甘薯（Ipomoea batatas L.）是一种适应性强、高产、多用途的粮食作物^[1]，具有典型的源库关系，分枝结薯期（移栽后 30 d）甘薯的根系分化基本完成^[2]，形成具有明显膨大部位的潜在块根 （库），是重要的养分贮藏器官。这一时期源库关系的建立调控了潜在块根的数量和重量，为后期干物质积累奠定了基础^[3-4]。分枝结薯期之后潜在块根继续膨大，形成可供收获的块根。这一时期源库关系协调发展，需要在保证光合生产的同时防止地上部茎叶（源）生长过旺，以满足潜在块根继续膨大的物质需求。甘薯源库关系的建立、发展和平衡是高产的重要保障^[5]。

丛枝菌根真菌（AMF）能与植物根系建立共生关系，形成植物-根际微生物-土壤的互作效应，有效促进植物对氮、磷、钾等养分的吸收和植物生长发育^[6]。已有研究表明，AMF 能够定殖于甘薯根系，提高甘薯净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，从而促进甘薯地上部和地下部对磷的吸收^[7]；另外，接种 AMF 促进了甘薯地上部氮素向地下部的转运，进而增加甘薯生物量、提高其产量^[8-10]。由此可知，AMF 能与甘薯建立良好的共生关系^[11-12]，进而调控甘薯对氮、磷、钾等养分的吸收利用，促进产量提高。

当前，AMF 在甘薯上的研究主要集中在光合生产、群体发育和养分吸收等方面，较少从源库关系建立、发展和平衡的角度探讨 AMF 调控甘薯全生育期块根形成和膨大的生理机制，本研究以徐薯 28 为宿主植物，对 AMF 调控甘薯同化物转移、影响块根形成和膨大的生理机制进行探究，为更科学地将 AMF 应用于甘薯栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于 2022 年 5—9 月在江苏省农业科学院农业资源与环境研究所试验基地（31°44′03″ N， 119°13′21″ E）进行，包括盆栽试验和大田试验，盆栽试验土壤取自江苏姜堰砂质潮土，速效养分为速效钾 66.33 mg·kg^-1、有效磷 23.42 mg·kg^-1、碱解氮 48.30 mg·kg^-1。大田试验土壤速效养分为速效钾 112.00 mg·kg^-1、有效磷 26.40 mg·kg^-1、碱解氮 137.53 mg·kg^-1。

供试材料为 2019—2021 年菌根试验筛出的钾利用高效型甘薯品种徐薯 28，以及能与之建立良好共生关系的幼套近明球囊霉（Claroideoglomus etunicatum），分别由江苏徐淮地区徐州市农业科学院和北京市农林科学院提供。接种物为含有植物根段和根际沙土的混合基质，参考韦中强等^[13]的方法使用三叶草作为宿主植物进行室内盆栽扩繁。

1.2 试验设计与方法

盆栽试验设接菌（AMF）和不接菌（NAMF） 两个处理，每个处理重复 6 次，每盆装土 7 kg 并施等量尿素（N 46%）为基肥，接种菌根的处理每盆施加 70 g 菌剂与土壤混合，每盆约含 400 个孢子；不接菌施加相同质量的灭活菌根（120℃， 1 h），并加入通过 25 μm 膜过滤获得接种物的滤液^[14]。每盆移栽 1 株薯苗，每 4 至 6 d 视情况浇 1 次水，常规管理。于甘薯分枝结薯期（30 d）、旺长期（60 d）、薯块膨大期（90 d）、收获期（120 d） 4 个时期进行破坏性取样，用抖土法进行根际土和非根际土的取样，根际土为附着在甘薯根系上的土壤，非根际土为除根际土外的所有盆栽土，并在充分混匀后随机取样。土壤样品带回实验室，经剔除石块和动植物残体等杂质后，风干、磨细后过 0.85 mm 筛（测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾、球囊霉素相关蛋白及其螯合钾的含量）和 0.15 mm 筛（测定土壤有机质含量），常温环境下避光、完全密封保存，放于阴凉、干燥处。植株样品分为茎、叶、柄、纤维根和块根，取甘薯纤维根的新鲜根系用福尔马林-乙酸-乙醇固定液保存，测定 AMF 在甘薯上的定殖率；取有明显膨大部位的根系作为潜在块根，调查潜在块根的数量和重量；调查茎叶生长指标；烘干植株样品测定甘薯各器官的生物量和养分积累量。

