云南典型鉛鋅礦區(qū)植物根部AMF和DSE侵染特征研究

熊珂敏, 陳嘉欣, 榮世炎, 王磊, 湛方棟

(云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,云南 昆明 650201)

云南礦產(chǎn)資源豐富,長期大量的采礦作業(yè)導致礦區(qū)周邊的生態(tài)系統(tǒng)和土壤理化性質(zhì)遭到破壞,出現(xiàn)生物多樣性銳減等問題。過量重金屬在土壤中難以降解、遷移和轉(zhuǎn)化,導致土壤肥力下降,從而對農(nóng)作物造成危害[1]。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)屬球囊霉(Glomeromycota),其菌絲能夠在植物根部細胞中形成特有的叢枝狀結(jié)構(gòu);AMF對重金屬具有一定的耐受性,能在植物體內(nèi)形成一道生物屏障,幫助植物稀釋和抵御重金屬的毒害[2]。王立等[3]的研究發(fā)現(xiàn)AMF和超積累植物在聯(lián)合共生情況下,AMF不僅從整體上促進了宿主植物的生長,而且改變了植物對元素吸收的固定策略;寄主植物表現(xiàn)出異速生長,空間構(gòu)型明顯改變,并且植物體對重金屬元素的吸收和提取也不再是簡單的等量稀釋和積累過程,而是一種戰(zhàn)略性的主動運輸、積累或定向固定。因此,對于礦區(qū)的修復可利用AMF來促進植物根系產(chǎn)生有機酸,并通過有機酸來活化難溶態(tài)重金屬,維持土壤中礦物元素的平衡。

深色有隔內(nèi)生真菌(dark septate endophytes,DSE)泛指在細胞內(nèi)和細胞間可存活植物根組織中定植的小型土壤真菌[4]。DSE能有效提高植物生態(tài)學功能、促進植物吸收礦質(zhì)物質(zhì)、增強非生物脅迫和生物脅迫抗性,緩解重金屬對植物的毒害[5]。AMF和DSE定殖于植物根部可以促進植物生長,改善葉片光合作用,增強植物對Cd的耐受性,能促進植物的整體生長[6]。因此,采用AMF和DSE聯(lián)合接種的方式能更好地提高植物的生長效率,以達到對土壤重金屬修復的作用。

目前,國內(nèi)外對于重金屬污染區(qū)的AMF、DSE資源的調(diào)查研究工作較少。本研究采集云南省會澤、個舊鉛鋅礦廠周邊廢棄地及個舊冶煉廠周邊農(nóng)田廢棄地的植物樣本,通過調(diào)查分析被侵染植物占所采集樣本植物的比例和侵染情況,進一步篩選出修復重金屬土壤的優(yōu)良植株,并廣泛應用于重金屬土壤修復,為AMF、DSE修復重金屬土壤提供基礎的理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 樣地概況

個舊市地處云南省紅河哈尼族彝族自治州,屬亞熱帶高原季風氣候,年平均氣溫16.4 ℃,雨水充沛。采樣地為個舊大廠鉛鋅礦區(qū)廢棄地(經(jīng)緯度:23°18′09″N、103°10′42″E;海拔:2 353～2 378 m)和個舊冶煉廠周邊農(nóng)田廢棄地(經(jīng)緯度:23°30′38″N,103°14′29″E;海拔:1 220 m),大部分為農(nóng)田土壤,土壤類型以紅壤為主[6]。個舊鉛鋅礦區(qū)土壤的總重金屬和可溶性重金屬濃度都很高,尤其是Pb金屬,其中Pb、Zn、Cd濃度分別超標70倍、141倍和18倍[8]。

