷环境下AMF不仅能够通过菌丝增加植物对磷的获取,还可以改变根系相关表型来增强宿主植物对磷的吸收和利用。但AMF对宿主植物的表型可塑性改变能否跨世代传递,以及如何影响后代适应低磷环境,还有待深入探究。本研究以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula L.)为实验材料,探究AMF对宿主植物及其后代适应低磷环境的影响:(1)不同磷水平下AMF对宿主植物生长和磷吸收与利用的影响;(2)亲代AMF和磷水平对宿主植物后代生长和磷吸收与利用的影响;(3)亲代AMF和磷水平对宿主植物后代种子萌发和早期生长的影响。研究取得了以下主要结果:1.不同磷水平下AMF对宿主植物生长和磷吸收与利用的影响盆栽实验结果表明,AMF对植物生长和磷吸收与利用的影响与土壤磷水平有关。土壤低磷水平下,接种AMF处理的植株根冠比显著下降,根系侧根长、分枝数和总根表面积显著增加,且根际土中具有更高的酸性磷酸酶活性和有效磷含量。与不接种AMF的处理相比,接种AMF处理的植株生物量、地上部和地下部磷浓度均显著增加。土壤高磷水平下,接种AMF处理的植物根系三级分枝数和根长明显增加,植株地上部和地下部磷浓度在生长后期显著高于不接种AMF的处理,但其余植物根系指标和生物量指标、土壤相关指标与不接种AMF的处理均无明显差异。2.AMF对宿主植物适应低磷环境的可塑性改变具有跨世代效应通过溶液培养实验研究了连续多代不同AMF和磷水平处理下宿主植物产生的后代(子五代)在当代不同磷水平下的表现。结果发现,AMF对植物生长和磷吸收具有明显的跨世代效应,且这种跨世代效应受亲代磷水平的影响,在当代不同磷水平下表现不同。在低磷水平下,来自亲代低磷接种AMF处理的后代植株具有更高的生物量和磷浓度,其根系根长和分枝数、酸性磷酸酶活性均显著高于亲代低磷不接种AMF处理的后代。相比亲代高磷接种AMF处理的后代,来自亲代低磷接种AMF处理的后代在当代低磷水平下的生物量和根系特征指标都显著高于前者,但在当代高磷水平下两者无显著差异。这些结果说明,经历低磷环境且与AMF共生的亲代,其后代对低磷环境有更好的适应性。3.AMF和磷水平对宿主植物后代种子萌发和早期生长具有跨世代效应萌发实验结果表明,AMF提高了宿主植物后代种子在磷胁迫环境下的适合度。亲代不同磷水平下,接种AMF处理的后代种子生物量和磷含量均显著高于不接种AMF的处理。亲代低磷接种AMF处理的后代种子萌发提前,幼苗早期生长速率和存活率均显著高于亲代低磷不接种AMF的处理。与亲代低磷接种AMF处理的后代相比,亲代高磷接种AMF处理的后代种子具有更好的萌发和早期生长表现,但存活率无显著差异。随着幼苗的生长,由AMF介导的跨世代效应逐渐减弱。以上结果表明,AMF通过种子传递的跨世代效应能够促进后代早期生长,从而提高植物对磷胁迫环境的适应性。综上所述,本文研究发现AMF的跨世代效应有利于宿主植物后代对低磷环境的适应,研究结果对进一步理解AMF如何影响植物适应胁迫环境有重要意义。
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