大田试验采用随机区组设计，同样设接菌 （AMF）和不接菌（NAMF）两个处理，每个处理重复 3 次，单垄种植，每株间隔 15 cm 垄距为 100 cm，每公顷约 45000 株苗。剪取长势一致的秧苗茎尖 25 cm，保留 3 片完全展开叶，斜插入土 3 个节间。接菌处理在种植甘薯秧苗之前在垄面铺洒 AMF 菌剂，栽植时与甘薯秧苗处土壤混匀，每株约 50 g ^[15]。施以等量尿素（N 46%）、过磷酸钙 （P₂O₅ 12%）、硫酸钾（K₂O 56%）配置的混合肥料为基肥。全生育期田间管理同一般高产大田。于收获期（120 d）进行测产，测定甘薯的产量和商品性。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 甘薯植株根系侵染率的测定

随机选取 1～2 g 新鲜根系，剪成 0.5～1 cm 的小段，用去离子水清洗后保存在 FAA 固定液中，保存的甘薯根系经过透明、脱色、酸化、染色和褪色处理，具体方法参考王幼珊等^[16]的墨水醋染法。染色处理后随机选取形态相似的 30 条根段，并将其放置在载玻片上。在光学显微镜下观察菌根的形态结构、侵染点和囊泡。根据每条根段菌根结构的多少，按 0、10%、20%、30%······100% 的比例测定每条根段的侵染率，计算公式如下：

$\mathrm{侵}\mathrm{染}\mathrm{率}\mathrm{}（\mathrm{％}）=\frac{\mathrm{０}\times \mathrm{}\mathrm{根}\mathrm{段}\mathrm{数}＋\mathrm{}10\mathrm{\%}\times \mathrm{}\mathrm{根}\mathrm{段}\mathrm{数}\mathrm{}+\mathrm{}20\mathrm{\%}\times \mathrm{}\mathrm{根}\mathrm{段}\mathrm{数}\dots +100\mathrm{\%}\times \mathrm{}\mathrm{根}\mathrm{段}\mathrm{数}}{\mathrm{观}\mathrm{察}\mathrm{到}\mathrm{根}\mathrm{段}\mathrm{总}\mathrm{数}}\times 100$

1.3.2 甘薯形态学指标和生物量测定

将植物样品按照茎、叶、柄、纤维根和块根 5 个部分分开，使用电子天平测定每株地上部分根、茎、叶的鲜重，统计叶片数、分枝数、茎长。将地下部分分为纤维根和块根，测定两部分各自的鲜重，统计块根的数量和每个块根的重量。调查完于 105℃杀青 30 min，随后 75℃烘干至恒重，最后分别称取各部分干重。

1.3.3 植株养分测定

植株样品用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，定容后测定各部位养分含量，具体方法参照鲁如坤^[17]的《土壤农业化学分析方法》。植株氮含量采用凯氏定氮法测定；磷含量采用钼锑抗显色后用紫外分光光度计进行测定，钾含量直接使用火焰光度计测定。

计算各部分养分积累量，公式如下：

$\text{植株氮（磷、钾）积累量 = 植株干物质量 × 植株氮（磷、钾）含量}$

1.3.4 土壤理化特性的根际效应测定

测定甘薯根际和非根际土的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾、球囊霉素土壤相关蛋白 （GRSP）及 GRSP 螯合钾的含量，具体方法如下。

土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计测定；土壤缓效钾采用热硝酸浸提-火焰光度计测定。具体方法参照鲁如坤^[17]的《土壤农业化学分析方法》。

