菌根對鎘污染水稻生長的影響研究

王立　劉雙洋　馬放　安廣楠　徐亞男　齊珊珊　朱宏源

摘要 [目的]研究菌根對鎘污染水稻生長的影響。[方法]以水稻為試驗材料，采用土壤盆栽方式，研究了鎘脅迫條件下，AMF菌劑對水稻植株營養生長的影響。[結果]AMF可與水稻穩定共生，鎘的施加對水稻侵染率不會產生明顯抑制，施加菌劑處理后水稻的菌根依賴性指數提高。水稻株高和根長均隨鎘含量的增加呈下降趨勢，且施加菌劑可緩解鎘對水稻產生的生長抑制效應。不同鎘處理條件下水稻地上干重順序為GM>GI>CK，其中GM較CK相比增加幅度為10.76%～59.48%，因此摩西球囊霉對于水稻生物量的促進更為明顯，且地下干重的增加趨勢情況與地上順序一致。在鎘含量為5 mg/kg內的低濃度鎘脅迫條件下，水稻根冠比降低程度較緩慢，表明菌劑在中低濃度的鎘污染情況下對水稻有較強的保護作用。[結論]將AMF施加在鎘污染的農田土壤時，能夠很好地緩解鎘脅迫對水稻造成的生長發育的抑制，對于保障水稻良好的生長狀況有較強的應用潛力。

關鍵詞 水稻；叢枝菌根真菌；鎘；生長

中圖分類號 S511；X5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-241-04

自工業革命以來，人們對于經濟的追求使得越來越多的有害重金屬釋放到環境中。土壤作為最基礎的生態系統組成部分，已遭受到嚴重污染。重金屬不能被生物降解，因此長期潛藏留存于土壤中并呈現逐年積累態勢[1]。鎘元素由于其高毒害性和移動性，已被公認為是對植物威脅最嚴重的金屬元素之一。鎘通過肥料、有機固體殘余物、土壤改良劑及大氣沉降進入農田土和地下水，并對植物生長構成不可逆的威脅。據統計，目前我國約有1.3萬hm2耕地遭受了鎘污染的侵襲[2]，而水稻是極易富集鎘的作物[3]。丁園等研究發現，水淹條件土壤鎘含量達到20.84 mg/kg時會使水稻產生生長障礙，水稻減產10%[4]，因此水稻鎘污染具有隱蔽性。農業種植區土壤鎘污染超標不但會引起水稻污染造成水稻生長緩慢，甚至致使水稻的不良減產乃至植物死亡。

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AMF）與植物共生現象廣泛存在于自然界各類生態環境中[5-8]。土壤中伸展的根外菌絲擴大了根系吸收養分的范圍，提高了植物對磷及其他礦質營養元素的吸收效率[9]。菌根的形成有利于提高植物的抗逆性[10]，并對鎘脅迫土壤條件下植物的生長與生理活性能有保護作用[11-13]，因此可將鎘污染環境對水稻生產帶來的不良影響降到最低。

該試驗主要探討在兩種叢枝菌根真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae，簡稱GM）和根內球囊霉（Glomus intraradice，簡稱GI）施加條件下，AMF與水稻形成良好共生體系的前提下，水稻應對鎘脅迫的生長響應，為菌劑作用下鎘對水稻的脅迫效果的影響提供理論依據，對更好了解重金屬的根際行為、AMF作用于水稻的根際有效性等的研究都將具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試作物：水稻，品種為龍稻17號，種子購于黑龍江省農科院，粳型常規水稻生育日數130 d左右。供試菌種：摩西球囊霉、根內球囊霉，由白三葉草作為宿主植物，土壤、沙子、蛭石進行盆栽擴繁培養，內含擴繁植物根段、菌絲及孢子體，這兩種菌劑作為廣適AMF菌種可與多種宿主植物穩定共生。供試土壤：草炭土，經基礎肥力測定，pH 6.4，有機質20.64 g/kg，有效氮156.89 mg/kg，有效鉀78.25 mg/kg，土壤鎘本底值為0.098 mg/kg。

盆栽容器：塑料盆缽，長×寬×高=40 cm×16 cm×13 cm，試驗前將盆缽用75%酒精擦拭消毒。

1.2 試驗設計 土壤自然風干后過200目篩，為除去土壤中土著AMF菌，將土壤基質在121 ℃、0.15 MPa的高壓滅菌鍋中處理2 h。采用塑料盆缽土培方式，每盆裝土4 kg。鎘以CdCl2·2.5H2O的水溶液形式添加，模擬鎘污染的濃度梯度為0、1、2、5、10、15、20 mg/kg。每個濃度水平下分別施加100 g的摩西球囊霉、根內球囊霉以及等量的經過兩次滅菌處理的菌劑，每個處理種植3盆以作為重復。種子于1%的高錳酸鉀溶液中浸泡24h消毒后催芽，在無污染的土壤中育秧，生長至3葉期時進行移栽，每盆8株單本插。每盆施用基肥量為尿素0.26 g，KH2PO4 0.12 g，KCl 0.23 g。

