叢枝菌根真菌對砷脅迫下棉花根系形態(tài)和生理特征的影響

劉凱洋，邱智軍，張巧明，張盎然， 龔明貴*

(1 河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽 471023；2 河南科技大學(xué) 園藝與植物保護學(xué)院，河南洛陽 471023；3 河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，微生物資源開發(fā)與利用重點實驗室，河南洛陽 471023)

砷(As)是一種在自然界中有著廣泛分布的類金屬元素，其毒性極強且難以降解。由于含砷礦物的開采冶煉、農(nóng)藥化肥的應(yīng)用以及煤的燃燒等因素，大量的砷元素排放到土壤或水環(huán)境中，造成全球范圍內(nèi)不可逆的砷污染[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織公布，全球至少有5000多萬人口正面臨著嚴重的砷中毒狀況，極大地威脅了全球的環(huán)境安全和人類健康，其中大多數(shù)為亞洲國家，而中國正是受砷中毒危害最為嚴重的國家之一[2]。砷可與植物體內(nèi)咪唑、羧基等結(jié)構(gòu)間接結(jié)合或與DNA、蛋白直接結(jié)合，從而干擾植物體內(nèi)一系列正常的酶促反應(yīng)[3-4]。過量的砷可使植物體內(nèi)積累大量的活性氧，其極強的氧化性能夠破壞核酸結(jié)構(gòu)、影響相關(guān)氨基酸同化，使植物抗氧化、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)遭到損傷，影響植物的根系發(fā)育和生長品質(zhì)[5-7]。砷還可通過在作物食用部分的積累經(jīng)食物鏈危害人體健康[8]，如何提高重金屬污染土壤修復(fù)效率成為備受矚目的問題。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizae fungi，AMF)廣泛存在于土壤中，可與大多數(shù)陸生植物建立菌根共生體系，能夠明顯提高植物抵御生物和非生物脅迫的能力[9]。菌根共生系統(tǒng)可加強寄主植物對磷、氮、鉀等養(yǎng)分的吸收，在增強宿主植物生長發(fā)育的同時保證AMF正常的生命活動[10]。在重金屬污染土壤中，AMF可發(fā)揮過濾、螯合作用，通過巨大的菌絲網(wǎng)絡(luò)吸附大量重金屬，或通過叢枝、泡囊等結(jié)構(gòu)將重金屬“區(qū)室化”，將其固定在共生界面中從而抑制重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運能力，進一步減弱重金屬毒害效應(yīng)[11-12]。利用AMF提高植物的重金屬耐受性成為植物修復(fù)重金屬污染土壤的重點。AMF接種可促使As污染土壤中刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)植株菌根化，通過刺激刺槐的生長和根系發(fā)育增強其自身砷耐受能力[5]。AMF能通過提高接種玉米(ZeamaysL.)葉片中保護酶活性，降低根系對砷的吸收及砷向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)來減輕砷毒害，從而使玉米耐砷性得到提升[13]。

棉花(Gossypiumspp.)又名陸地棉，為錦葵科棉屬，是中國重要的農(nóng)作物和經(jīng)濟作物，其種植范圍廣，易于栽培管理。有研究表明，棉花抗逆性良好，是土壤重金屬污染修復(fù)的優(yōu)勢作物，其較大的生物量或可從土壤中吸收更多的重金屬，且棉花本身易于拔除轉(zhuǎn)移，不會造成再次污染[14]。近年來廣大學(xué)者就植物對砷的耐受機理做了大量研究，但主要集中在蔬菜作物和糧食作物上，有關(guān)砷對棉花生長、生理特征影響的報道并不多，砷脅迫下AMF影響棉花耐砷性的研究更為鮮見。因此，本研究采用盆栽試驗方式對不同濃度砷脅迫下AMF接種棉花的生長狀況、砷穩(wěn)定性、根系形態(tài)特征以及根和葉的滲透調(diào)節(jié)能力、抗氧化能力等方面進行綜合性考察，進一步明確AMF對棉花耐砷能力的影響，旨在探究AMF提高棉花耐砷性的可能機制，為AMF在土壤砷污染修復(fù)中的應(yīng)用提供新思路。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

參試棉花品種為‘大鈴棉69號’，種子由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。供試菌種由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所提供，分別為根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagusintraradices，編號BGC BJ09)和摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae，編號BGC XZ02A)。接種體由菌根碎片、孢子、根外菌絲體和沙子組成。供試土壤為黃土和沙土，均從河南科技大學(xué)植物園獲得。

