叢枝菌根真菌對紫羊茅鎘吸收與分配的影響

叢枝菌根真菌對紫羊茅鎘吸收與分配的影響摘要采用盆栽方法模擬土壤Cd污染狀況，研究接種叢枝菌根真菌對紫羊茅生長及對Cd吸收、分配的影響。結果表明，土壤加Cd15～50mg.kg-1對菌根侵染率無顯著影響；在不加Cd的土壤中，接種菌根真菌有助于Cd的吸收和向地上部的運輸；在Cd污染土壤中，接種菌根真菌并未明顯改善紫羊茅的磷營養(yǎng)狀況，并且也沒有明顯增加紫羊茅的生物量，但是地上部的Cd濃度和吸收量均顯著低于不接種的處理，其原因是菌根真菌強化了Cd在紫羊茅根系的固持作用，減少Cd在地上部的分配比例，從而降低了紫羊茅地上部對Cd的積累。試驗還觀察到，不同菌根真菌對紫羊茅吸Cd量的影響具有一定差異，Glomusintraradices在Cd污染的土壤中對Cd吸收的抑制效應大于Glomousmosseae。這些結果一方面說明菌根真菌侵染是紫羊茅地上部Cd含量減少的直接原因，同時也反映出在自然生態(tài)系統(tǒng)中，作為污染物由土壤環(huán)境進入食物鏈系統(tǒng)的門戶之一的叢枝菌根真菌在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中重金屬Cd的生物循環(huán)、減輕重金屬Cd對食物鏈的污染風險方面發(fā)揮著重要作用。關鍵詞鎘污染叢枝菌根紫羊茅飼草食物鏈EffectofArbuscularMycorrhizalFungionCadmiumuptakeanddistributioninFestucarubraPlantAbstract:EffectofarbuscularmycorrhizalfungioncadmiumuptakeanddistributioninFestucarubraLinn.plantwasinvestigatedwithapotculturingingreenhouse.CadmiumwasaddedtoasandyloamsoilasCdSO4.8H2Oat0、15、50mg.kg-1.Thesoilswerepreculturedforthreeweeksbeforesowingtheplantseeds.TwoAMfungi,Glomusmosseae(BEG168)andGlomusintraradices(BEG141)wereinoculatedtoplants,whileanon-inoculatingcontrolwassetup.Theplantswereharvestedthreetimesat70d,105dand210drespectivelyaftersowing.Atthefirstandsecondharvests,onlyshootswerecutandatthethirdharvest,bothshootandrootwereharvested.Threereplicationsweresetforeachtreatment.Mycorrhizalcolonization,plantdryweight,PconcentrationandCdconcentrationweremeasured.Theresultsshowedthatadditionof15and50mg/kgCdinsoildidnotreducemycorrhizalcolonization.PconcentrationinshootofFestucarubraplantwasnotsignificantlyaffectedbyinoculatingwiththebothAMfungalspecies,whilethedryweightsofFestucarubraplantofmycorrhizalplantswerelowerthanthatofnon-mycorrhizalplant.UnderCdcontaminatedsoilcondition,arbuscularmycorrhizalfungistrengthenedthebiofixingofCdinrootandreducedCdtranslocationfromroottoshoot,whichinduceddecreasingofCdconcentrationinshootinallthreeharvestsandrootatthefinalharvest.ThetotalaccumulationofCdinbothshootandrootinmycorrhizalplantswerealsolowerthanthatofnon-mycorrhizalplants.Forexample,at50mg.kg-1Cdlevel,CdconcentrationandCduptakeinmycorrhizalplantsweredecreasedby50%and60%respectivelycomparingwithnon-mycorrhizalplant.ThetwofungalspeciesshoweddifferenteffectivenessinreducingCdconcentrationinplantshoot.TherelativereducingrateofG.mosseaewas25%,whileG.intraradiceswas52%-55%atbothCdadditionlevels.OurresultsimpliedthatmycorrhizalfungicolonizationmaybethedirectcauseforthereductionofCduptakeinFestucarubra.Itisconcludedthatarbuscularmycorrhizalfungi,oneoftheentrancesforcontaminantsfromsoilenvironmenttofoodchain,playsancrucialimportantroleinregulatingCdbiorecyclinginecosystemandinalleviatingthestressofCdcontaminationonfoodchain.Keywords:Cadmiumcontamination,Arbuscularmycorrhizalfungi,FestucarubraLinn.,Foragegrass,Foodchain采礦、金屬冶煉過程和使用含重金屬的工業(yè)廢水污灌導致農(nóng)田、草地土壤重金屬元素累積[1-2]，并成為重金屬的潛在污染區(qū)。作為重要的初級生產(chǎn)者，牧草對重金屬吸收與分配直接影響著整個食物鏈，并會危及人類的生命與健康。探索在發(fā)生污染的情況下，如何阻止重金屬元素通過牧草進入食物鏈、或使其減少到衛(wèi)生許可標準范圍內(nèi)的方法具有現(xiàn)實的意義。叢枝菌根是植物根系與叢枝菌根真菌（Arbuscularmycorrhizalfungi，簡稱AM真菌）形成的一種共生體，這種共生體廣泛存在于各類生態(tài)環(huán)境中，對改善植物的營養(yǎng)狀況、促進植物生長具有重要作用[3]。近年來,有關重金屬污染環(huán)境中菌根真菌生物多樣性、菌根真菌與植物相互作用的研究受到了廣泛的重視[4-7，9-10]，這些研究工作的目標大多是以闡明菌根真菌提高植物耐重金屬毒害機理為目的的。研究表明，在重金屬污染地帶和廢棄礦區(qū)生存的植物中有很多能夠形成叢枝菌根共生體[6-8]，AM真菌侵染能夠降低植株地上部重金屬濃度，從而提高植物對重金屬元素毒害的抗性[9-10]，其主導機制是菌根結構（包括植物根系和菌根菌絲體）對重金屬元素固持作用[10]。然而，菌根真菌也是物質(zhì)從土壤進入植物體內(nèi)的重要通道之一。菌根真菌降低植物體內(nèi)重金屬元素濃度的效應能否表現(xiàn)在改善牧草品質(zhì)方面？如果能的話，其潛力有多大？迄今為止對于這些問題尚缺乏深入了解。本試驗在模擬重金屬Cd污染的條件下，研究了接種叢枝菌根菌對紫羊茅生長、磷營養(yǎng)和對Cd的吸收的影響，探討叢枝菌根真菌減少重金屬在紫羊茅體內(nèi)累積的作用，為評價叢枝菌根真菌調(diào)節(jié)重金屬元素在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中傳遞中的作用提供依據(jù)。1材料與方法1.1供試材料試驗在溫室內(nèi)進行，宿主植物為紫羊茅(FestucarubraLinn.)，供試叢枝菌根真菌為Glomusmosseae(Nicol.andGerd.)GerdemannandTrappe和GlomusintraradicesSmithandSchenck,供試土壤為北京市豐臺區(qū)盧溝橋的低磷砂壤土,其基本理化性狀為有機質(zhì)含量3.0mg.kg-1；全氮0.018mg.kg-1；速效磷土3.4mg.kg-1；速效鉀33.6mg.kg-1；全Cd0.015mg.kg-1；pH=8.67（水浸提，水土比2.5：1）土壤風干后過1mm篩，在120°C下高壓蒸汽滅菌2h。1.2試驗方法試驗設計設3個Cd水平，即0、15、50mg.kg-1，將含Cd試劑（CdSO4.8H2O）與土壤混合均勻，每個施Cd水平下分別設不接種（-M）、接種G.mosseae和G.intraradices3個處理，每個處理重復３次。每盆裝土280g，播種前施底肥300mg.kg-1N(NH4NO3)、125mg.kg-1K2O(K2SO4),20mg.kg-1P2O5(K2HPO4)。在植物生長期間，追施N100mg.kg-1，K2O50mg.kg-1，以保障植株生長不受其它營養(yǎng)脅迫。接種菌根真菌接種處理每盆加入接種劑30g（三葉草為宿主植物繁殖4個月后，由含有菌絲,孢子的根段和根際土壤制得），不接種處理每盆加經(jīng)過滅菌處理的接種劑30g和不滅菌接種劑的濾液15mL以保證土壤微生物區(qū)系一致性。