1.3 測定方法 AMF侵染率的測定：剪取1 cm左右的根段放于試管中，以10%的KOH沸水浴加熱30 min后用超純水洗凈，以2%的鹽酸中和3 min后再次清洗，倒入酸性品紅沸水浴加熱30 min后于載玻片上制片。根段侵染率加權法[14]計算侵染率，每個處理觀察100條根段。

菌根依賴性的測定：菌根依賴性（%）=侵染水稻生物量/未侵染水稻生物量×100%。

植物生長指標的測定：①植株高度（cm）：在成熟期用刻度軟尺測量，從莖基部至穗頂部的長度，數據取10個樣本的平均值。

②根系長度（cm）：在水稻成熟期隨機選取10株植物，將其連根挖出后用蒸餾水洗凈，軟尺測量每株最長的根系長度。

③生物量（g）：以植株周圍土壤為介質，將植株連根挖出，去除根系周圍泥土及雜物，用蒸餾水洗凈后，以去離子水潤洗，裝于干凈紙袋中。將水稻樣品放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，105 ℃殺青5 min后，于70 ℃烘24 h至恒重。分為地上部和根部，分別稱重。④根冠比：根冠比=地下部分生物量/地上部分生物量。

1.4 數據分析 數據統計分析處理及作圖采用SPSS17.0軟件，各處理平均值之間的差異顯著性比較采用Duncan法（顯著性水平 0.05）。

2 結果與分析

2.1 菌根侵染率及菌根依賴性 不同鎘濃度條件下，摩西球囊霉處理組的水稻根系侵染率的范圍為30.35%～36.75%，根內球囊霉處理組為27.45%～32.30%，表明水稻與兩種供試菌劑均能維持良好的共生狀態，鎘的施加不會對菌劑侵染造成較大的沖擊。兩者對比可知，摩西球囊霉侵染效果更優，良好的共生前提是進行進一步試驗探究的基礎。

菌根依賴性是指在一定的土壤肥力下，植物與菌根共生后所能獲得的最大生物量程度，可定量地反映出宿主植物與菌劑的共生狀況。若接菌條件下植株的生長指標提高，則表明其對菌根的依賴性較高，菌根系統促進植物生長的作用效果越強，因此菌根依賴性對于評價菌種對宿主植物的應用效能有重要的實踐意義。菌根依賴性指數可量化為菌根植物與非菌根植物干重之比，根據這一定義，將沒有促生作用的空白對照組水稻菌根依賴性指數設為100%。在未施加鎘條件下，水稻生物量的菌根依賴性如圖1所示。

結果表明，相對于空白處理，人工施加菌劑處理后水稻的菌根依賴性指數提高，其中施加摩西球囊霉組的菌根依賴指數為115.57%，顯著高于CK組（P<0.05）。表明GM對水稻生物量的增加有較強的促進潛力，且水稻根系對于摩西球囊霉的依賴程度更大。根內球囊霉處理組的菌根依賴指數為109.55%，顯著低于GM組。總的來說，供試菌劑的加入可使得水稻對菌劑的依賴程度增強，其中施加摩西球囊霉對于促使水稻生物量積累的作用效果優于根內球囊霉，因此摩西球囊霉對于保障水稻生長發育和產物的積累有重要意義。

2.2 AMF對水稻株高的影響 于水稻收獲期測量不同處理條件下水稻植株高度，考察菌根對鎘污染水稻株高的影響，結果見圖2。通過對水稻株高實測值進行曲線擬合可知，隨著Cd2+脅迫濃度的增加，水稻株高均呈現下降趨勢，且水稻生長受抑制程度隨重金屬脅迫強度升高而增大。當土壤中無外源添加的Cd2+時，GM處理的水稻的平均株高為（81.77±2.22）cm，GI為（81.03±1.90）cm，而CK僅為（78.93±2.97）cm，GM與GI處理分別較對照組提高3.59%、2.66%。1 mg/kg的脅迫條件會對水稻株高造成明顯的生長抑制，水稻生長遲緩，表明土壤基質中的鎘含量高于1 mg/kg時就對于水稻的生長發育產生不可逆的抑制效果，使得植株矮化從而造成生長不良，進而影響水稻的產量等經濟性狀。當土壤中Cd2+含量在最高設置濃度20 mg/kg時，GM、GI、CK處理的水稻長勢分別達到各自最低生長水平，分別為（74.23±1.37）cm、（73.23±2.27）cm、（71.37±1.76）cm。