1.2 材料培養(yǎng)與處理

選取飽滿的棉花種子用75%乙醇消毒15 min，再用去離子水將種子沖洗數(shù)次直至其表面無乙醇殘留，在恒溫水浴30 ℃下泡發(fā)12 h使其充分吸收水分，將泡發(fā)后種子的種皮剝?nèi)?，然后置于搪瓷托盤中，28 ℃恒溫條件下培養(yǎng)至出芽。

將黃土、沙土過2 mm篩網(wǎng)，黃土在121 ℃和0.11 MPa條件下蒸壓2 h，沙土在180 ℃下干熱滅菌2 h，將滅菌后的黃土和沙土按2∶1均勻混合成土壤基質(zhì)，土壤基質(zhì)中有機質(zhì)含量為17.38 g/kg，有效氮含量為37.84 mg/kg，有效磷含量為8.17 mg/kg，有效鉀含量為103.47 mg/kg，pH 7.8，As5+濃度為7.72 mg/kg，F(xiàn)e3+濃度為4.82 mg/kg，Mn2+濃度為1.87 mg/kg，Cu2+濃度為0.21 mg/kg，Zn2+濃度為1.02 mg/kg。以噴灑Na3AsO4·12H2O水溶液的方式加入外源As，使土壤As濃度分別為100 mg/kg(中度污染)、200 mg/kg(重度污染)(下文中包含As含量測定在內(nèi)所提及的As濃度均為As5+濃度)，不噴灑砷鹽溶液的土壤基質(zhì)設(shè)為空白對照，即0 mg/kg。在塑料花盆(底徑15 cm、上徑18 cm、高度25 cm)中分別裝入3.0 kg不同As濃度的土壤基質(zhì)。

盆栽試驗在2020年5月至8月進行，設(shè)計不接種(CK)、根內(nèi)根孢囊霉接種(簡稱RI)和摩西斗管囊霉接種(簡稱FM)3組接種處理，在RI和FM處理組的每個花盆距土壤表面1/3深度層接種30 g相應(yīng)的菌根混合物，CK處理組接種經(jīng)高溫滅菌的同重量菌種。在距土壤表面2 cm深度層播種4～5粒出芽程度一致的棉花種子，出苗2周后每盆保留2株長勢較好的棉花幼苗，每組處理10次重復(fù)。本試驗在自然環(huán)境條件下進行，生長溫度為20～35 ℃，相對濕度為50%～75%。棉花生長過程中，為了減輕磷對叢枝菌根真菌菌絲生長的抑制，每周澆磷含量為原配方1/4的Hoaglang’s營養(yǎng)液[15]50 mL。

1.3 測定指標及方法

棉花培養(yǎng)90 d后(8月16日)收獲取樣，將每組處理收獲后的新鮮棉花植株隨機分為三部分，一部分新鮮的植株用于侵染率、生長指標和根系形態(tài)參數(shù)測定，一部分植株用于As含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)測定，一部分植株沖洗干凈后取根系和葉片保存于4 ℃冰箱進行生理指標的測定。每項指標取樣均重復(fù)3次。

1.3.1 菌根侵染率將新鮮的棉花根系沖洗干凈吸去表面水分，按照Philips的方法進行染色[16]，在光學(xué)顯微鏡下觀察其根外菌絲及叢枝的侵染情況，并應(yīng)用Giovannetti的菌根侵染評價方法測定侵染率[17]。

1.3.2 幼苗生長指標將收獲后的棉花根部多余土壤掃去，用去離子水沖洗后吸去多余水分。先用刻度尺測量其株高，然后將其分為根和地上部分，一部分根用于根系活力測定，余下的根與地上部分于70 ℃烘干至恒重，稱得干重，并依據(jù)測定結(jié)果計算根冠比(根冠比=根干重/地上部干重)。根系活力采用TTC還原法測定[17]。

1.3.3 植株As含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)采用HNO3-HClO4法將植物樣品消解后，使用ICP-OES測定棉花體內(nèi)As濃度，引入轉(zhuǎn)移系數(shù)評價棉花體內(nèi)As積累狀況及耐性[18]，轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部As濃度/地下部As濃度。

1.3.4 根系形態(tài)參數(shù)與構(gòu)型用自來水將棉花植株完整的根部沖洗干凈，使用根系掃描儀掃描，并用配套的Win-RHIZO2003b軟件分析其總根長、根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)和根叉數(shù)與根系直徑構(gòu)型。

1.3.5 根系及葉片生理指標采用浸提法測定棉花根、葉的相對電導(dǎo)率。精確稱取0.2 g植物組織，加50 mL去離子水，25 ℃下靜置12 h，測電導(dǎo)率記為R1，而后沸水浴10 min，測電導(dǎo)率記為R2，相對電導(dǎo)率= R1/R2×100%。丙二醛(MDA)含量、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量參照李合生的方法測定[19]。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性參照高俊鳳的方法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以上所有試驗均重復(fù)測量3次，采用SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果用平均值±標準差表示。采用單因素方差分析(Duncan多重對比檢驗，P<0.05)檢驗各指標在不同處理間的差異顯著性。采用Excel 2019 制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 As脅迫對棉花根系A(chǔ)MF侵染率的影響

在不接種處理組所有植株中均未觀察到AMF侵染的棉花根系，即AMF侵染率均為0；在接種處理組中，AMF與棉花根系的共生關(guān)系明顯，根外有相互纏繞的菌絲，根細胞內(nèi)有叢枝出現(xiàn)(圖1)。由圖2可知，隨著As濃度的增加，棉花根系總侵染率和叢枝侵染率均呈逐漸下降的趨勢，可能是由于As的脅迫對AMF侵染根細胞和菌根共生體發(fā)育環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。其中，RI接種組棉花根系的總侵染率和叢枝侵染率在As脅迫下均比空白對照(0 mg/kg)顯著降低，降幅分別為28.14%、44.06%和21.11%、39.03%；FM接種組棉花根系的總侵染率和叢枝侵染率在200 mg/kg As脅迫下也顯著降低，降幅分別為33.29%和31.32%。同時，在同一As脅迫條件下，F(xiàn)M接種組根系的總侵染率和叢枝侵染率大多顯著高于RI接種組?？梢姡ξ鞫饭苣颐箤γ藁ǜ档那秩韭矢?，受到As脅迫后侵染率下降幅度更小，它在As污染土壤環(huán)境下更具與棉花建立菌根共生體系的優(yōu)勢。

圖1 棉花根系A(chǔ)MF(根內(nèi)根孢囊霉)侵染情況Fig.1 AMF (Rhizophagus intraradices) infection status in the cotton roots

RI.根內(nèi)根孢囊霉接種;FM.摩西斗管囊霉接種，柱上不同小寫字母代表處理間在0.05 水平存在顯著性差異(P<0.05)，下同圖2 不同As濃度下棉花根系中AMF侵染率RI. Inoculation with Rhizophagus intraradices; FM. Inoculation with Funneliformis mosseae; The different normal letters on the column indicate significant differences among treatments at 0.05 level (P < 0.05), the same as belowFig.2 AMF infection rate in the cotton roots under different As concentration treatments

2.2 As脅迫下AMF接種對棉花植株生長指標的影響

隨著As濃度的增大，各接種處理組棉花株高、根干重、地上部干重、根冠比和根系活力均呈下降趨勢；在相同As濃度下，AMF接種組棉花各生長指標相比于不接種處理(CK)均有不同程度的增加，且FM接種處理的效果優(yōu)于RI接種處理(表1)。其中，無外源As脅迫時，RI接種組棉花株高、單株干重、根冠比和根系活力分別比CK顯著提高了22.05%、28.15%、8.33%和30.13%，F(xiàn)M接種組則分別顯著提高34.55%、31.96%、22.22%和57.21%；在100 mg/kg As脅迫下，RI和FM接種處理以上各生長指標分別提高了15.10%、37.50%、35.65%、36.00%和37.93%、59.76%、44.35%、93.73%，且除RI接種處理的株高外均達到顯著水平；在200 mg/kg As脅迫下，RI接種處理僅根系活力比CK顯著提高了28.97%，F(xiàn)M接種處理以上各指標仍均顯著高于CK，增幅分別為31.78%、54.81%、27.35%和98.63%。可見，As脅迫可抑制棉花生長，AMF接種可以同時顯著促進非脅迫和脅迫下棉花植株的生長，顯著緩解As脅迫的抑制效應(yīng)，且FM接種緩解As毒害的作用比接種RI程度更高、效果更好。

