韓 瑋
(廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 廣安 638000)
大氣顆粒物沉降、有毒有害污染物的亂排亂放、化工產(chǎn)業(yè)污水灌溉、農(nóng)用化學(xué)殺蟲(chóng)除草劑的違法使用等問(wèn)題導(dǎo)致土壤重金屬污染現(xiàn)象愈加突出,對(duì)農(nóng)作物質(zhì)量、動(dòng)物和人體健康以及城市生態(tài)環(huán)境造成危害[1-2]。其中重金屬鎘(Cd)因其具有危害性大、易富集、難降解等特性,被人們廣泛關(guān)注[3-4]。研究發(fā)現(xiàn),Cd污染不僅會(huì)引起土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分保持功能的下降失調(diào),還會(huì)較大程度地影響植物光合作用、氣體交換、養(yǎng)分吸收等生理活動(dòng),導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻,干物質(zhì)積累能力下降,新陳代謝活動(dòng)受到顯著抑制[5-7]。有試驗(yàn)表明Cd脅迫下匍匐翦股穎(Agrostis stolonifera)初期生長(zhǎng)受到抑制,葉綠素含量下降,丙二醛(MDA)含量不斷上升,抑制作用隨Cd濃度的增加而增強(qiáng);Cd濃度為200 mg·L-1條件下,葉綠素和MDA含量分別是對(duì)照的37%和864%;植株葉片中超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性隨Cd濃度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)[8]。唐星林等[9]發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵(Solanum nigrum)葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及PS II最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)均不同程度小于對(duì)照處理,單株、地上部和根系生物量與對(duì)照相比分別減小了47%、33%和49%,證實(shí)Cd脅迫處理下因非氣孔因素限制了龍葵光合作用。基于上述研究,增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的抗性、修復(fù)城市土壤系統(tǒng),是目前亟須解決的問(wèn)題。
生物修復(fù)技術(shù)在修復(fù)重金屬污染土壤中的潛在作用是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。其中叢枝菌根(AM)真菌是一種土壤有益微生物,能夠與大多數(shù)高等植物建立互惠共生關(guān)系,廣泛存在于各種重金屬污染的土壤中[10-11]。AM真菌有助于寄主植物從土壤中獲取養(yǎng)分和礦質(zhì)元素,緩解土壤中存在的各種非生物(鹽害、高溫、干旱等)脅迫,分解有毒物質(zhì)、修復(fù)重金屬污染土壤等[12]。研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌(Glomus intraradice)BEG141能提高Cd污染處理下玉米(Zea mays)的株高、生物量、光合色素含量、光合特性和抗氧化酶活性,降低Ci和葉片MDA含量,減輕Cd脅迫的效應(yīng)并促進(jìn)植物生長(zhǎng)[13]。溫室盆栽試驗(yàn)下,添加Cd的處理對(duì)菌根侵染率無(wú)影響且顯著改善花生(Arachis hypogaea)生長(zhǎng)發(fā)育狀況,顯著提高植株體內(nèi)磷含量與吸收速率;與不接種對(duì)照(NM)相比,葉片葉綠素相對(duì)含量增加12%;同一污染水平下,接種處理植株的Fv/Fm和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)均顯著高于NM處理,Pn、蒸騰速率(Tr)和Gs均顯著增大,而Ci顯著降低,證實(shí)了AM真菌可通過(guò)提高花生對(duì)磷的吸收來(lái)增加光合作用,增強(qiáng)抗Cd毒害的能力,以促進(jìn)植株生長(zhǎng)[14]。賴(lài)娟等[15]也發(fā)現(xiàn)Cd污染條件下美洲黑楊(Populus deltoides)接種根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)后脯氨酸含量顯著增加,滲透調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步加強(qiáng),并恢復(fù)固碳能力和激素平衡。
