劉雪琴， 韓 錳， 仝瑞建

(洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471934)

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizae，簡(jiǎn)稱AM)真菌不僅可以通過(guò)改變根系形態(tài)和根際理化狀況來(lái)保護(hù)植物少受重金屬毒害，還能通過(guò)自身的螯合作用和過(guò)濾作用把重金屬固定在孢子和菌絲中[1]，尤其是根外菌絲[2]。AM真菌根外菌絲具有較高的金屬吸附能力，已有研究證實(shí)AM真菌孢子和菌絲有吸附固定金屬的能力[3]。另有大量研究表明，AM真菌菌絲能將自身吸收固定的重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)[4-7]。

隔網(wǎng)分室系統(tǒng)能有效地研究AM真菌和宿主植物對(duì)重金屬的不同效應(yīng)。已有很多研究利用同位素標(biāo)記法證實(shí)了根外菌絲對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)作用，如65Zn[8]、109Cd[9]、233U[5]、137Cs[6]等。筆者所在課題組前期已經(jīng)研究了納米ZnO對(duì)AM真菌及其宿主的影響[10-11]，在此基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)將繼續(xù)研究AM真菌的根外菌絲對(duì)納米ZnO的響應(yīng)及對(duì)宿主玉米生長(zhǎng)的影響，以期探索納米ZnO對(duì)土壤中AM真菌和植物生長(zhǎng)的影響，及AM真菌對(duì)納米材料的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉米品種：鄭單958，由河南省洛陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。供試納米材料：納米ZnO，購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒徑大小為(90±10)nm。

供試土壤：農(nóng)田土，土壤過(guò)2 mm篩，121 ℃高壓蒸汽滅菌2 h，風(fēng)干后備用。農(nóng)田土的基本理化性質(zhì)如表1所示。

供試菌劑：菌劑為AM真菌地表球囊霉(Glomusversiform)，宿主植物為白花三葉草(TrifoliumrepensL.)，基質(zhì)為河沙和滅菌土(體積比為1 ∶1)，去掉白花三葉草地上部分，把根剪碎，以含有真菌孢子、菌絲、侵染根段等繁殖體和根際土壤的菌劑為接種物；以滅菌的接種物作為對(duì)照菌劑，除不含AM真菌外，其他均與AM真菌菌劑處理組相同。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年3—7月在洛陽(yáng)師范學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。上面、下面的盆分別為2.0、1.5 L的塑料盆，分別裝2.0、1.5 kg供試土壤，中間用孔徑為38 μm的尼龍網(wǎng)隔開(kāi)。AM真菌菌絲可以通過(guò)尼龍網(wǎng)，根系不能通過(guò)尼龍網(wǎng)，因此，下層為菌絲室，上層為根室。根室土壤不施用納米ZnO，菌絲室土壤分別施用0、400、800、1 600、2 400 mg/kg納米ZnO，另外設(shè)置1個(gè)不接菌不施用納米ZnO的對(duì)照處理(NM 0)，共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)4次重復(fù)，共計(jì)24盆。將100 g菌劑均勻混施于根室土壤中，菌劑與土壤混勻，不接菌處理加入等量的滅菌菌劑，并澆灌10 mL過(guò)500目篩的菌劑濾液，使其他微生物群落盡量保持一致。為保證有充足的養(yǎng)分供應(yīng)，裝盆前將NH4NO3、KH2PO4、K2SO4按300 mg/kg氮、150 mg/kg磷、20 mg/kg 鉀的用量均勻混入土壤中。每盆播種5粒玉米種子，出苗后每盆留3棵苗。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中控制土壤含水量在20%左右，避免土壤溶液從花盆底部滲出或澆水過(guò)多引起菌絲室中的納米ZnO污染根室中的土壤。所有盆缽隨機(jī)排列于日光溫室中。自出苗日起10周后收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

玉米收獲前測(cè)量植株株高，植株地上部分和地下部分分開(kāi)收獲，用自來(lái)水沖洗干凈后，再次用去離子水進(jìn)行沖洗，用吸水紙擦干，留取部分細(xì)根測(cè)定菌根侵染率，其余的樣品置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后70 ℃烘干稱質(zhì)量。菌根侵染率利用曲利苯藍(lán)-方格交叉法測(cè)定。植株地上部分和根系的烘干樣品粉碎后，用高氯酸和濃硝酸(體積比為1 ∶5)消煮，原子吸收分光光度法測(cè)定植株體內(nèi)鋅的含量，具體測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