會澤縣隸屬于云南省曲靖市,屬溫帶高原季風氣候;年平均氣溫為12.7 ℃,平均海拔2 200 m以上。采樣地為會澤縣某鉛鋅礦區(qū)周邊廢棄地,經(jīng)緯度25°48′—27°04′N,103°03′—103°55′E。土壤類型為棕壤或黃棕壤,植被覆蓋以灌木和草本植物為主。會澤鉛鋅礦區(qū)的土壤呈弱酸性或弱堿性,周邊0～20 cm的土壤中鎘、鉛含量都較高,都遠遠超過當?shù)貥藴实耐寥辣尘爸礫9]。其土壤Pb、Zn和Cd的總量和可溶態(tài)含量差異較大,是云南土壤(A層)背景值的101.1倍、79.9倍和462.3倍,其污染以Cd最為嚴重[10]。

1.2 樣品采集

2011年1月在個舊鉛鋅礦區(qū)廢棄地采集的18個植物樣本屬于11個科17個屬,個舊冶煉廠周邊農(nóng)田廢棄地采集的10個樣本屬于4個科10個屬,會澤縣鉛鋅礦區(qū)廢棄地采集的4個植物樣本屬于4個科4個屬。用鏟子挖掘植物樣本完整的根,確保須根完整[11]。此外,從植物根際5～30 cm的土層中挖取1 kg左右的土壤,并將不同的土壤用采樣袋分裝。

回實驗室后,采集與植物主根相連接的須根,并盡量采集帶有根尖的植物根段,將根樣固定于裝有1/2 FAA固定液(福爾馬林5 mL,冰醋酸5 mL,70%酒精90 mL,甘油5 mL,用時稀釋一倍)的150 mL的玻璃小瓶中[12]。

1.3 植物根部AMF、DSE侵染率測定

將采集來的根尖制成封片,封片采用堿解離[13]和酸性品紅染色法[4]進行處理。將須根切成約2～2.5 cm的小根段,將含有10%氫氧化鉀溶液的離心管置于100 ℃的水浴中浸泡10～30 min。須根用去離子水沖洗1 min,0.5%酸性品紅染色2 min,用乳酸脫色。最后從每個植物須根樣本中隨機選取2～2.5 cm長的根段25根制成封片,置于100倍光鏡下采用十字交叉法觀察計算根系的叢枝侵染率(AC)、菌絲侵染率(HC)、泡囊侵染率(VC)、總AMF侵染率和DSE的菌絲、微菌核侵染情況[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)的整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 個舊鉛鋅礦廢棄地AMF和DSE的侵染狀況

個舊鉛鋅礦區(qū)所采集的18種植物樣本屬于11個科17個屬,其中11種植物檢測到有AMF侵染(表1),占所采集植物樣本的61.11%,其中小檗科(Berberidaceae)華東小檗(BerberischingiiCheng)侵染率達到89.29%;菊科(Asteraceae)苣荬菜(SonchuswightianusDC.)、唇形科(Lamiaceae)牛至(OriganumvulgareL.)侵染率達到25%～75%之間;其他剩余幾個科植物樣本的侵染率都在25%以下。有3種植物樣本沒有檢測到AMF侵染(表1),占所采集植物樣本的16.67%。還有4種植物樣本在觀察時,發(fā)現(xiàn)所有根樣布滿紅褐色點導致無法確認,或根樣全成褐色無法觀察,不能確定是否侵染,約占采集樣本的22.22%。

表1 個舊老廠礦山廢棄地AMF和DSE侵染狀況Table 1 AMF and DSE infection in abandoned mines of old factories in Gejiu

在18種植物樣本中,有9種植物檢測到有DSE侵染(表1),占所采集植物樣本的50.00%,其中菊科(Asteraceae)紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora(Sprengel) R.M. King &H.Robinson)、牡蒿(ArtemisiajaponicaThunb.)、菊(ChrysanthemummorifoliumRamat.)的侵染率在25%～75%之間;其余植物樣本中的侵染率均小于25%。采集的18種植物樣本中有5種植物樣本沒檢測到DSE侵染(表1),占采集植物樣本的27.78%。有4個植物樣本染色后根樣成紅色,不能確定是否侵染,占采集植物樣本的22.22%。在此次的調(diào)查研究中有3種植物樣根發(fā)現(xiàn)微菌核,但是侵染率都很低。