表1 不同As濃度下AMF接種對棉花植株生長狀況的影響

2.3 As脅迫下AMF接種對棉花體內(nèi)As積累的影響

棉花地上部和地下部的As濃度均隨外源As濃度增大而快速增加，但地上部As濃度總是低于地下部(表2)。其中，在無外源As脅迫時，AMF接種組棉花地上部、地下部As濃度與CK差異性不顯著；在外源As濃度為100 mg/kg時，RI和FM接種組棉花地上部As濃度分別顯著降低44.24%和49.92%，而其地下部As濃度均無顯著變化；在外源As濃度為200 mg/kg時，RI和FM接種組棉花地上部As濃度分別顯著降低11.14%和31.94%，地下部As濃度分別顯著降低了8.14%和20.62%。同時，外源As濃度為0、100、200 mg/kg時，RI接種組棉花As轉(zhuǎn)移系數(shù)分別顯著降低了22.92%、38.10%和2.44%，F(xiàn)M接種組則分別顯著降低了47.92%、47.62%和12.20%?？梢?，AMF可能通過促進植株生長來顯著稀釋、降低棉花體內(nèi)的As濃度，同時能夠改變棉花體內(nèi)As的分配，限制其向地上部遷移，降低了As在棉花地上部的富集,且FM接種的效果更好。

表2 不同As濃度下AMF接種對棉花體內(nèi)As積累的影響

2.4 As脅迫下AMF接種對棉花根系形態(tài)與構(gòu)型的影響

各接種組棉花根系特征參數(shù)均隨著外源As濃度的增大而減小，CK和RI接種組多在100 mg/kg As脅迫時就比無As脅迫處理(0 mg/kg)顯著降低，而FM接種組僅在200 mg/kg As脅迫時顯著降低；AMF接種可使棉花總根長等根系形態(tài)指標比不接種組(CK)顯著提高，且FM接種組的促進效果總是優(yōu)于RI接種組(圖3)。其中，RI接種組棉花總根長在0和100 mg/kg As處理時與CK無顯著差異，在200 mg/kg As時比CK顯著提高26.07%，而FM接種組棉花總根長在0、100、200 mg/kg As時均比CK顯著提高，增幅分別為41.67%、70.85%和71.21%；與無As脅迫相比，CK、RI接種和FM接種處理總根長在200 mg/kg As脅迫時分別顯著下降36.07%、38.17%和22.74%。由此可知AMF接種可有效促進As脅迫下棉花根系發(fā)育，提高總根生長量，但隨著As脅迫加重FM接種處理組的總根長下降的幅度更小。除總根長外，As脅迫下各接種處理組其余根系特征參數(shù)根直徑、根面積、根體積、根叉數(shù)和根尖數(shù)的表現(xiàn)亦是如此。

圖3 不同As濃度下AMF接種對棉花根系形態(tài)參數(shù)的影響Fig.3 The morphological parameters of cotton roots with AMF inoculation under different As concentration treatments

同時，圖4顯示，無接種處理(CK)時，隨著As脅迫加重，棉花0～0.2 mm徑級根長百分比逐漸增大，而0.5～1.0 mm和 >1.0 mm徑級根長百分比逐漸降低。在相同As脅迫濃度下，AMF接種降低了棉花0～0.2 mm徑級根長百分比，而增加了0.5～1.0 mm和 >1.0 mm徑級根長的百分比。其中，在無外源As脅迫時，RI和 FM接種組棉花0～0.2 mm徑級根長百分比分別下降了21.43%和23.43%，而 >1.0 mm徑級的根長百分比分別增加了58.97%和97.44%，F(xiàn)M接種使棉花表現(xiàn)出更高的耐As性；在100、200 mg/kg As脅迫時，F(xiàn)M接種組棉花1.0 mm徑級根長百分比的增長幅度低于RI接種組，但其0.2～0.5 mm、0.5～1.0 mm徑級根長百分比的增長幅度卻高于RI接種組。結(jié)合圖3可知，F(xiàn)M接種處理使棉花表現(xiàn)出的整體耐As性更優(yōu)，減緩As毒性能力更強。可見，As脅迫能夠明顯抑制棉花根系發(fā)育，而AMF接種能有效促進As脅迫根系生長發(fā)育，減緩在As污染土壤中遭受的根際脅迫。