球囊霉素相关土壤蛋白GRSP 含量参照了 Wright 等^[18]的方法。易提取球囊霉素土壤相关蛋白（EE-GRSP）使用 20 mmol·L^-1 的柠檬酸钠溶液 （pH=7.0）在高压灭菌锅中（121℃，30 min）提取，离心 6 min（4000 r·min^-1），收集上清液。总球囊霉素土壤相关蛋白（T-GRSP）用 50 mmol·L^-1 的柠檬酸钠溶液（pH=8.0），同样在高压灭菌锅中（121℃，60 min）提取，离心收集上清液，并重复提取 3～4 次（直至提取的上清液中不再出现 GRSP 典型的红棕色为止），收集所有上清液并记录其体积。提取液用考马斯亮蓝染色剂（G-250），在 595 nm 波长下比色测定。

GRSP 螯合钾含量的测定采用改良了 Malekzadeh 等^[19]的方法，向所获得的 GRSP 提取物（即上清液）中加入 1 mol·L^-1 HCl 调节 pH 至 2.0～2.5 来沉淀 GRSP，冰浴（1 h） 后离心（8000 r·min^-1， 20 min），弃上清后获得沉淀物，将所获得的沉淀物用 65% 浓硝酸进行消解（80℃，6 h），过滤后用火焰光度计测定。

计算各项指标后计算根际效应^[20]，公式如下：

$\text{根际效应（\%）=（根际土变量-非根际土变量）/ 非根际土变量 ×10}\text{0}$

1.3.5 甘薯块根产量和商品性测定

于收获期（120 d）取样，测定甘薯的单株结薯数（块根直径 >1 cm）、单薯重和干鲜重，调查达到商品薯标准（直径 >2.00 cm，块根重量 50 g 以上）的块根数，将薯块分为大型薯（≥ 250 g）、中型薯（100～250 g）、小型薯（50～100 g）、迷你薯 （<50 g）4 个级别，计算各级别薯块的比率，商品薯率是指总量中商品薯量所占比重^[21]。

1.4 数据处理

使用 Excel 2021 计算本试验中获得的所有数据，并使用 SPSS 25.0 进行统计分析。利用独立样本 t 检验对两组数据进行统计分析，P<0.05 和 P<0.01 分别表示存在显著差异和极显著差异。利用 Excel 2021 和 Photoshop CS6 进行图像处理。

2 结果与分析

2.1 AMF 对甘薯全生育期菌根侵染率的影响

侵染率是衡量 AMF 是否与植物共生的指标，本研究在接种 AMF 的甘薯根系可以观察到菌根侵染甘薯根系细胞的典型结构，包括孢子、菌丝、泡囊、丛枝等（图1），这些结构的存在表明了 AMF 与甘薯建立了共生关系。接种 AMF 使甘薯 4 个生育期菌根侵染率分别增加 16.56%、9.56%、8.67%、 11.33%，其中接种 AMF 显著增加了分枝结薯期的菌根侵染率（图2）。

注：A，丛枝；S，孢子；H，菌丝；V，泡囊。

注：30 d，分枝结薯期；60 d，旺长期；90 d，薯块膨大期；120 d，收获期。星号表示显著差异（t 检验；* 表示 P<0.05）。下同。

2.2 AMF 对甘薯全生育期地上部茎叶生长和块根膨大的影响

甘薯地上部茎叶生长是光合生产的基础。AMF 可以通过调控干物质的积累和分配影响地下部块根的形成和膨大发育，进而影响甘薯收获期的产量。接种 AMF 降低了甘薯全生育期茎、叶和柄鲜重，且在薯块膨大期甘薯的茎鲜重显著降低 （表1）。与此同时，接种 AMF 对甘薯全生育期薯干率没有显著影响，但全生育期的块根鲜重和干重在后均得到了显著提高，相比不接菌，4 个生育期的块根鲜重分别提高了 538%、42%、29% 和 32% （表2）。因此，接种 AMF 增加了分枝结薯期潜在块根的数量和重量，对甘薯分枝结薯期块根形成的影响最显著。

注：30 d，分枝结薯期；60 d，旺长期；90 d，薯块膨大期；120 d，收获期。星号表示显著差异（t 检验；* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01）。下同。

2.3 AMF 对甘薯全生育期干物质积累和分配的影响

甘薯干物质的积累和分配协调了地上部和地下部的生长发育，是甘薯源库关系建立、发展和平衡的基础。甘薯全生育期干物质积累量呈逐渐增加的趋势，AMF 对甘薯整株干物质积累量影响不显著，显著促进全生育期块根干物质积累，显著增加分枝结薯期、旺长期和薯块膨大期的根冠比，4 个生育期根冠比分别增加了 207.69%、52.18%、59.79%、 26.36%。（表3）。因此，接种 AMF 促进了干物质向地下部分配。