播種將紫羊茅種子在10%H2O2中浸泡10min進行表面消毒后，置于濕潤的濾紙上催芽。發(fā)芽后，每盆播30粒，并在土壤表面覆蓋一層約0.5cm粗河砂以減少水分蒸發(fā)。試驗在溫室中進行，溫度維持在20oC~25oC。光照時間為14h·d-1，每天早晨07:00~08:00點和下午17:00~21:00點用生物鏑燈補充光照，其余時間靠自然光照。收獲和測定紫羊茅播種后70d、105d和210d時分3次分別取樣，第1次和第2次取樣時只從莖基部生長點以上剪取地上部；第3次取樣時收獲地上部和根系，取出的根系洗凈后，稱取0.5g鮮根用錐蟲藍染色，方格交叉法測定菌根侵染率[11]；根系其余部分和各次收獲的地上部均經(jīng)烘干、磨細后，用釩鉬黃比色法測定含磷量；用原子吸收測定植株含Cd量；其它項目均采用常規(guī)方法[12]。通過下列公式計算菌根侵染率和菌根抑制吸收Cd的效應：菌根侵染率（%）=（菌根長度/總根長度）×100（1）菌根抑制效應（%）=（非菌根植物吸Cd量-菌根植物吸Cd量）/菌根植物吸Cd量×100（2）應用SAS6.01系統(tǒng)[13]對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，5%水平下LSD多重比較檢驗各處理平均值之間的差異顯著性。2結果分析2.1菌根侵染率和植株生長各處理菌根侵染率及紫羊茅生物量的測定結果見表1。所有不接種的處理根部未觀察到菌根真菌侵染。隨著土壤施Cd水平的增加，G.mosseae和G.intraradices對紫羊茅根系的菌根侵染率無明顯變化，表明兩種菌根真菌對Cd毒害有較高的耐性。由表1可以看出，隨著施Cd水平的增加，紫羊茅地上部和根系生物量都顯著降低，反映出Cd污染顯著抑制了紫羊茅的生長。接種菌根真菌對紫羊茅的生長未表現(xiàn)出促進作用。在第1次和第3次收割時，接種處理與不接種處理的植株生物量沒有顯著差異，而在第2次收割時接種菌根真菌對植株生長表現(xiàn)為顯著的抑制作用。表１不同施Cd水平下，不接種(-M)、接種G.mosseae和G.intraradices的紫羊茅生長量和菌根侵染率Table1DryweightofFestucarubraplantsinoculatingwithout(-M)orwithG.mosseae(M1)andG.intraradices(M2).Theshootswereharvestedthreetimesat10,15and30weeksaftersowing,androotswereharvestedat30weeksaftersowing.處理Treatmment菌根侵染率Colonizaation//%地上部干重Shoootdrryweiight/g根干重Rootdryyweigght/gCd水平Cdlevells/(mg.kg--1)接種Inoculattion第一次收獲Firsthaarvestt第二次收獲Secondhharvesst第三次收獲Thirdhaarvestt三次總量Totaloffthethreeeharvvest0-M01.93±0.0061.74±0.0074.23±0.1187.90±0.0081.81±0.222G.mosseeae45±41.80±0.2231.41±0.1133.90±0.4447.11±0.5551.63±0.229G.intraaradicces46±11.74±0.1181.28±0.0094.13±0.2237.16±0.1151.30±0.22015-M01.76±0.111.25±0.3313.91±0.1106.93±0.4461.51±0.333G.mosseeae46±11.66±0.3361.37±0.2234.42±0.3367.45±0.9951.38±0.447G.intraaradicces50±51.66±0.0111.12±0.1184.09±0.0086.87±0.1111.23±0.22550-M01.56±0.1161.39±0.1113.23±0.3326.18±0.4411.64±0.225G.mosseeae45±31.37±0.1151.26±0.0083.79±0.2276.42±0.3361.50±0.224G.intraaradicces60±51.24±0.1110.95±0.0083.53±0.3385.71±0.5551.28±0.117CdsssnsnssMycorrhiizasssssnsCd×Mycorrrhizaasnsnsnsnsns注：表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值和標準誤差;s表示方差分析達5％顯著顯著水平，ns表示不顯著。