利用旋转土芯法研究通过共同菌根网络连接的植物间相互作用

摘要

群落中的大多数植物可能都通过丛枝菌根（AM）真菌相互连接，但关于这些真菌对植物相互作用的调控作用，以往研究主要通过比较植物在有无菌根条件下的生长情况来开展。本文介绍一种在菌根植物之间调控共有菌根网络的方法，以研究其对植物相互作用的影响。

摘要

丛枝菌根（AM）真菌影响植物的矿质营养吸收和生长，因此可能影响植物间的相互作用。其作用能力源于菌丝体在根际养分耗竭区以外的延伸，最终将个体通过共同的菌根网络（CMN）相互连接。然而，大多数实验通过比较植物在有无菌根真菌条件下的生长来研究AM真菌在植物相互作用中的作用，这种方法未能明确揭示CMN的具体功能。本文提出一种通过操控CMN来研究其在植物相互作用中作用的方法。该方法采用底部为圆锥形、带有尼龙网和/或覆盖狭缝开口的疏水材料的改良容器，结合¹⁵N肥料以及贫营养的中间砂层。CMN可在相互作用的个体间保持完整，或通过旋转容器切断，或通过实心屏障阻止其形成。我们的研究结果表明，旋转容器足以破坏CMN并阻止其在CMN间对植物相互作用的影响。该方法的优势在于模拟了自然界的某些特征，例如幼苗接入已建立的CMN，以及利用一组可能提供多样化益处的AM真菌。尽管本实验仅限于研究苗期植物，但利用该方法可检测CMN间的植物相互作用，因此可用于探究CMN在生态系统中功能相关的生物学问题。

引言

丛枝菌根（AM）真菌在4.6亿年前协助植物完成了对陆地的定殖¹ 如今，它们已成为大多数植物普遍存在的共生体²，为植物提供生长所必需的矿质营养。菌根真菌的菌丝纤细如丝线，能够延伸至根系周围养分耗竭区以外的区域搜寻矿质养分，常接触并定殖邻近植物的根系，从而形成“共同菌根网络”（CMN）。当真菌萌发菌丝加入已建立的网络时，也可能形成共同菌根网络。³，或当丛枝菌根菌丝与同种菌丝融合（吻合）时^4,5,6,7这些菌丝体在土壤中的分布范围极为广泛，菌丝体占草原和牧场土壤中微生物总生物量的20%至30%⁸ 并拉伸至111 m·cm^-3 在未受干扰的草原中⁹.

丛枝菌根网络在相互连接的邻近植物之间分配矿物质养分^10,11,

方案

1. 可旋转核心部件的构建与组装

1. 改造商用管状育苗容器（后文简称“容器”；材料表），使其具有19 mm宽 × 48 cm长的开口。
   1. 使用台钻并配备19 mm的空心钻头（无中心导向麻花钻），在容器（直径2.5 cm × 长度12.1 cm）的侧壁上上下切割两个孔，使两孔间距约为1 cm。将容器紧贴台钻上的挡板，并使用带有短销钉的止动装置插入容器内部，以帮助固定容器位置，防止钻孔时移动。建议使用柔性塑料材质的容器，以防开裂。
   2. 用剪刀、电线钳或铁皮剪（对于刚性塑料可使用弓锯）将两孔之间残留的细窄塑料条剪断，形成一个长约5 cm、宽约2 cm的狭长开口。
   3. 在容器另一侧重复步骤1.1.1–1.1.2。
2. 用尼龙网或疏水膜覆盖上述狭缝（图1A）。
   1. 将孔径为40 μm的尼龙网裁剪成9.5 cm × 8.5 cm的片状，数量与容器数量一致。
   2. 使用高强度工业热熔胶，将尼龙网从容器外侧粘贴，覆盖两个开口，确保织物边缘略有重叠。
   3. 若需阻止液态水通过（例如使用水溶性养分或稳定同位素时），可在尼龙网外层再覆盖一层疏水膜^31,32（材料表）....

结果

为了确定菌根网络（CMNs）如何通过养分分配影响植物生长表现，我们开展了目标植物实验，种植了占优势地位的草原草本植物Andropogon gerardii Vitman，并设置6个等距邻体，分别具有完整、切断或无菌根网络的条件。我们发现，切断或阻止菌根网络会降低目标植物的地上部分干重（图2），表明完整的菌根网络促进了植物生长。在切断菌根网络和阻止菌根网络的处理中，植物对处理的响应表现相似，说明每周旋转容器一次成功减轻了菌根网络的影响。然而，切断菌根网络的处理可能更适合作为对照，因为在完整和切断菌根网络处理中使用的尼龙网（本实验中其上覆盖了一层疏水膜）可能会影响水分动态，例如带槽容器（无论是否旋转）的土壤比未改造容器的土壤干燥得更快。

在完整的菌根网络（CMN）处理中检测到了竞争作用，即一个个体的生长抑制了附近另一个个体的生长，但在切断CMN或无CMN的处理中未检测到该现象。我.......

讨论

我们的结果证实，采用旋转核心方法能够清晰聚焦于菌根网络（CMNs）在植物地下相互作用中的作用。然而，该实验方案中有几个关键步骤，若被改动，可能会影响检测CMN效应的能力。至关重要的是，容器周围的间隙区域必须填充贫营养的介质。在我们此前一次未成功的旋转核心目标植物实验中，使用番石榴树幼苗时，尽管在存在任意数量邻近植物的情况下，目标植物的生长均显著受到抑制，但并未检测到CMNs对地下竞争的影响，原因可能是整个花盆中矿物质养分的可利用性较高。相比之下，在旋转核心之间使用贫营养介质可确保菌丝必须延伸至相邻容器中——这些容器通常同时含有菌丝和根系（尤其是在使用根系密集的禾草类植物时）。因此，邻近容器中的胞外菌丝与根系直接竞争，并必须将从这些“养分斑块”中获取的矿物质养分在通过CMN相连的植物间进行分配。另一个使地下相互作用可被检测的关键因素是避免地上部分的竞争。我们的番石榴实验表明，当目标植物无邻近植物时，其可利用土壤体积增加所带来的生长优势，在目标幼苗被邻近植物遮荫时几乎完全消失。使用主要垂直生长的禾草类植物，或限制幼苗叶冠的扩展以防止重叠，将有助于减轻地上部分的相互作用。

使用相对刚性的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
商用管状幼苗容器（文稿中称为“容器”）	Stuewe and Sons, Inc	Ray Leach Cone-tainer ™	RLC3U
粗玻璃珠	Industrial Supply, Inc.	12/20 筛网	规格 #1
粗石英砂	Florida Silica Sand	6/20 50磅袋装	无
细玻璃珠	Black Beauty	Black Beauty 细磨碎玻璃磨料（50 磅）	BB-Glass-Fine
疏水性膜	Gore-tex	无	无
大型商用管状幼苗容器	Stuewe and Sons, Inc.	Deepot ™	D16L
中等粒径石英砂	Florida Silica Sand	30/65 50磅袋装	无
尼龙网筛	Tube Lite Company, Inc.	丝网印刷网布	LE7-380-34d PW YEL 60/62 SEFAR LE PECAP POLYESTER
土壤与叶片养分分析机构	堪萨斯州立大学土壤检测实验室	无	无
稳定同位素核心设施	迈阿密大学	无	无