2.4 AMF 对氮、磷、钾吸收和分配的影响

接种 AMF 显著增加了分枝结薯期和旺长期地下部的氮、磷、钾积累量；显著降低了薯块膨大期全株的钾积累量（表4）。与此同时，接种 AMF 增加了氮、磷、钾在块根的分配比（图3）。块根氮、磷、钾分配比在甘薯全生育期呈现上升趋势，地上部（茎、叶、柄）氮、磷、钾分配比呈现下降趋势，接种 AMF 加剧了这一趋势，促进了氮、磷、钾向块根分配。

2.5 AMF 对根际效应的影响

根际效应可以表征植物根系获取养分能力的强弱，接种 AMF 提高了甘薯分枝结薯期除 AN 外其它土壤指标的根际效应，且对 SAK 和 EE-GRSP 根际效应的提升达到了显著水平；提高了旺长期 AN 的根际效应；提高了全生育期 SAK、T-GRSP 和 EE-GRSP 的根际效应；显著提高了薯块膨大期 SAK 的根际效应。对分枝结薯期之后 GRSP 螯合钾的根际效应影响不明显，对全生育期 AP 的根际效应影响不明显（图4）。因此，接种 AMF 可以活化甘薯的根际土壤养分，尤其在分枝结薯期的效果明显，有利于分枝结薯期养分的吸收；此外 AMF 对 T-GRSP 和 EF-GRSP 和根际 SAK 的活化效果在全生育期都有所体现，且 SAK 的活化效果在分枝结薯期和薯块膨大期均达到显著效果。

注：AP，有效磷；AN，碱解氮；SOC，土壤有机质；AK，速效钾；SAK，缓效钾；EE-GRSP，易提取球囊霉素土壤相关蛋白；T-GRSP，总球囊霉素土壤相关蛋白；EE-GRSP-K，易提取球囊霉素土壤相关蛋白螯合钾；T-GRSP-K，总球囊霉素土壤相关蛋白螯合钾。

2.6 AMF 对甘薯收获期产量和商品性的影响

通过大田试验收获期验证得知（表5），接种 AMF 提高了甘薯产量、平均单薯重、单株结薯数和薯干率，其中产量显著提高，增加了 23.05%。同时，接种 AMF 降低了小型（50～100 g）和中型薯 （100～250 g）的比例，但提高了大型薯（≥ 250 g） 的比例（图5）。因此，AMF 可以促进甘薯产量的形成，AMF 对薯产量提升的贡献主要体现在增加大型薯（≥ 250 g）的数量和重量方面。

3 讨论

3.1 AMF 对甘薯源库关系建立、发展和平衡的影响

甘薯源库关系的建立为干物质的积累和产量形成奠定了基础^[3-4]。甘薯是典型的块根作物，其生长分为 2 个阶段：根系生长和块根分化阶段（分枝结薯期）、块根膨大和产量形成阶段（旺长期、薯块膨大期和收获期）^[22]。在栽后 3～4 d 甘薯开始扎根，30 d 左右开始分枝并形成块根，这一时期发根量为全期根数的 70%～80%；块根在 35～45 d 后不再形成，开始膨大发育^[23]。因此，分枝结薯期块根的分化影响了甘薯源库关系的建立。研究表明，接种 AMF 可以调控根系形态^[9，24]，Alhadidi 等^[25]在甘薯幼苗的根系细胞中观察到 AMF 菌丝向细胞外的延伸，本研究中同样也在根系细胞中观察到了泡囊、菌丝等侵染结构（图1），证实了接种 AMF 会对甘薯根系产生直接影响。同时，本研究中接种 AMF 还增加了分枝结薯期潜在块根的数量和重量（表2），表明接种 AMF 可以增加甘薯分枝结薯期库的数量和重量，促进了源库关系的建立。