2.2 個舊冶煉廠周邊廢棄農(nóng)田AMF和DSE的侵染狀況

個舊冶煉廠周邊廢棄農(nóng)田采集的10種植物樣本屬于4個科10個屬,其中有4種植物檢測到有AMF侵染(表2),占采集植物樣本的40.00%,其中禾本科(Poaceae)玉米(ZeamaysL.)的AMF侵染率為16.13%,其余植物的侵染率都小于25.00%。采集的10種植物樣本中有2種樣本沒有檢測到AMF侵染(表2),占采集植物樣本的20.00%;有4種植物的根樣不確定是否有AMF的侵染,占采集植物樣本的40.00%。

表2 個舊冶煉廠周邊廢棄農(nóng)田AMF和DSE侵染狀況Table 2 AMF and DSE infection status of abandoned farmland around three old smelters in Gejiu

在10種植物樣本中5種植物檢測到DSE侵染(表2),占采集植物樣本的50.00%。其中,菊科(Asteraceae)毛連菜(PicrishieracioidesL.)檢測出DSE侵染率27.16%。采集的10種植物樣本中有1個樣本沒有檢測到DSE侵染(表2),占采集植物樣本的10.00%;有4種植物的根樣不確定是否被DSE侵染,占采集植物樣本的40.00%。

2.3 會澤鉛鋅礦區(qū)廢棄地AMF和DSE的侵染狀況

會澤鉛鋅礦區(qū)廢棄地所采集的4種植物樣本屬于4個科4個屬,其中只有菊科(Asteraceae)毛連菜(PicrishieracioidesL.)的樣本檢測到有AMF侵染(表3),占所采集樣本的25.00%,侵染率為12.64%。所采集的4種植物樣本中有3種樣本沒有檢測到AMF侵染(表3),占采集植物樣本的75.00%。

表3 會澤鉛鋅礦區(qū)廢棄地AMF和DSE的侵染狀況Table 3 Infection status of AMF and DSE in abandoned Huize lead-zinc mining area

在4種植物樣本中2種植物檢測到被DSE侵染(表3),占所采集樣本的50.00%。雖然莎草科(Cyperaceae)溪生苔草(Carexfluviatil)和菊科(Asteraceae)毛連菜(PicrishieracioidesL.)都檢測到有DSE侵染的情況,但其侵染率都不高,低于25.00%。石竹科(Caryophyllaceae)圓葉無心菜(ArenariaorbiculataRoyle ex Edgew.et Hook. f.)和十字花科(Brassicaceae)小花南芥(ArabisalpinaL. var.parvifloraFranch.)都未發(fā)現(xiàn)有DSE的侵染,占所采集樣本的50.00%。

2.4 三個采樣地AMF和DSE同時侵染的狀況

三個采樣地分別采集的30種植物樣本中,有12個樣本檢測到有AMF和DSE同時侵染(表4,圖1),占總采集樣本的40%。其中,菊科(Asteraceae)苣荬菜(SonchuswightianusDC.),禾本科(Gramineae)玉米(ZeamaysL.),唇形科(Lamiaceae)牛至(OriganumvulgareL.)的AMF侵染率較高;菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)藎草(ZeamaysL.)DSE侵染率較高,其余的植物樣本的侵染率普遍較低。數(shù)據(jù)顯示,在三個采集地中菊科在所有植物樣本中AMF、DSE的總侵染率最高,可成為修復重金屬土壤的優(yōu)勢科。