通過實測點得到的擬合方程可知，水稻株高隨Cd2+濃度變化整體呈現二次函數曲線規律。方程的初始斜率表征Cd2+脅迫對水稻株高的抑制作用強度，由曲線最低值可知不同處理條件下對水稻生長產生抑制效應的臨界Cd2+含量以及最低株高。具體參數見表1所示。由不同菌劑處理條件下曲線斜率變化規律可知，接種菌劑可以減緩水稻株高的下降程度，且GM對水稻的保護效應更為明顯。當高于三者（CK、GM、GI）的臨界鎘含量濃度（16.59、18.13、18.00 mg/kg）時，水稻生長均達到各自最低水平，Cd2+濃度的繼續增加將導致由于重金屬脅迫而產生的植株死亡。

總體來說，隨著土壤基質中Cd2+脅迫濃度的增加，水稻株高呈明顯的下降趨勢。菌劑的施加使水稻營養生長的長勢更為明顯，施加GM對于緩解植株鎘脅迫的效果更優，其次為GI，表明了AMF能夠對鎘脅迫水稻起到保護效果，降低鎘脅迫導致的生長損傷，并能減緩土壤鎘污染對水稻帶來的不利影響。

2.3 AMF對水稻根長的影響 根系作為與地上部分進行營養物質交換的媒介器官，對于植物養分利用和物質積累至關重要，根系總長度的形態變化會直接影響到地上的植株高度及干物質積累，因此是對植物生長重要的影響因子。對不同鎘濃度處理條件下水稻根系總長度的測定結果如圖3所示。

水稻成熟期后對根系長度的統計結果表明，在無Cd2+污染的土壤條件下，GM與GI處理的最大根長平均值分別比CK組高2.23和1.13 cm，表明接種AMF菌劑對于誘導水稻根系生長的效能顯著，通過根系的深層延伸和擴張，能增大養分的吸收界面，提高營養物質的攝取和有效利用率，進而能改善植株的生理狀況并增強對逆境環境的適應能力。隨著Cd2+脅迫的增加，根長的生長受到明顯的抑制，呈現出先急速而后平穩的下降趨勢。在1 mg/kg的Cd2+施加量時，GM、GI、CK處理的水稻根系長度比各自不施加Cd2+的處理分別降低了3.68%、3.12%和5.41%，并沒有出現外界Cd2+含量低可刺激植株根系生長的現象，表明根系對于Cd2+的添加量頗為敏感，1 mg/kg的Cd2+含量已超過其耐受限度。在20 mg/kg的Cd2+濃度施加時，3種處理下的水稻根長則無明顯差異（P>0.05），此時水稻根長最短，生長受到Cd2+脅迫的抑制也最大，并且根系出現木質化現象。

自然環境條件下土壤中鎘含量較低，且選擇的水稻品系為非重金屬耐性較強的種類，根系作為與重金屬直接接觸的器官，受到的毒害效應在形態上的體現更為明顯。總的來說，鎘污染環境中施加AMF一方面能確保水稻根系的健康生長，另一方面也可以使得鎘對水稻的生長發育毒害作用減弱，因此對于水稻的保護功效以及緩解植株生長過程所遭受的脅迫方面應用潛力巨大。

2.4 AMF對水稻生物量的影響 生物量即植株的干物質積累量，對水稻干重的測量能反映出鎘脅迫對于水稻營養生長的影響。在收獲期測得不同處理條件下水稻地上、地下部分的生物量，結果如圖4所示。

水稻營養生長階段，地上部分干重隨著鎘脅迫濃度的增加總體呈現初期加速而后平穩下降的趨勢。不同鎘處理條件下水稻地上干重積累量順序為GM>GI>CK，菌劑強化

處理整體高于空白對照組，其中GM的施加對于水稻生物量

的促進更為明顯，與CK相比增加幅度為10.76%～59.48%。零外源鎘添加時，GM就表現出對水稻較強的促生潛力，能明顯增加水稻地上干重（P<0.05），隨著鎘施加量的升高，GM組與CK組差異水平逐漸增加，菌劑的保護效應亦隨著鎘脅迫加劇而增強。20 mg/kg的施鎘水平下，GM與GI處理的水稻地上干重分別為（9.72±0.72）和（8.51±0.64）g，與CK組相比分別提高37.87%和20.71%（圖4a）。因此菌劑的施加能促進水稻地上有機干物質的積累，使得光合器官的生長占優勢，從而增強水稻的同化吸收作用，對于提高水稻的生長和抗病害潛力，緩解鎘脅迫造成的生長抑制有很強的抗沖擊能力。