甘薯全生育期源库关系协调发展是高产的重要保障^[5]，源库关系的协调发展需要保证光合生产，同时要防止地上部茎叶生长过旺引起干物质的争夺^[2]。研究表明，AMF 可以调控宿主植物光合产物的生成和积累^[26-27]。本研究中，接种 AMF 显著增加了甘薯全生育期块根的干物质积累量，且明显抑制了地上部茎叶生长（表1），这是由于 AMF 调控了光合产物向地下部块根运输，避免茎叶旺长和干物质向地上部（茎、叶、柄）的分配，本研究接种 AMF 使 4 个生育期根冠比分别增加了 207.69%、 52.18%、59.79%、26.36%（表3）也证明了这一点。本研究中，接种 AMF 后盆栽试验的收获期块根鲜重增加了 32.58%，大田试验中收获期的产量增加了 23.05%。因此，AMF 通过影响地上部和地下部生长发育，调控根系生长和光合产物向块根转移，有利于源库关系的建立和平衡，进而促进甘薯块根形成和膨大，提高收获期产量。

3.2 AMF 对甘薯养分吸收和分配的影响

AMF 与宿主植物建立共生关系的基础是营养^[28]，菌根形成是植物适应贫乏营养环境、促进土壤养分吸收利用的一种重要策略。Meta 分析显示，接种 AMF 可使寄主植物对氮、磷和钾的吸收分别增加 22.1%、36.3% 和 18.5%^[29]。造成这一结果的原因，其一是 AMF 侵染甘薯根系形成的菌丝扩大了植物根系与土壤接触的面，促进甘薯对根际养分的吸收利用^[30]；其二是接种 AMF 调控了根系分泌物，引发了微生物活动，进而活化了根际土壤养分^[31-32]，促进养分的吸收利用。根际效应可以表征植物根系获取养分能力的强弱^[20，33-34]，在本研究中，接种 AMF 提高了甘薯分枝结薯期和旺长期根际 GRSP 和有机质的根际效应（图4），这可能是因为 AMF 侵染甘薯根系后其自身衰亡和降解产生的 GRSP 可作为碳源（土壤有机碳的重要组分） 直接活化根际土壤^[35-36]，这与前人研究得到的结果一致^[18]。另外，GRSP 还可以与土壤中的氮、磷、钾以及金属元素相结合，活化土壤养分^[37]，本研究中接种 AMF 使甘薯分枝结薯期 GRSP 螯合钾的根际效应提高便证明了这一点（图4）。本研究中接种 AMF 还显著提高了甘薯分枝结薯期和薯块膨大期缓效钾进行了根际效应（图4），甘薯作为“喜钾作物”，接种 AMF 对根际钾素的活化，促进了钾素的吸收（图3），有利于块根形成和膨大。

接种 AMF 能够有效促进土壤养分的吸收和转化，从而提高植株的养分利用效率^[38-39]，物质的积累以及在块根的分配是甘薯产量形成的基础，本研究中，接种 AMF 在促进养分吸收的同时，促进了氮、磷、钾在块根的积累和分配，且在分枝结薯期和旺长期均达到显著效果（表4），这是由于 AMF 的侵染让养分分配更利于块根的分化，提高了光合同化物由叶片转向块根运输的效率^[7]，调控了干物质向块根分配，从而促进了块根对氮、磷、钾的吸收利用。因此，接种 AMF 促进了甘薯根际钾的活化和根系对养分吸收，有利于块根的形成和膨大。

4 结论

接种 AMF 显著提高了甘薯分枝结薯期、旺长期和薯块膨大期的根冠比，显著增强了分枝结薯期和薯块膨大期缓效钾的根际效应，显著增加了分枝结薯期和旺长期块根氮、磷、钾的积累量；降低了分枝结薯期、旺长期和薯块膨大期的茎叶鲜重，降低了旺长期和薯块膨大期的纤维根根表面积和根体积；显著增加了甘薯全生育期块根鲜重，其中盆栽试验的收获期块根鲜重增加了 32.58%，大田试验中的收获期产量增加了 23.05%。因此，接种 AMF 能促进根际土壤中的钾活化，进而促进甘薯根系对养分吸收利用，同时抑制养分和干物质向地上部分配，调控甘薯源库关系的建立和平衡，进而促进块根形成与膨大，提高收获期块根产量。

参考文献