3 討 論

3.1 AMF對植物的影響及其在礦區(qū)生態(tài)重建中的作用

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),AMF在生態(tài)系統(tǒng)中的作用廣泛,可與自然界約90%的陸地植物體結(jié)合成有益的共生體,通過影響土壤中其他微生物的生長代謝來改善重金屬土壤,達到提高土壤養(yǎng)分,促進植物生長發(fā)育的作用[15]。當AMF菌根寄生于植物體后,AMF可以將重金屬聚集在植物的叢枝、菌絲和孢子內(nèi),同時稀釋植物體內(nèi)的重金屬含量,逐漸改善植物營養(yǎng)體系及增強植株對重金屬的耐受性[11]。其中,AMF通過自身的外部菌絲網(wǎng)絡來對土壤團聚體進行改善,提高土壤孔隙度和土壤空氣系統(tǒng),達到穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的作用,從而提高植物根系對養(yǎng)分的汲取,來促進植物根系的發(fā)育[16]。并且AMF能夠有效地產(chǎn)生根內(nèi)和根外菌絲體,進一步增加植物根系的表面積,提高運輸、利用營養(yǎng)和水分的效率[17]。AMF雖然沒有宿主專一性,但宿主植物對AMF具有一定的選擇性和親和性。

本研究發(fā)現(xiàn),采礦會破壞土壤原本的性能,土壤的退化對AMF群落的生長有一定的負面影響,造成土壤中菌根數(shù)量的減少[1]。在三個重金屬礦區(qū)廢棄地共同采集的14個科,30種植物樣本中有12種檢測到被AMF侵染(表4),占所采集樣本的40.00%,其中小檗科華東小檗為優(yōu)勢科;由此說明一定濃度的重金屬污染不能抑制該地區(qū)AMF與植物形成共生關系,既體現(xiàn)出AMF具有抗重金屬毒害的能力,也表明其在一定濃度的重金屬土壤中有利于植物提高耐受性和適應性,這一點與Riaz等[18]的研究結(jié)果一致。

在三個礦區(qū)檢測出被AMF侵染的植物都屬于被子植物,有研究顯示被子植物根系性狀具有很強的系統(tǒng)發(fā)育保守性。在Valverde-Barrantes等[19]的研究中也指出植物系統(tǒng)發(fā)育的相關性對于預測菌根定殖是非常重要的,并認為能夠控制真菌定殖程度的主要因素是植物系統(tǒng)的發(fā)育關系、根系性狀的養(yǎng)分差異以及植物養(yǎng)分的需求。此外,根形態(tài)也會在一定的程度上控制AMF的侵染能力,衍生出更多的植物類群。在Zhang等[20]的研究中也表明了種內(nèi)根系的互作對于提高AMF的物種豐富度有非常顯著的作用,還能進一步提高菌根和叢枝的定殖量。

3.2 DSE對植物的影響及其在礦區(qū)生態(tài)重建中的作用

DSE能促進寄主植物對于礦體物質(zhì)和有機營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化能力,保持植物體生長需要的養(yǎng)分和水分,并通過激活植物體的生理生化反應來提高植物體對生物和非生物脅迫的耐受性以及自身的抗病毒性[5]。對DSE研究發(fā)現(xiàn)當寄主植物中菌絲定殖率高時,可促進植物對所需營養(yǎng)物質(zhì)進行汲取利用,幫助植物在冬季抵御寒冷,這與畢銀麗等[21]的結(jié)論一致。Xie等[22]的研究表明,DSE能與植物體形成一種根真菌共生關系,改變寄主的菌根關系,促進DSE與AMF的聯(lián)合接種;并且植物體內(nèi)DSE的含量對植物的作用會有不同的表達:當DSE密度較低時,植物體內(nèi)AMF和DSE的相互協(xié)同作用較好;當DSE為中、高密度時,AMF和DSE就可能會存在一定的競爭關系。DSE對增強植物在不利環(huán)境中的耐受性和抵御病原菌等方面具有潛在作用[16]。