黑麥草(Lolium perenne)屬于禾本科黑麥草屬植物,在我國(guó)栽培范圍較廣且經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng),品種近20種。因其生長(zhǎng)迅速、分蘗能力強(qiáng)、易成坪、莖葉柔嫩光滑、耐踩踏、品質(zhì)好,被廣泛用于我國(guó)南北方的牧草和城市草坪草。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),AM真菌在一定程度上能夠緩解Cd污染對(duì)黑麥草株高、根長(zhǎng)和生物量積累的抑制作用,顯著提高葉片葉綠素含量[16]。但重金屬Cd脅迫下菌根真菌對(duì)黑麥草光合生理、Cd吸收以及生態(tài)耐受性等方面的影響則少見(jiàn)報(bào)道。因此,本研究以黑麥草為對(duì)象,探究Cd污染條件下接種不同AM真菌對(duì)植株光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒?、生理活性、養(yǎng)分吸收、生長(zhǎng)變化以及Cd的吸附作用,從而認(rèn)識(shí)AM真菌對(duì)重金屬脅迫的緩解效應(yīng),為今后修復(fù)重金屬Cd污染的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。
供試材料為多年生黑麥草,供試AM真菌菌種為摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae,F(xiàn)M)、變形球囊霉(Glomus versiforme,GV)。AM真菌的接種物來(lái)源于中國(guó)AM真菌種質(zhì)資源庫(kù),接種物為孢子、侵染根段、外生菌絲和培養(yǎng)基質(zhì)的混合物。供試土壤為壤土,經(jīng)高壓滅菌(溫度121 ℃,壓力0.12 MPa)后備用。將黑麥草種子用4%NaClO溶液消毒,然后再用無(wú)菌水反復(fù)沖洗晾干,在光照培養(yǎng)箱中催芽,選擇大小一致、飽滿(mǎn)成熟的黑麥草種子進(jìn)行播種。試驗(yàn)容器采用聚乙烯盆缽,規(guī)格為25 cm×20 cm,每盆裝3 kg土壤,試驗(yàn)土壤均風(fēng)干后過(guò)1 mm篩。土壤pH 6.94,電導(dǎo)率130 μS·cm-1,有效磷56.3 mg·kg-1,堿解氮79.5 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)2.1%。
采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn),分別設(shè)Cd污染濃度為0、5、15、30 mg·kg-1,接種AM真菌FM、GV、混合處理(FM+GV)以及不接種處理(NM),共16個(gè)處理,隨機(jī)排列,每個(gè)處理3次重復(fù)。具體操作為稱(chēng)取滅菌土壤并測(cè)量含水率,根據(jù)換算公式得到土壤干重,以確定添加Cd的量。不同濃度Cd處理以CdCl2溶液的形式添加到土壤中,得到0、5、15、30 mg·kg-1Cd濃度水平污染土,分別記為Cd0、Cd5、Cd15和Cd30。對(duì) 于FM、GV以 及FM+GV處理組,每盆土接種AM真菌菌劑30 g(50個(gè)孢子/g),并混至均勻;對(duì)照NM處理組,則接種滅菌的菌劑30 g,以保持相同的微生物環(huán)境。每盆播種50粒黑麥草種子,土壤水分保持在田間持水量的60%~70%,植物生長(zhǎng)期間保持正常水分供應(yīng)。試驗(yàn)在自然光照保溫室中進(jìn)行,晝、夜間溫度和濕度分別為29、20 ℃和60%、75%。黑麥草培養(yǎng)65 d后開(kāi)始測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)。
生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定:地表到植株最高點(diǎn)作為株高。植物在烘箱中殺青10 min后烘至恒重并稱(chēng)重。
菌根侵染率的測(cè)定:采集黑麥草根系,用乳酸甘油染色法進(jìn)行計(jì)算菌根侵染率[17]。公式如下:菌根侵染率=Σ(0×根段數(shù)+10%×根段數(shù)+ 20%×根段數(shù)+…+100%×根段數(shù))/總根段數(shù)。
光合指標(biāo)的測(cè)定:Pn、Tr、Gs、Ci參數(shù)采用CIRAS-2便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó))測(cè)定。
生理指標(biāo)的測(cè)定:SOD活性采用鄰苯三酚自氧化法測(cè)定,POD活性采用愈創(chuàng)木酚氧化法測(cè)定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定,MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定。
葉綠素和N含量的測(cè)定:采用手持式葉綠素測(cè)定儀(TYS-B)測(cè)定葉綠素含量;植物體N含量采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮、堿化后蒸餾定氮的方法測(cè)定。