用Excel、SPSS 10.0軟件處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Duncan’s新復(fù)極差法比較各處理之間的差異性(P<0.05)。

參考Harper等的定義[13]，根據(jù)下列公式計(jì)算植物對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率：

植物對(duì)鋅的吸收效率(mg/g)=全株植株對(duì)鋅的吸收總量/根系干質(zhì)量。

植物對(duì)鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)效率(mg/g)=植株地上部分對(duì)鋅的吸收量/根系干質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌根侵染率

不接菌的對(duì)照處理中，玉米根系沒(méi)有菌根侵染。由圖1可知，在各個(gè)納米ZnO施用水平下玉米根系的菌根侵染率均高于49%，達(dá)到了較高的水平。與不施用納米ZnO的處理相比，施用納米ZnO處理的玉米根系菌根侵染率均升高，且隨著納米ZnO施用量的增加菌根侵染率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，納米ZnO的施用量在1 600 mg/kg時(shí)菌根侵染率最高，在 2 400 mg/kg 時(shí)較低，其他水平下沒(méi)有明顯差異。

2.2 玉米株高和生物量

由表2可知，與不接菌的對(duì)照(NM 0)相比，在不同的納米ZnO施用水平下，接種AM真菌處理的玉米植株的地上部干質(zhì)量、株高均升高。與不施用納米ZnO的接菌對(duì)照相比，施用納米ZnO處理的玉米植株的地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量和株高均降低。因此，當(dāng)菌絲室的納米ZnO施用量在0～2 400 mg/kg 范圍時(shí)，接種AM真菌均可有效促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。

表2 各處理組玉米的株高、干質(zhì)量

注：“地上部干質(zhì)量”“根系干質(zhì)量”均為1盆(3株)植株的測(cè)量數(shù)據(jù)。同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.3 玉米植株體內(nèi)的鋅吸收量

由圖2可知，與不接種AM真菌的對(duì)照(NM 0)相比，接菌玉米植株地上部對(duì)鋅的吸收量顯著增加，但納米ZnO的施用水平對(duì)玉米植株地上部對(duì)鋅的吸收量影響不顯著；接菌玉米植株根系對(duì)鋅的吸收量增加不顯著，納米ZnO的施用量為1 600 mg/kg時(shí)，玉米根系對(duì)鋅的吸收量明顯高于其他施用納米ZnO的處理。

2.4 玉米對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率

由圖3、圖4可知，與不接種AM真菌的處理相比，接菌處理的玉米植株對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著提高，這表明接種AM真菌可促進(jìn)玉米植株對(duì)土壤中鋅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。在所有的接菌處理中，不施用納米ZnO處理的鋅吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率最低，當(dāng)納米ZnO的施用量≥800 mg/kg時(shí)，接菌處理的玉米植株對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率與不施用納米ZnO處理相比顯著增加，且隨著納米ZnO施用量的增加，玉米植株對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。這是因?yàn)楦饩z從高濃度的納米ZnO處理中吸收的鋅較多，從而進(jìn)一步促進(jìn)了植株對(duì)鋅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.5 根外菌絲對(duì)鋅吸收的貢獻(xiàn)率

接菌植株與不接菌植株的鋅吸收量差值可認(rèn)為是由菌絲吸收的，由此可以計(jì)算出菌絲吸收鋅對(duì)接菌植株吸收鋅的貢獻(xiàn)率。由表3可知，不同納米ZnO施用水平下的菌絲貢獻(xiàn)率存在差異，但與納米ZnO的施用水平?jīng)]有顯著的相關(guān)性。納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時(shí)，菌絲對(duì)植物吸收鋅的貢獻(xiàn)率最高，為28.05%。