CK.不接種；RI.根內(nèi)根孢囊霉接種; FM.摩西斗管囊霉接種; 0、100、200分別表示外源As濃度為0 、100 和200 mg/kg圖4 不同As濃度下AMF接種對棉花各徑級根長占總根長百分比的影響CK. Non-inoculation; RI. Inoculation with Rhizophagus intraradices; FM. Inoculation with Funneliformis mosseae; 0, 100 and 200 mg/kg. The concentration of exogenous As was 0, 100 and 200 mg/kg, respectivelyFig.4 Percentage of root length in different diameter classes in cotton plants with AMF inoculation under different As concentration treatments

2.5 As脅迫下AMF接種對棉花根系和葉片細胞膜透性的影響

相對電導(dǎo)率和MDA含量是評價細胞膜過氧化及損傷程度的重要指標。由圖5可知，隨著As脅迫濃度增大，各接種組棉花根和葉相對電導(dǎo)率和MDA含量均呈逐漸顯著增大的趨勢，說明As脅迫使棉花體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，降低了棉花根、葉細胞膜的穩(wěn)定性。在同一濃度As脅迫下，AMF接種組棉花根和葉的相對電導(dǎo)率、MDA含量基本表現(xiàn)出一致的下降趨勢，而根系相對電導(dǎo)率和MDA含量均明顯高于相應(yīng)葉片，說明As脅迫對棉花根細胞膜的損傷程度高于葉細胞膜，接種AMF能有效緩解這種損傷。其中，在無外源As脅迫時，僅FM接種組棉花葉片相對電導(dǎo)率顯著降低，而RI和FM接種組根系、葉片的MDA含量均顯著降低，F(xiàn)M接種組降幅分別為36.33%、38.7%；在100、200 mg/kg As脅迫下，F(xiàn)M接種組表現(xiàn)出比RI接種組更強的緩解效應(yīng)，F(xiàn)M接種組棉花根和葉中相對電導(dǎo)率分別降低了31.12%、23.69%和30.88%、44.09%，其根和葉中MDA含量分別相應(yīng)降低了41.71%、39.44%和45.90%、27.61%。說明AMF接種能夠有效緩解As脅迫誘導(dǎo)的過氧化作用，顯著提高其細胞膜的穩(wěn)定性，有效降低了As對棉花根、葉細胞的毒害。

圖5 不同As濃度下AMF接種對棉花膜透性的影響Fig.5 The membrane permeability in cells of cotton leaves and roots with AMF inoculation under different As concentration treatments

2.6 As脅迫下AMF接種對棉花根系和葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表3可知，各接種組棉花根和葉中可溶性糖含量均隨著As脅迫濃度增大呈逐漸降低趨勢，但僅葉中可溶性糖含量在As濃度間差異顯著；在0、100、200 mg/kg As處理下，接種組棉花根和葉中可溶性糖含量均比不接種組(CK)不同程度增加，且FM接種組增幅大于RI接種組，根增幅大于葉片，其中的FM接種組根系可溶性糖含量分別比CK顯著提高了101.45%、78.16%和83.62%，而其葉片分別增加32.68%、15.90%和46.43%。同時，各接種組棉花根和葉中可溶性蛋白含量也隨As濃度升高而顯著降低，且根中降幅更大；AMF接種組棉花根中可溶性蛋白含量在0、100 mg/kg處理時均比CK組顯著提高，在200 mg/kg As脅迫下稍有增加，而其葉部可溶性蛋白含量在各As濃度脅迫下均與CK無顯著差異，但總體上FM接種組葉部可溶性蛋白的積累能力均優(yōu)于RI接種組；FM接種組根系可溶性蛋白含量在0、100 mg/kg As濃度下分別比相應(yīng)CK組顯著提高了17.97%、29.80%，RI接種組則分別顯著增加22.61%和33.52%。另外，各AMF接種組棉花葉和根中脯氨酸含量均隨As濃度升高而降低，RI接種組降幅在100 mg/kg處理時即達到顯著水平，CK和FM組降幅均在200 mg/kg處理時達到顯著水平；AMF接種組脯氨酸含量大多比相應(yīng)CK顯著提高，RI接種組根和葉中脯氨酸含量分別提高了4.67%～23.24%和19.31%～27.87%，F(xiàn)M接種組則分別提高了12.83%～26.85%和32.23%～39.09%?？梢?，As脅迫使棉花根和葉內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸積累受到了阻礙，體內(nèi)滲透平衡遭到了明顯破壞；AMF接種可使這種毒害效應(yīng)得到顯著緩解，有效促進棉花根和葉片中滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡。