葉綠素?zé)晒獾臏y(cè)定:采用FMS-2熒光儀進(jìn)行測(cè)定。測(cè)量前進(jìn)行暗適應(yīng),并用錫箔紙包裹待測(cè)葉片。得到暗適應(yīng)參數(shù)后,計(jì)算得出Fv/Fo值、Fv/Fm值。
重金屬Cd含量的測(cè)定:采用原子吸收-石墨爐法測(cè)定植物地上部和根系的Cd含量。
采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,采用DPS 7.5和SPSS 11.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、雙因素方差分析以及差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法,α=0.05)。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
同一Cd濃度下,接種FM、GV以及FM+ GV處理均顯著增加了黑麥草株高和生物量。隨Cd濃度的增加,黑麥草的株高和生物量顯著下降。Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),與NM相比,F(xiàn)M處理的黑麥草株高和地上干重分別提高14.6%和6.6%,GV處理下分別提高8.8%和6.9%,F(xiàn)M+GV處理下分別提高34.1%和18.8%。不同Cd濃度下,接種AM真菌各處理均對(duì)黑麥草根系存在侵染情況。隨Cd濃度的增加,AM真菌侵染率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Cd濃度為0 mg·kg-1時(shí),接種FM+GV處理的黑麥草根系侵染率最高,為62.7%;Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),F(xiàn)M處理侵染率下降為38.3%,GV處理為33.0%,F(xiàn)M+GV處理為42.7%(表1)。說(shuō)明Cd處理下AM真菌與黑麥草建立了良好的共生關(guān)系,F(xiàn)M+GV處理侵染效果更好(圖1)??芍?,在不同Cd濃度處理下,接種AM真菌處理均可增加黑麥草的株高和生物量,其中FM+GV處理接種效果優(yōu)于FM、GV處理。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理及其交互作用對(duì)黑麥草株高和干重有顯著影響,其中Cd濃度對(duì)黑麥草株高的影響較大(表2)。
同 一Cd濃 度 下,F(xiàn)M、GV以 及FM+ GV處理均顯著增加了黑麥草葉片葉綠素和N元素的含量,不同接種間表現(xiàn)為FM+GV>FM>GV>NM,且差異顯著(P<0.05)。同一接種處理下,隨Cd濃度的增加,葉綠素含量和地上部N含量、根系N含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),與NM相比,F(xiàn)M處理的黑麥草葉綠素含量、地上部N含量和根系N含量分別提高8.4%、45.6%和41.2%,GV處理下分別提高6.5%、32.4%和29.4%,F(xiàn)M+GV處 理 分 別 提 高26.2%、70.6%和85.3%(表3)。由此可知,F(xiàn)M+GV處理對(duì)葉綠素含量、植物地上部和根系N含量的增加優(yōu)于FM、GV處理,表明接種AM真菌均能不同程度促進(jìn)Cd脅迫下黑麥草葉綠素的合成,提高植株對(duì)N元素的吸收。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理及其交互作用對(duì)黑麥草葉綠素含量和地上部、根系N含量有顯著影響,其中Cd濃度對(duì)根系N含量的影響較大(表2)。
表1 Cd處理下黑麥草生長(zhǎng)情況和AM真菌侵染狀況
圖1 叢枝菌根真菌侵染黑麥草情況
表2 Cd脅迫下黑麥草各指標(biāo)雙因素方差分析
表3 Cd處理下黑麥草葉綠素和N含量
同一Cd濃度下,F(xiàn)M、GV以及FM+ GV處理均增加了黑麥草葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。隨Cd處理濃度的增加(0~30 mg·kg-1),F(xiàn)v/Fm值和Fv/Fo值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),與NM相比,F(xiàn)M處理的黑麥草Fv/Fm值和Fv/Fo值分別提高5.4%和11.5%,GV處理分別提高1.4%和10.5%,F(xiàn)M+GV處理分別提高4.9%和19.7%(圖2)。由上述結(jié)果可知,在不同Cd濃度下,接種AM真菌各處理均能不同程度提高Fv/Fo值,對(duì)Fv/Fm值的提升效果較小。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理對(duì)黑麥草Fv/Fm值、Fv/Fo值有顯著影響,其交互作用對(duì)Fv/Fm值有顯著影響、對(duì)Fv/Fo值影響不顯著(表2)。