水稻地下干重的趨勢情況與地上順序一致，且施加GM對于水稻根系干重的增加幅度更高，達到23.16%～73.12%（圖4b），主要由于AMF真菌孢子侵染水稻根系后，菌根共生體產生大量根外菌絲，因此菌劑對植物生長的促進主要表現為根系重量的增加。菌根植物龐大的菌絲體系中，脂質、糖原顆粒等會隨著菌絲消解而作為營養物質留存于植物根系，被植物細胞所利用。此外，菌絲網絡的深層擴張有利于水稻吸取更多的水分及養料，因此菌劑侵染后的水稻根系也十分發達，抵抗重金屬脅迫能力也越強。

2.5 AMF對水稻根冠比的影響 根冠比一般以地下部根系與地上莖葉干重的比值來表示，這兩部分的比例關系可直接反映出植株生長發育狀況，比值高則表明根系生理機能的活性強，反之則弱。不同鎘濃度處理條件下水稻根冠比結果如圖5所示。

通過根冠比變化的整體趨勢來看，隨著施加鎘程度的增強，水稻根冠比均有不同程度的下降，且比值<1，表明鎘對水稻地下器官的生長抑制作用較為明顯。非菌根植物根冠比低于菌根植物，這主要由于接種AMF的作物根系比例增大所影響的。施加摩西球囊霉處理的水稻根冠比的平均值較空白組高14.44%，施加根內球囊霉處理高10.13%。通過區域劃分可以明顯看出，在低濃度鎘脅迫條件下（Cd≤5 mg/kg）根冠比降低程度較緩慢，此時菌劑對水稻是有保護作用的；中度鎘脅迫條件下（5 mg/kg≤Cd≤15 mg/kg）根冠比開始有下降趨勢，表明此濃度鎘脅迫條件下，菌劑對水稻的保護程度較弱；而在高鎘脅迫的20 mg/kg濃度下，根冠比急劇下降，水稻根系受損，根系生長受到傷害，植物表現出致死癥狀，此時菌劑對植物的保護效果體現得不明顯。因此高濃度的鎘脅迫會導致菌劑作用效果欠佳，對于逆境植物的保護優勢發揮得并不明顯。

3 結論

（1）人工施加AMF處理后水稻的菌根依賴性指數提高，因此水稻對AMF的依賴性是存在的。叢枝菌根真菌的施加可顯著提高水稻根系侵染率，GM侵染率保持在30.35%～36.75%的范圍內，GI侵染率范圍為27.45%～32.30%。因此土壤鎘濃度的提高對AMF的侵染率并無較大影響，表明在不同濃度鎘脅迫條件下，AMF可與水稻保持穩定共生狀態并對鎘污染具有較好的抗性。供試菌劑的加入可使得水稻對菌劑的依賴程度增強，其中施加摩西球囊霉對于促使水稻生物量積累的作用效果優于根內球囊霉。

（2）隨著鎘濃度的增加水稻株高呈下降趨勢，而接菌處理可緩解鎘脅迫對水稻帶來的生長抑制程度。無外源鎘添加時，GM與GI處理分別較對照組提高3.59%、2.66%，接種AMF真菌處理可以明顯提高植株長勢。20 mg/kg的外源鎘條件下，水稻株高分別達到各自生長的最低值，此濃度下水稻受到的生長抑制程度最大。

（3）在無鎘污染的土壤條件下，GM與GI處理的水稻最大根長平均值分別比CK組高2.23和1.13 cm，表明接種AMF菌劑對于誘導水稻根系生長發育的效能顯著。隨著鎘脅迫的增加，根長的生長受到明顯的抑制，呈現出先急速而后平穩的下降趨勢，且菌劑處理能減輕鎘脅迫對水稻根長的抑制，增強污染環境中水稻根系被重金屬脅迫的抵御能力，從而使鎘對水稻的生長發育毒害作用減弱。

（4）施加AMF真菌能通過促進水稻根系的生長，形成龐大的菌絲網絡以固定土壤中更多的能量和物質，從而增加根系干物質的積累。不同鎘處理條件下水稻地上干重積累量表現為菌劑強化處理整體高于空白對照組，即GM>GI>CK。水稻地下干重的趨勢情況與地上順序一致，且施加摩西球囊霉對于水稻根系干重的增加幅度更高。

（5）通過根冠比變化的整體趨勢來看，隨著施加Cd2+程度的增強，水稻根冠比均有不同程度的下降，在低濃度鎘脅迫條件下（Cd≤5 mg/kg）根冠比降低程度較緩慢，此時菌劑對水稻是有保護作用的；中度鎘脅迫條件下（5 mg/kg≤Cd≤15 mg/kg）根冠比開始有下降趨勢，表明此濃度鎘脅迫條件下，菌劑對水稻的保護程度較弱；而在高鎘脅迫的20 mg/kg濃度下，根冠比急劇下降，水稻根系受損，根系生長受到傷害，植物表現出致死癥狀，此時菌劑對植物的保護效果體現得不明顯。

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