Notes:ValuesinthetableareMean±SEfromthreereplications.sindicatesP<0.05;nsindicatesP≥0.052.2植株的磷營養(yǎng)由表2可以看出，隨著土壤加Cd量的增加，各處理的植株地上部磷含量逐漸降低。在相同土壤Cd水平下，第9周時，接種處理的植株地上部磷含量低于相應的對照處理；到第15周時，該趨勢相反；到第30周，各接種處理的植株P含量無顯著差異。分次收割紫羊茅地上部使土壤中的P不斷耗竭，隨著生育期延長紫羊茅地上部含磷量呈逐漸降低的趨勢（表2）,在第30周收獲時，植株葉片均表現(xiàn)出了明顯的缺磷癥狀。表２不同施Cd水平下，不接種(-M)、接種G.mosseae(M1)和G.intraradices(M2)的紫羊茅體內(nèi)含磷量的動態(tài)變化Table2PstatusofFestucarubraplantsinoculatingwithout(-M)orwithG.mosseae(M1)andG.intraradices(M2).Theshootswereharvestedthreetimesat10,15and30weeksaftersowing,androotswereharvestedat30weeksaftersowing.處理Treatmennt地上部Shoot根部RootCd水平/mg.kg-11接種Inoculattion第一次收獲磷含量量PConc.atfiirsthharvesst/%第二次收獲磷含量PConc.atseecondharvvest/%第三次收獲磷含量PConc.atthhirdhharvesst/%總吸磷量TotalPuptakke/mg磷含量PConc.atthhirdhharvesst/%吸磷量Puptakee/mg0-M0.26±0.0010.14±0.0010.09±0.0011.11±0.0050.10±0.0000.17±0.002G.mosseeae0.23±0.0010.15±0.0010.08±0.0010.96±0.110.11±0.0010.15±0.002G.intraaradicces0.21±0.0020.16±0.0020.08±0.0010.90±0.0040.11±0.0000.13±0.00215-M0.24±0.0020.13±0.0010.07±0.0000.86±0.0060.09±0.0010.14±0.003G.mosseeae0.22±0.0010.16±0.0010.07±0.0010.90±0.1180.11±0.0010.14±0.004G.intraaradicces0.18±0.0020.16±0.0020.08±0.0010.81±0.0070.10±0.0010.12±0.00250-M0.20±0.0020.11±0.0010.06±0.0010.66±0.0040.10±0.0010.16±0.003G.mosseeae0.19±0.0020.16±0.0020.07±0.0000.71±0.0030.10±0.0010.15±0.002G.intraaradicces0.17±0.0020.16±0.0020.08±0.0010.64±0.0070.11±0.0010.12±0.002CdssnsssnsMycorrhiizasnsssssCd×Mycorrrhizaansnssnsnsns注：表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值和標準誤差;s表示方差分析達5％顯著顯著水平，ns表示不顯著。Notes:ValuesinthetableareMean±SEfromthreereplications.sindicatesP<0.05;nsindicatesP≥0.05.2.3Cd的吸收與分配由表3可以看出，隨著施Cd水平的提高，各處理的植株地上部的Cd濃度均顯著升高。在土壤不加Cd的處理中，接種與不接種的紫羊茅植株體內(nèi)的Cd濃度無顯著差異;與不接種處理的植株地上部Cd濃度相比，在土壤加Cd15、50mg.kg-1時接種處理的植株地上部吸Cd濃度顯著降低，并且這一現(xiàn)象在3次收割時表現(xiàn)一致。如在土壤施Cd50mg.kg-1時，接種處理比相應對照處理的植株地上部的Cd濃度降低了近1倍，總吸Cd量減少了60%。在土壤Cd污染情況下根系中Cd的濃度在接種與不接種菌根真菌處理之間沒有顯著差別，但是接種菌根真菌處理的根系內(nèi)Cd累積量均低于相應的不接種對照的。上述結果說明在土壤Cd污染的情況下，給紫羊茅接種菌根真菌能有效減少Cd向地上部的運輸，從而減輕Cd對植物體的毒害。從兩種菌根真菌對植株吸收Cd的影響來看，在土壤加Cd15和50mg.kg-1條件下，接種G.mosseae的處理地上部Cd濃度在第二次和第三次收割均顯著高于接種G.intraradices的。