表3 不同As濃度下AMF接種對棉花根和葉滲透物質(zhì)含量的影響

2.7 As脅迫下AMF接種對棉花根系和葉片抗氧化酶活性的影響

如圖6所示，隨著外源As脅迫濃度的增加，各接種組棉花根和葉的SOD、POD、CAT活性均呈現(xiàn)出相似的逐漸降低趨勢，且其降幅均在200 mg/kg As脅迫時達到顯著水平，說明As脅迫下棉花根和葉的抗氧化酶活性被抑制，抗氧化能力明顯減弱。在同一As濃度脅迫下，AMF接種組棉花根和葉的SOD、POD、CAT活性均比不接種處理(CK)有不同程度提高，而FM接種組又始終高于相應(yīng)的RI接種組，且FM接種組根和葉的抗氧化酶活性多與相應(yīng)CK差異顯著，RI接種組與相應(yīng)CK組差異大多不顯著，即FM接種對棉花抗氧化酶活性提升幅度高于RI接種。其中，在200 mg/kg As脅迫時，F(xiàn)M接種組棉花根部SOD、POD、CAT活性分別比相應(yīng)CK組顯著提高32.55%、37.50%和81.80%，葉部活性分別顯著提高71.94%、53.75%和91.35%。以上結(jié)果表明As脅迫會明顯抑制棉花體內(nèi)抗氧化酶活性，AMF接種可增強體內(nèi)酶促抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力從而緩解As對棉花毒性作用，提高棉花酶促抗氧化系統(tǒng)在As污染環(huán)境中的穩(wěn)定性，且FM接種緩解As氧化脅迫的能力更強。

圖6 不同As濃度下AMF接種對棉花根和葉抗氧化酶活性的影響Fig.6 The antioxidant enzyme activities in the leaves and roots of cotton with AMF inoculation under different As concentration treatments

3 討 論

AMF接觸到植物細胞壁后可在細胞內(nèi)部形成“叢枝”結(jié)構(gòu)，叢枝是吸附、固定重金屬的一種主要結(jié)構(gòu)[21]。本研究中兩種AMF(根內(nèi)根孢囊霉和摩西斗管囊霉)接種后棉花根系總侵染率和叢枝侵染率均隨As濃度增大而下降，但FM接種總侵染率與叢枝侵染率下降幅度均較RI接種低。Zhang等[5]的研究表明隨著As脅迫的加重RI對刺槐侵染率有不同程度的下降，本試驗結(jié)果與之具有一致性，可能是由于As毒害抑制了AMF孢子萌發(fā)和菌絲生長[11]；張莘等[11]發(fā)現(xiàn)不同種類的AMF對As耐受性不同，本研究通過測定侵染率表明FM較RI具有更強的耐As能力。

植物株高、生物量等生長指標是植物受重金屬傷害最直觀的表現(xiàn)，根系活力直接影響植株生長狀況。As的化學(xué)結(jié)構(gòu)與P相似，As5+可通過細胞膜上的磷轉(zhuǎn)運通道進入植物體內(nèi)造成ATP產(chǎn)能下降，影響其光合代謝，進而影響其生長發(fā)育[7]。本研究中，As脅迫明顯抑制了棉花生長發(fā)育與根系活力，AMF接種可顯著提升As脅迫棉花株高、生物量與根系活力，并提高了生物量在根系的分配比，這可能是由于AMF提升了棉花吸收微量元素及水分的能力或抑制了磷高親和吸收系統(tǒng)，從而促進了植株生長[11]。同時，本研究中棉花地下部As濃度總是高于地上部，AMF接種可降低棉花地下部和地上部分的As濃度并顯著降低其轉(zhuǎn)移系數(shù)，阻止As向地上部遷移。趙寧寧[22]報道，As脅迫蜈蚣草(PterisvittataL.)葉片中As濃度高于根部，而玉米各同器官中As積累量依次為根>莖>葉，這與不同種類植物的富集差異性有關(guān)；有研究表明，幼套近明球囊霉(Claroideoglomusetunicatum)接種可有效促進As污染下玉米的生長發(fā)育，并將As固定在玉米根系中，降低其葉中As濃度和有效轉(zhuǎn)移系數(shù)，緩解As毒害作用[22]，本研究結(jié)果與之一致。