圖2 Cd脅迫下黑麥草PSⅡ最大光化學(xué)效率和潛在活性
同一Cd濃度下,F(xiàn)M、GV以及FM+GV處理均增加了黑麥草葉片Pn、Tr和Gs,而降低了Ci。同一接種處理下,隨Cd濃度的增加,Pn、Tr和Gs均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而Ci則上升。在Cd濃度30 mg·kg-1下,與NM相比,F(xiàn)M處理的黑麥草葉片Pn、Tr和Gs分別增加15.6%、11.7%和7.5%,Ci下降5.2%;GV處理的黑麥草葉片Tr和Gs有所下降,Pn增加12.5%,Ci下降3.9%;FM+GV處理的黑麥草葉片Pn、Tr和Gs分別增加19.8%、28.3%和14.7%,Ci下降6.5%(圖3)。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理對(duì)黑麥草Tr、Pn、Gs、Ci影響顯著,其交互作用對(duì)Tr影響顯著、對(duì)Pn、Gs和Ci影響不顯著(表2)。
同一Cd濃度下,F(xiàn)M、GV以及FM+ GV處理顯著增加了黑麥草葉片SOD、POD活性和可溶性蛋白含量,而降低了MDA含量。同一接種處理下,隨Cd濃度的增加,SOD活性和可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而POD活性和MDA含量則上升。在Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),與NM相比,F(xiàn)M處理的黑麥草葉片SOD、POD活性和可溶性蛋白含量分別增加19.6%、36.5%和17.7%,MDA含量下降41.4%;GV處理的SOD、POD活性和可溶性蛋白含量分別增加16.3%、32.0%和33.9%,MDA含量下降28.7%;FM+GV處理的SOD、POD活性和可溶性蛋白含量分別增加29.3%、50.2%和82.3%,MDA含量下降50.0%(表4)。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理及其交互作用對(duì)黑麥草SOD、POD活性和可溶性蛋白、MDA含量影響顯著,其中Cd濃度對(duì)可溶性蛋白含量影響較大(表2)。
同一Cd濃度下,F(xiàn)M、GV以及FM+ GV處理顯著增加了黑麥草根系對(duì)Cd的吸收,減少Cd向地上部的運(yùn)輸。根系Cd含量為FM+GV>FM>GV>NM。隨Cd濃度的增加,黑麥草地上部和根系Cd含量均顯著升高,其中,黑麥草根系Cd含量顯著高于地上部。在Cd濃度為30 mg·kg-1時(shí),F(xiàn)M+GV處理的根系Cd含量最高,達(dá)606.7 mg·kg-1,地上部Cd含量也較高,達(dá)到88.1 mg·kg-1(表5)。雙因素方差分析表明,Cd脅迫、不同接種處理及其交互作用對(duì)黑麥草地上部與根系Cd含量的影響顯著,其中對(duì)根系Cd含量影響較大(表2)。
表4 不同處理下黑麥草生理變化
表5 不同處理下黑麥草地上部分和根系Cd含量 (mg·kg-1)
AM真菌修復(fù)作為一種高效、無(wú)污染的重金屬修復(fù)技術(shù),其吸附、固持重金屬,修復(fù)污染土壤的能力受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[18-20]。研究發(fā)現(xiàn),重金屬通過(guò)AM真菌菌絲的吸收作用,被固定或運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi)。在某些情況下,AM真菌有助于重金屬在菌絲壁和土壤中的固化和吸附[21-23]。AM真菌通過(guò)與大多數(shù)植物的根建立共生關(guān)系,提高植物根系吸收面積[24],促進(jìn)植物光合作用[25],改善植物的營(yíng)養(yǎng)狀況和生理代謝水平[26-27],在重金屬衰減過(guò)程中發(fā)揮作用。王凱淵等[28]研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌可以顯著提高桑(Morus alba)株生物量和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的積累,促使Cd集中在根部,與Cd濃度存在顯著正相關(guān)關(guān)系,且具有不均勻的分布、遷移的規(guī)律。本試驗(yàn)通過(guò)AM真菌與黑麥草對(duì)重金屬污染土壤的聯(lián)合修復(fù),發(fā)現(xiàn)AM真菌聯(lián)合黑麥草可以促進(jìn)對(duì)土壤中Cd的吸收,且不同AM真菌種類(lèi)對(duì)Cd的吸收效果不同,其中FM處理效果較好。但對(duì)于不同AM真菌與植物形成共生體所表現(xiàn)的差異性還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。