表明2種菌根真菌在促進Cd吸收和向植株地上部運轉(zhuǎn)方面存在差異。比較加Cd處理中根系和地上部的Cd濃度可以看出根系Cd濃度大約是地上部的10~15倍，而且根系中Cd的積累量也遠高于地上部（表3），這說明紫羊茅從高濃度Cd污染的土壤中吸收的Cd主要累積在根系中。隨著生長期的延長，紫羊茅植株地上部Cd的濃度逐漸降低。這說明紫羊茅能通過自身的某一種內(nèi)在機制的調(diào)節(jié)Cd向地上部的運輸，盡管植物地上部累積的Cd在收割時被不斷移走。表3不同施Cd水平下不接種(-M)、接種G.mosseae(M1)和G.intraradices(M2)的紫羊茅體內(nèi)Cd的濃度及Cd吸收量Table3CdconcentrationandtotaluptakeinFestucarubraplantsinoculatingwithout(-M)orwithG.mosseaeandG.intraradicesat0,15and50mg/kgCdlevels.處理Treatmennt地上部Shoot根系RootCd水平Cdlevells/mg.kg-11接種Inoculattion第一次收獲Cd濃度CdConc..atffirstharveest/(μg.g-11)第二次收獲Cd濃度CdConc..atsseconddharvvest/μg.-1第三次收獲Cd濃度CdConc..attthirdharveest/μg.g-1總吸Cd量TotalCdduptaake/μgCd濃度CdConc..attthirdharveest/μg.g-1吸Cd量Cduptakke/μg0-M2.03±0.8851.77±0.5581.13±0.00811.77±1..162.65±0.6624.76±1.009G.mosseeae2.37±0.4473.07±0.9931.44±0.55014.07±1..094.48±0.6667.16±0.334G.intraaradicces2.54±0.0031.93±1.3311.94±0.00814.98±1..534.20±0.8865.57±1.88815-M26.58±5..8911.09±2..9610.39±1..31101.51±44.32130.74±119.82201.60±774.33G.mosseeae16.50±6..2210.29±2..748.09±0.11577.96±155.00125.84±229.87164.05±115.67G.intraaradicces22.58±6..076.88±0.8806.59±1.00672.14±100.17104.45±110.74127.28±220.6150-M31.19±0..9819.11±2..2316.66±1..06129.33±110.02227.61±444.91365.85±119.48G.mosseeae18.16±3..199.43±1.7719.28±0.77871.80±3..80215.79±449.23325.81±995.19G.intraaradicces15.56±2..146.68±0.2287.45±0.77051.87±3..05282.61±99.69266.68±441.43CdssssnssMycorrhiizassssssCd×Mycorrrhizaassssnsns注：表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值和標準誤差;s表示方差分析達5％顯著顯著水平，ns表示不顯著。Notes:ValuesinthetableareMean±SEfromthreereplications.sindicatesP<0.05;nsindicatesP≥0.05.通過計算菌根效應（表4）可以看出，在本試驗中，土壤不加Cd時菌根效應為負值，說明菌根真菌促進植株吸收并從向地上部運轉(zhuǎn)Cd；在2個加Cd處理中，接種G.mosseae對植株吸收Cd的抑制效應為25％，G.intaradice對植株吸收Cd的抑制效應為52%~55％，表明菌根真菌侵染抑制了Cd在紫羊茅地上部的累積，并且G.intaradice對Cd吸收的抑制效應大于的G.mosseae。表4兩種叢枝菌根真菌對紫羊茅吸收Cd的抑制效應Table4TherestrainingeffectivenessofAMfungionuptakeofCdbyFestucarubraplantsCd水平Cdlevells/mg.kg-11G.mossseae抑抑制效應CdrestrraininngefffectivvenesssbyGG.mossseae/%G.intarradicee抑制效應CdrestrraininngefffectivvenesssbyGG.inttaradiice/%0-41-391525525025553討論叢枝菌根真菌對植物生長的效應取決于很多因素，如植物對菌根真菌的依賴性、菌根真菌吸收土壤養(yǎng)分的效率和消耗來自植物的碳水化合物數(shù)量等。