本研究在云南省會澤縣鉛鋅礦區(qū)和個舊市老廠礦山及冶煉廠農(nóng)田廢棄地所采集的14個科,30種植物樣本中有12種檢測到被DSE侵染(表4),占所采集樣本的40.00%,表明DSE能與具有重金屬耐受性的植物共生,這與梁昌聰?shù)萚23]研究的結(jié)果一致。DSE的侵染率不會因為土壤中重金屬含量的增加而被抑制,反而重金屬含量的升高在一定程度上對DSE的定殖具有積極作用,由此說明DSE在高濃度重金屬土壤中可以發(fā)揮更重要的作用[24]。但DSE的確切生態(tài)學作用并不清楚,有待深入研究。本課題的調(diào)查正是為進一步研究有關AMF、DSE的生態(tài)學作用提供基礎數(shù)據(jù)。

三個采樣地均為菊科、禾本科植物樣本的DSE侵染率較高,且都屬于被子植物,這可能是因為被子植物的根系性狀具有較強的系統(tǒng)發(fā)育保守性。在重金屬較高的土壤中,DSE是通過限制根與地上部分之間重金屬離子的遷移以及增加植物的葉綠素濃度和蒸騰速率來促進植物的生長,DSE還可以合成多種抗氧化酶,提高植物根莖中抗氧化酶的活性,防止在重金屬的脅迫下對植物的氧化損害。其中,在玉米中接種DSE菌株,DSE能在宿主和土壤環(huán)境中形成一個運輸管道,增加宿主植物和土壤的接觸面積,DSE分泌的酶能將土壤中的有機氮和難溶性磷轉(zhuǎn)化為可利用的營養(yǎng)物質(zhì)。在這樣的條件下,DSE能有效地增強玉米的光合作用,保持激素平衡,在促進玉米生長發(fā)育的過程中還能降低玉米葉片中的重金屬含量,并且在宿主和微生物的共同作用下提高植物對重金屬的耐受性。研究還表明,DSE對草本植物和禾本科植物的促生作用遠大于灌木和喬木[25]。

3.3 AMF和DSE與植物的共生關系在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復中的作用

內(nèi)生菌與植物間的相互協(xié)作被廣泛用于重金屬污染土壤的修復工作,內(nèi)生菌的耐金屬性可以有效降低金屬對植物的毒害,還能促進重金屬的轉(zhuǎn)運[26]。有報道指出,AMF和DSE的協(xié)作與宿主植物之間會形成非致病性關系,所以可以利用AMF、DSE和植物根際微生物本身的生命活動來挖掘復墾基質(zhì)的潛在肥力,加速植被恢復,改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,向生態(tài)重建方向轉(zhuǎn)化,使生態(tài)系統(tǒng)不斷地持續(xù)發(fā)展[27]。本研究發(fā)現(xiàn)在三個采集地中菊科為所有植物樣本中AMF、DSE總侵染率最高的,這與Zhang等[28]的研究結(jié)果一致,菊科植物自身的繁殖能力強、對各種環(huán)境能夠快速地適應,并且對其他的植物還有一定的化感作用;其次,菊科植物還能有效促進AMF種群的生長以及增加土壤中AMF的多樣性。因此,應對AMF和DSE聯(lián)合接種進行深入研究,篩選修復重金屬土壤的優(yōu)良植株,為進一步提高礦區(qū)生態(tài)治理和生態(tài)重建提供理論基礎。

4 結(jié) 論

AMF和DSE普遍存在于鉛鋅礦廢棄山地與冶煉廠周邊廢棄農(nóng)田植物的根部,說明一定濃度的重金屬污染下,AMF和DSE對植物的侵染不受重金屬影響;且在AMF、DSE大量共生的植物中,菊科的侵染率普遍高于其他科,這表明該類植物與AMF、DSE形成共同體,具有很強的抗重金屬毒害能力,也體現(xiàn)出這種共生關系有利于植物對重金屬形成耐受性和適應性。綜上所述,AMF和DSE與植物的共生關系對礦區(qū)環(huán)境修復、生態(tài)恢復以及維持生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定有重要作用。