表3 不同處理下根外菌絲對(duì)Zn吸收量的貢獻(xiàn)率

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)采取上下隔網(wǎng)分室裝置來(lái)研究AM真菌根外菌絲吸收轉(zhuǎn)運(yùn)效應(yīng)，一方面可以減少左右分室裝置中菌絲室中的重金屬向根室中遷移，另一方面在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控制澆水量，可以減小菌絲室中的元素遷移到根室中的可能性，因此造成的試驗(yàn)誤差較小，對(duì)根外菌絲對(duì)納米ZnO的響應(yīng)及對(duì)玉米生長(zhǎng)影響的貢獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)是有效的。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，接種AM真菌顯著增加了玉米對(duì)Zn的吸收量，促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育；但接菌條件下在菌絲室中施用不同水平的納米ZnO，對(duì)玉米生長(zhǎng)及根室中的AM真菌產(chǎn)生的影響差別不大。結(jié)果表明，接種AM真菌增加了玉米植株地上部和根系對(duì)鋅的吸收量。在本試驗(yàn)中，根室中沒(méi)有施用納米ZnO，納米ZnO被施用在菌絲室，菌絲室和根室之間用孔徑為38 μm的尼龍網(wǎng)隔開(kāi)，AM真菌菌絲可以通過(guò)尼龍網(wǎng)，根系不能通過(guò)尼龍網(wǎng)。因此，納米ZnO只與AM真菌根外菌絲有聯(lián)系，這說(shuō)明根外菌絲吸收了一部分菌絲室內(nèi)的鋅，菌絲吸收的鋅不僅僅固定在菌絲自身內(nèi)部，也將一部分吸收的鋅轉(zhuǎn)移到了植株根系內(nèi)，并有一部分運(yùn)輸?shù)降厣喜?，這與前人的研究結(jié)果[6-7]部分相一致。Declerck等研究發(fā)現(xiàn)，G.lamellosum的根外菌絲可吸收、積累并轉(zhuǎn)運(yùn)放射性金屬元素137Cs到植物根中[6]。Joner等研究發(fā)現(xiàn)，G.mosseae的根外菌絲可以將109Cd從沙質(zhì)壤土運(yùn)輸?shù)饺~草并把吸收的大部分109Cd固定在根部[9]。還有一些研究證實(shí)了菌根菌絲對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)作用，Hutchinson等發(fā)現(xiàn)，有的菌根植物中10%的109Cd是通過(guò)菌絲吸收的[7]。Rufyikiri等發(fā)現(xiàn)，G.intraradices的菌絲可以將菌絲室中的233U轉(zhuǎn)運(yùn)到植物根中[4]。上述研究中的重金屬(Cd、Cs等)都不是植物生長(zhǎng)所必需的元素，與必需元素鋅相比，AM真菌根外菌絲對(duì)它們的吸收和運(yùn)輸機(jī)制可能不一樣，而本研究采用的又是納米金屬氧化物(ZnO)，迄今還沒(méi)有關(guān)于納米材料和AM真菌根外菌絲之間的相關(guān)細(xì)致研究，因此須要進(jìn)一步深入研究。

與不接菌的對(duì)照(NM 0)相比，接菌處理的根系對(duì)鋅的吸收量在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時(shí)明顯增加，其他水平下略高但差異不明顯，接菌處理的地上部對(duì)鋅的吸收量均顯著增加，這一方面表明根外菌絲從菌絲室吸收了一部分鋅并轉(zhuǎn)運(yùn)到植物根系，另一方面表明根室內(nèi)的菌根促進(jìn)了植株對(duì)土壤中鋅的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。接菌條件下，玉米對(duì)鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率隨著納米ZnO施用量的增加而提高，這進(jìn)一步表明菌絲吸收的鋅轉(zhuǎn)移到植物根系內(nèi)，并可轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部分，還表明根外菌絲吸收的鋅可促進(jìn)宿主體內(nèi)鋅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。而對(duì)于根外菌絲對(duì)鋅的吸收量和轉(zhuǎn)運(yùn)量本試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行細(xì)致研究，有待于進(jìn)一步深入研究。

筆者及筆者所在課題組前期研究表明，隨納米ZnO施用量的增加，玉米根系和地上部對(duì)鋅的吸收量呈現(xiàn)一直顯著增加的趨勢(shì)[10，14]。而本試驗(yàn)中，接菌條件下，隨著納米ZnO施用量的增加，玉米根系對(duì)鋅的吸收量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時(shí)達(dá)到最大。這表明，根外菌絲可能根據(jù)植物和AM真菌對(duì)鋅的需求量來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)吸收鋅的量，這樣可以避免被動(dòng)吸收過(guò)多的鋅對(duì)植物和菌根本身造成傷害。

以上研究結(jié)果表明，在本試驗(yàn)中，接種AM真菌可以有效促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育；AM真菌根外菌絲可以吸收菌絲室中的鋅，并從自身轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主植物根系內(nèi)，并進(jìn)一步向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)；根外菌絲吸收的鋅可以促進(jìn)宿主對(duì)鋅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)；AM真菌根外菌絲對(duì)鋅的吸收可能是主動(dòng)調(diào)節(jié)吸收。

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