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丛枝菌根(AM)对重金属污染耐受性机理研究

申鸿  
【摘要】:“环境危机”的一个重要方面,是土壤重金属污染导致环境质量下降。丛枝菌根真菌作为植物根系和土壤的联系纽带,能够在土壤重金属污染的修复方面起重要作用,为土壤污染的生物修复提供一条新思路。 通过国内外十多年的相关研究,已获得了一些重金属耐受性丛枝菌根真菌菌株,不过,这仅是开展重金属污染生物修复的基础和前提。要使重金属污染的生物修复成为可能,这就要求所应用的菌株,既具有重金属的耐受性,又具有向植物体转运重金属的能力。这就要将研究的重点,放在丛枝菌根与重金属污染物的相互关系及耐受和转运机理方面。 本研究在严格的人工控制条件,采用盆栽模拟试验。在石灰性土壤上模拟单一和复合的重金属锌、镉、铜污染,以玉米(Zea mays L.,农大108)为供试植物,从耐重金属丛枝菌根真菌菌株筛选入手,研究在不同重金属污染逆境条件下,菌根真菌的侵染对植物生长,以及吸收、分配重金属元素的影响,探索丛枝菌根真菌~宿主植物~土壤重金属元素之间的相互作用特性和机理,为菌根在重金属污染土壤的生物修复提供理论依据。 以不同菌根真菌(G. mosseae、G. intraradices、G. Caledonium、G. clarum、G. spp.)对玉米接种,发现在最高施Zn或Cd条件下(Zn900或Cd150mg·kg~(-1)),G. caledonium的菌根侵染率分别达到41.6%、33.6%,并对玉米植株的生长有良好的促进作用。以此为根据,确定该菌种为后续研究的供试菌种。 单一施Zn试验中,G. caledonium的侵染,不仅使宿主植物表现出良好的重金属抗性,而且促进了菌根玉米的生长:即使是施锌达最高水平时(Zn 600mg·kg~(-1)),由于菌根的形成,植株磷吸收总量较非菌根玉米提高了61.4%,叶片和根系的生物量也分别增加5.4%和16.2%。此外,试验还发现,在施Zn水平为中等时(Zn 300mg·kg~(-1)),菌根玉米的根系Zn含量和Zn积累量均显著高于未接种处理,显示Zn在根系中的潴留增加;在施高水平Zn时(Zn 600mg·kg~(-1)),菌根玉米不仅强化了根系对Zn的积累,而且还显著加强了Zn向叶片的运输。结果表明,由于菌根的形成,不仅能通过“生物稀释效应”,缓解宿主植物的Zn毒害,还能增强锌从土壤中的移出,一定程度地实现了对锌污染土壤的生物修复。 西南农业大学博士学位论文 通过研究接种菌根真菌对玉米吸收、利用矿质元素的影响,发现在土壤不同施Zn条件下, 由于菌根的形成,非常显著地稳定了菌根玉米体内Fe、Cu、Mn、Mg、Ca等元素的含量,维 持了植物矿质元素的营养平衡。该结果从植物营养学角度,证明了菌根的形成能改善宿主植 物在Zn污染逆境条件下的生长状况,有助于提高植物对土壤重金属污染的抗性。 单一施cu试验中,即使是在最高施cu水平下(cul50mg’kg一,),仍有54.7%的玉米根 系被G.caledonium侵染,说明该菌种对土壤Cu污染有良好的抗性。接种菌根真菌后,通过 有效改善植株磷营养、阻止土壤酸化和降低重金属浓度等途径,显著增强宿主植物对Cu污染 的抗性。在最高施Cu水平时,菌根玉米的根系干重、根长与相应的非菌根玉米相比,分别提 高了109.9%和36.3%。更值得注意的是,在此施cu水平下,菌根玉米地上部和根系的Cu含 量较非菌根玉米分别减少25.7%和24.1%,而菌根植物体内的Cu积累总量则增加了58.7%, 且所吸收的Cu绝大多数被积累于根系中。结果强烈地表明,在Cu污染环境中,菌根效应表 现在一方面相对降低植株Cu含量,另一方面促进植物对Cu的吸收,并将其储留于菌根共生 体中。这不仅是菌根的“生物稀释”效应在促进玉米对Cu毒害耐受性的体现,也是菌根有助 于Cu污染物从土壤中的高效移出作用的体现。 在单一施cd试验中,当施cd水平为25mg’kg一,时,接种G.。aledonium使得宿主植株 发生了以下变化:植株吸磷总量提高了近4倍,土壤可溶态Cd浓度降低5.1%,并显著缓解 土壤酸化程度。而且,通过菌根这一有机屏障的形成,储留了99.7%以上的Cd离子。+MCd25 处理的植株cd吸收总量达到所有处理的最高,平均为987.2 mg·pot一,,较一Mcd25处理提高 391.8%。并且,在植株地上部中,Cd含量减少近40%,而Cd积累量却提高了185%。说明在 该施Cd水平下,接种丛枝菌根真菌后,一方面能有效降低植株体内Cd含量,实现菌根对宿 主植物的生态保护作用;另一方面加强了对Cd的吸收和向地上部的转运,实现了对土壤中 cd污染物的有效移出。此外,试验结果还表明,虽然在施cd水平高达100 mg·k岁时,G. caledonium对玉米的侵染率仍达到41 .1%,但由于Cd所表现出的强烈的生物毒性,致使该施 Cd水平时,菌根对宿主植物的生态保护效应无法体现。 在Zn一Cu复合处理试验中,丛枝菌根真菌对玉米根系的侵染,较单一施Zn或施Cu处理 显著地降低,但在混施重zn和重Cu处理中(+MzngooCul50),菌根侵染率仍达到近43%。 该结果表明,一方面,重金属的复合污染能更显著地抑制丛枝菌根真菌对玉米根系的侵染, 另一方面,G.caledonium对Zn一Cu复合污染仍具有较高抗性。由于离子间存在着交互作用, 使得重金属复合污染与单一污染的生物效应有所不同。Zn一Cu复合处理时,植株生物量表现为: 单一施CuZn一Cu复合处理单一施Zn


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