根系作為與土壤接觸最近的部分以及植物吸收、合成的主要器官，其發(fā)育經(jīng)常受到重金屬毒性的影響，根伸長程度、根叉和根尖數(shù)等指標是判斷根系發(fā)育是否良好的形態(tài)特征參數(shù)[23]，根系形態(tài)參數(shù)是植物重金屬耐受性的重要衡量標準。本研究中棉花各根系形態(tài)參數(shù)均隨著As脅迫加重而呈逐漸下降的趨勢。這是植物逆境下自我保護的表現(xiàn)，通過減少根的分布來抵御逆境帶來的傷害，以最小化的生理代謝最大限度地獲取養(yǎng)分[24]，但AMF接種可顯著提高根系形態(tài)指標以緩解毒害效應(yīng)。同時，As脅迫增大了0～0.2 mm直徑級的根長比，減小了0.5～1.0 mm和 >1.0 mm直徑級的根長比，而AMF接種降低了0～0.2 mm徑級的根長百分比，增大了0.5～1.0 mm和 >1.0 mm徑級的根長百分比。這與Zhang等[5]報道的RI接種可有效促進As脅迫下刺槐根系發(fā)育的研究結(jié)果相似，由此說明AMF接種可通過影響植物根系形態(tài)來提高其耐As性。

在生理代謝方面，植物具備一套滲透調(diào)節(jié)保護機制來維持As脅迫下細胞的結(jié)構(gòu)和功能[25]。隨著As脅迫加重，本研究中棉花滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)受損傷程度逐漸加深，棉花根、葉細胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，細胞內(nèi)可溶物外滲，相對電導(dǎo)率逐漸增大；AMF接種能有效促使棉花根和葉的相對電導(dǎo)率降低，可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量得到提升，進而證明AMF接種可有效緩解As對棉花細胞的損傷，誘導(dǎo)根、葉中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，維持其細胞內(nèi)正常的滲透壓調(diào)節(jié)、水分運輸?shù)壬泶x活動。除滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)外，本研究中As脅迫下棉花根、葉中的抗氧化酶活性也均受到不同程度的抑制，MDA含量顯著升高，這是由于活性氧產(chǎn)生速率大于分解速率，破壞了活性氧代謝的穩(wěn)態(tài)平衡。趙秀峰等[26]研究發(fā)現(xiàn)，小白菜(BrassicacampestrisL.)葉片和根系中抗氧化酶活性隨As脅迫濃度增大而增大，但王春梅[27]的試驗結(jié)果表明，As對不同基因型的谷子(OryzasativaL.)SOD等抗氧化酶均呈現(xiàn)出“低促高抑”的效應(yīng)，As濃度高于谷子耐受閾值便會破壞其抗氧化系統(tǒng)，使其酶活性受到抑制，MDA含量升高。本研究中，棉花根和葉中抗氧化酶活性均隨As脅迫加重而下降，應(yīng)是‘大鈴棉69號’棉花的耐As閾值較低。Garg等[28]的研究表明摩西球囊霉(Glomusmosseae)接種能夠有效提高As脅迫下豌豆(PisumsativumLinn.)抗氧化酶活性，本試驗也得到了相似的結(jié)果，AMF接種使棉花體內(nèi)抗氧化酶活性升高，且MDA含量顯著降低。說明AMF接種激活了棉花抗氧化機制，降低了As對棉花根、葉細胞膜脂過氧化損傷，增強了棉花對活性氧自由基的清除作用，有效緩解As毒害，最終提高了棉花逆境適應(yīng)能力。

綜上所述，As脅迫可對棉花生長、根系發(fā)育、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及抗氧化系統(tǒng)造成一定的損傷，AMF接種可有效地促進棉花生長，降低棉花體內(nèi)As濃度并增強其根系固定能力，緩解As對棉花根系發(fā)育的抑制，減輕棉花根和葉遭受過氧化傷害程度，提升滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。兩種叢枝菌根真菌根內(nèi)根孢囊霉和摩西斗管囊霉對棉花耐As性均表現(xiàn)出良好且一致的促進作用，但由于不同菌種自身耐As性不同，摩西斗管囊霉表現(xiàn)出更強的接種促進效應(yīng)。雖然叢枝菌根真菌接種降低了As對棉花的毒害作用，提高了棉花耐As性，但植物重金屬耐受性是一個極其復(fù)雜的生理過程，不同品種植物的耐性不盡相同，本研究為叢枝菌根真菌接種緩解棉花As毒害機制提供了一定的理論支撐。