Li等報道菌根真菌根外菌絲吸收的磷對植物體內(nèi)磷營養(yǎng)的貢獻可以達到70%~90%，對Zn和Cu的貢獻可以達到50%以上[14-15]。同時，菌根真菌可以消耗宿主植物體內(nèi)10%~20％的碳水化合物[16]。本試驗所用的2種菌根真菌對紫羊茅的侵染率達到了較高水平，但是菌根真菌侵染對紫羊茅生長未產(chǎn)生促進作用，甚至還出現(xiàn)了抑制作用。其原因可能是紫羊茅自身利用土壤磷的能力較強，因而其生長對菌根真菌的依賴性較低。菌根真菌侵染并未增加植株體內(nèi)磷濃度，同時還消耗了宿主植物體內(nèi)大量的碳水化合物，因而導致接種菌根真菌處理的植株生長受到抑制。前人的研究通常將菌根真菌降低宿主植物重金屬濃度的原因歸于菌根真菌改善植物體磷營養(yǎng)狀況、植物生物量增加，從而使重金屬元素“稀釋”[6，9-10]。而最近的研究結果發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌侵染還能夠增加根系表面的陽離子代換量，使根系對重金屬元素的吸附量增加；菌根菌絲本身也能夠固持相當于自身干重3％的Cd，因而將菌根結構對Cd的直接固持作用看作是菌根保護效應的主導機制[10]。本試驗中，接種菌根真菌并未明顯改善紫羊茅的磷營養(yǎng)狀況，并且也沒有明顯增加紫羊茅的生物量，但是地上部的Cd濃度和吸收量均顯著低于不接種的處理。這一結果也恰好說明菌根真菌侵染是造成紫羊茅體內(nèi)重金屬含量減少的直接原因。牧草是生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，其品質(zhì)的好壞直接關系到家畜產(chǎn)品的品質(zhì)，進而影響人類健康。從我們的試驗結果可以看出，土壤加入Cd50mg.kg-1對紫羊茅的菌根侵染率無影響，表明2種真菌對Cd毒害有一定耐性。在15~50mg.kg-1Cd污染情況下G.intaradice和G.mosseae2種菌根真菌侵染使Cd通過紫羊茅根系進入地上部的數(shù)量減少了約25%~50％。隨著工業(yè)化進程，重金屬元素對環(huán)境的污染正在隨著隨著污灌、廢棄物、城市垃圾數(shù)量的增加而加劇[17-19]。上述結果反映出作為污染物由土壤環(huán)境進入食物鏈系統(tǒng)的門戶之一的叢枝菌根真菌在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中重金屬Cd的生物循環(huán)、減輕重金屬Cd對食物鏈污染的環(huán)境風險方面發(fā)揮著重要的作用。參考文獻:[1]王慶仁,劉秀梅,崔巖山,等.我國幾個工礦與污灌區(qū)土壤重金屬污染狀況及原因探討[J].環(huán)境科學學報，2002,22(3):354–359[2]王凱榮.我國農(nóng)田鎘污染現(xiàn)狀及其治理利用對策[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1997，16(6):274–278[3]SmithSE,ReadDJ.Mycorrhizalsymbiosis[M].London:AcademicPress,1997[4]SharplesJM,MehargAA,ChambersSM,CairneyWG.Symbioticsolutiontoarseniccontamination[J].Nature,2000,404:951–952[5]CairneyJWG,MehargAA.Influencesofanthropogenicpollutiononmycorrhizalfungalcommunities[J].1999,Environ.Pollution106:169–182[6]KhanAG,KuekC,ChaudhryTM,KhooCS,HayesWJ.Roleofplants,mycorhizaeandphytochelatorsinheavymetalcontaminatedlandremediation[J].Chemosphere.2000，41:197-207[7]DelValC,BareaJM,Azcon-AguilarC.DiversityofAbuscularMycorrhizalFungusPopulationsinHeavy-metal-ContaminatedSoils.Appl.andEnviron.Microbiol[J].,1999，65(2):718-723[8]WeissenhornI,LeyvalC,BerthelinJ.Biovailabilityofheavymetalsandabundanceofarbuscularmycorrhizainasoilpollutedbyatmospheredepositi