納米ZnO脅迫下叢枝菌根真菌根外菌絲對玉米生長及鋅吸收的影響

劉雪琴， 韓 錳， 仝瑞建

(洛陽師范學院生命科學學院，河南洛陽 471934)

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizae，簡稱AM)真菌不僅可以通過改變根系形態(tài)和根際理化狀況來保護植物少受重金屬毒害，還能通過自身的螯合作用和過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真菌和宿主植物對重金屬的不同效應。已有很多研究利用同位素標記法證實了根外菌絲對重金屬的吸收轉(zhuǎn)運作用，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AM真菌及其宿主的影響[10-11]，在此基礎上，本試驗將繼續(xù)研究AM真菌的根外菌絲對納米ZnO的響應及對宿主玉米生長的影響，以期探索納米ZnO對土壤中AM真菌和植物生長的影響，及AM真菌對納米材料的響應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種：鄭單958，由河南省洛陽市農(nóng)業(yè)科學院提供。供試納米材料：納米ZnO，購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2 mm篩，121 ℃高壓蒸汽滅菌2 h，風干后備用。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 試驗方法

試驗于2016年3—7月在洛陽師范學院溫室大棚內(nèi)進行。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。AM真菌菌絲可以通過尼龍網(wǎng)，根系不能通過尼龍網(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，另外設置1個不接菌不施用納米ZnO的對照處理(NM 0)，共6個處理，每個處理設4次重復，共計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，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。在植物生長過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。所有盆缽隨機排列于日光溫室中。自出苗日起10周后收獲。

1.3 測定項目與方法

玉米收獲前測量植株株高，植株地上部分和地下部分分開收獲，用自來水沖洗干凈后，再次用去離子水進行沖洗，用吸水紙擦干，留取部分細根測定菌根侵染率，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-方格交叉法測定。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定植株體內(nèi)鋅的含量，具體測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計

用Excel、SPSS 10.0軟件處理和分析試驗數(shù)據(jù)，用Duncan’s新復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)下列公式計算植物對鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率：

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

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

2 結(jié)果與分析

2.1 菌根侵染率

不接菌的對照處理中，玉米根系沒有菌根侵染。由圖1可知，在各個納米ZnO施用水平下玉米根系的菌根侵染率均高于49%，達到了較高的水平。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，納米ZnO的施用量在1 600 mg/kg時菌根侵染率最高，在 2 400 mg/kg 時較低，其他水平下沒有明顯差異。

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，當菌絲室的納米ZnO施用量在0～2 400 mg/kg 范圍時，接種AM真菌均可有效促進玉米生長。

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)植株的測量數(shù)據(jù)。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在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真菌的對照(NM 0)相比，接菌玉米植株地上部對鋅的吸收量顯著增加，但納米ZnO的施用水平對玉米植株地上部對鋅的吸收量影響不顯著；接菌玉米植株根系對鋅的吸收量增加不顯著，納米ZnO的施用量為1 600 mg/kg時，玉米根系對鋅的吸收量明顯高于其他施用納米ZnO的處理。

2.4 玉米對鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率

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鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率顯著提高，這表明接種AM真菌可促進玉米植株對土壤中鋅的吸收和轉(zhuǎn)運。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)運效率最低，當納米ZnO的施用量≥800 mg/kg時，接菌處理的玉米植株對鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率與不施用納米ZnO處理相比顯著增加，且隨著納米ZnO施用量的增加，玉米植株對鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率呈現(xiàn)升高趨勢。這是因為根外菌絲從高濃度的納米ZnO處理中吸收的鋅較多，從而進一步促進了植株對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運。

2.5 根外菌絲對鋅吸收的貢獻率

接菌植株與不接菌植株的鋅吸收量差值可認為是由菌絲吸收的，由此可以計算出菌絲吸收鋅對接菌植株吸收鋅的貢獻率。由表3可知，不同納米ZnO施用水平下的菌絲貢獻率存在差異，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，菌絲對植物吸收鋅的貢獻率最高，為28.05%。

表3 不同處理下根外菌絲對Zn吸收量的貢獻率

3 討論與結(jié)論

本試驗采取上下隔網(wǎng)分室裝置來研究AM真菌根外菌絲吸收轉(zhuǎn)運效應，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，另一方面在試驗過程中通過控制澆水量，可以減小菌絲室中的元素遷移到根室中的可能性，因此造成的試驗誤差較小，對根外菌絲對納米ZnO的響應及對玉米生長影響的貢獻的統(tǒng)計是有效的。

本試驗結(jié)果表明，接種AM真菌顯著增加了玉米對Zn的吸收量，促進了玉米的生長發(fā)育；但接菌條件下在菌絲室中施用不同水平的納米ZnO，對玉米生長及根室中的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鋅的吸收量。在本試驗中，根室中沒有施用納米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，AM真菌菌絲可以通過尼龍網(wǎng)，根系不能通過尼龍網(wǎng)。因此，納米ZnO只與AM真菌根外菌絲有聯(lián)系，這說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]。還有一些研究證實了菌根菌絲對重金屬的吸收轉(zhuǎn)運作用，Hutchinson等發(fā)現(xiàn)，有的菌根植物中10%的109Cd是通過菌絲吸收的[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)都不是植物生長所必需的元素，與必需元素鋅相比，AM真菌根外菌絲對它們的吸收和運輸機制可能不一樣，而本研究采用的又是納米金屬氧化物(ZnO)，迄今還沒有關(guān)于納米材料和AM真菌根外菌絲之間的相關(guān)細致研究，因此須要進一步深入研究。

與不接菌的對照(NM 0)相比，接菌處理的根系對鋅的吸收量在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時明顯增加，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)運到植物根系，另一方面表明根室內(nèi)的菌根促進了植株對土壤中鋅的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運。接菌條件下，玉米對鋅的吸收效率和轉(zhuǎn)運效率隨著納米ZnO施用量的增加而提高，這進一步表明菌絲吸收的鋅轉(zhuǎn)移到植物根系內(nèi)，并可轉(zhuǎn)運到植物地上部分，還表明根外菌絲吸收的鋅可促進宿主體內(nèi)鋅的吸收和轉(zhuǎn)運。而對于根外菌絲對鋅的吸收量和轉(zhuǎn)運量本試驗沒有進行細致研究，有待于進一步深入研究。

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鋅的吸收量呈現(xiàn)一直顯著增加的趨勢[10，14]。而本試驗中，接菌條件下，隨著納米ZnO施用量的增加，玉米根系對鋅的吸收量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時達到最大。這表明，根外菌絲可能根據(jù)植物和AM真菌對鋅的需求量來主動調(diào)節(jié)吸收鋅的量，這樣可以避免被動吸收過多的鋅對植物和菌根本身造成傷害。

以上研究結(jié)果表明，在本試驗中，接種AM真菌可以有效促進玉米的生長發(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)運到宿主植物根系內(nèi)，并進一步向地上部轉(zhuǎn)運；根外菌絲吸收的鋅可以促進宿主對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運；AM真菌根外菌絲對鋅的吸收可能是主動調(diào)節(jié)吸收。

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