AM真菌能促進(jìn)重金屬Cd脅迫下植物的生長(zhǎng)。接種AM真菌對(duì)黑麥草株高、干物質(zhì)重量、植物N含量、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒釬v/Fm值和Fv/Fo值、光合參數(shù)(Pn、Tr、Gs)以及生理活性的提高具有顯著效果。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要物質(zhì),代表植物光合潛力。在本試驗(yàn)中,隨Cd濃度(0~30 mg·kg-1)的增加,葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這可能是Cd影響了葉綠體的合成途徑,一些葉綠素合成酶的缺失或者活性降低使葉綠素快速分解。Pn、Tr、Ci、Gs是評(píng)價(jià)植物進(jìn)行光合作用強(qiáng)弱的最直觀的指標(biāo)。本試驗(yàn)中,隨著Cd濃度的增加,Pn、Tr和Gs逐漸降低,這表明與Cd脅迫下葉綠素含量的降低有明顯關(guān)系;Ci增加,表明在Cd脅迫下,非氣孔因素是影響植物光合作用的決定因素,這與鐵得祥等[29]在研究不同Cd濃度下楨楠(Phoebe zhennan)幼樹(shù)光合變化的情況一致。本試驗(yàn)條件下,葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm值、Fv/Fo值表現(xiàn)一定的下降趨勢(shì),表明Cd脅迫能抑制PSⅡ光合活性以及電子運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程。接種FM、GV以及FM+GV后,黑麥草根系與菌絲緊密集合,促使根系吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而提高葉綠素含量,增強(qiáng)光合作用。對(duì)于其他光合作用相關(guān)指標(biāo)的變化趨勢(shì)還需進(jìn)一步試驗(yàn)證明。
植物在儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移能量、光合作用、生理酶活性調(diào)節(jié)和碳水化合物的運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中都需要N[30]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),菌根植物對(duì)N的吸收顯著高于非菌根植物。AM真菌通過(guò)促進(jìn)N吸收,并向寄主傳遞一定比例的N,提高了寄主植物的營(yíng)養(yǎng)狀況。胡振琪等[31]發(fā)現(xiàn)接種菌根后苜蓿(Medicago sativa)的地上部N、P、K含量和地下部的N吸收量明顯高于其他處理和空白對(duì)照,證實(shí)AM真菌能夠促進(jìn)苜蓿的養(yǎng)分吸收。因此,菌根真菌可以通過(guò)提高N的吸收,在污染土壤的植物修復(fù)中發(fā)揮重要作用。此外,當(dāng)植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中受到不良條件侵害時(shí),細(xì)胞膜會(huì)迅速做出反應(yīng),調(diào)節(jié)和控制物質(zhì)運(yùn)輸以及能量的交換,其中超氧根(O2-)以及羥基(OH-)等物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用,造成膜脂過(guò)氧化以及抗氧化酶失活等問(wèn)題。植物本身存在防御系統(tǒng),其中SOD、POD等防御性酶以及可溶性蛋白等物質(zhì)會(huì)修復(fù)細(xì)胞系統(tǒng),維持植物體平衡。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著Cd濃度的增加,SOD活性和可溶性蛋白含量顯著下降,而POD活性和MDA含量則顯著增加,表明重金屬Cd脅迫下植物細(xì)胞中的O2-以及OH-等物質(zhì)會(huì)使SOD活性降低,可溶性蛋白合成途徑受阻。而接種AM真菌能緩解Cd脅迫,增加SOD、POD活性和可溶性蛋白含量,這主要是因?yàn)榫采w幫助寄主植物吸收N等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)了根系吸收范圍,加強(qiáng)對(duì)O2-以及OH-的清除能力。
由上可知,AM真菌通過(guò)與黑麥草建立共生關(guān)系,改善植株?duì)I養(yǎng)狀況,促進(jìn)對(duì)N的吸收,增加植株體內(nèi)的葉綠素含量以及PSⅡ光化學(xué)熒光參數(shù),同時(shí)增強(qiáng)了黑麥草葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,顯著增加植株的生物量。此外,AM真菌主要通過(guò)根系吸附固持重金屬Cd的能力,降低Cd自下而上的轉(zhuǎn)移能力,從而減輕重金屬Cd的毒害能力。供試條件下,F(xiàn)M+GV處理的黑麥草抗Cd能力較強(qiáng),改善植物光合和生理效應(yīng)較為顯著。