納米ZnO脅迫下叢枝菌根真菌根外菌絲對玉米生長及鋅吸收的影響

劉雪琴， 韓 錳， 仝瑞建

(洛陽師范學院生命科學學院，河南洛陽 471934)

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizae，簡稱AM)真菌不僅可以通過改變根系形態和根際理化狀況來保護植物少受重金屬毒害，還能通過自身的螯合作用和過濾作用把重金屬固定在孢子和菌絲中[1]，尤其是根外菌絲[2]。AM真菌根外菌絲具有較高的金屬吸附能力，已有研究證實AM真菌孢子和菌絲有吸附固定金屬的能力[3]。另有大量研究表明，AM真菌菌絲能將自身吸收固定的重金屬轉移到植物體內[4-7]。

隔網分室系統能有效地研究AM真菌和宿主植物對重金屬的不同效應。已有很多研究利用同位素標記法證實了根外菌絲對重金屬的吸收轉運作用，如65Zn[8]、109Cd[9]、233U[5]、137Cs[6]等。筆者所在課題組前期已經研究了納米ZnO對AM真菌及其宿主的影響[10-11]，在此基礎上，本試驗將繼續研究AM真菌的根外菌絲對納米ZnO的響應及對宿主玉米生長的影響，以期探索納米ZnO對土壤中AM真菌和植物生長的影響，及AM真菌對納米材料的響應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種：鄭單958，由河南省洛陽市農業科學院提供。供試納米材料：納米ZnO，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒徑大小為(90±10)nm。

供試土壤：農田土，土壤過2 mm篩，121 ℃高壓蒸汽滅菌2 h，風干后備用。農田土的基本理化性質如表1所示。

供試菌劑：菌劑為AM真菌地表球囊霉(Glomusversiform)，宿主植物為白花三葉草(TrifoliumrepensL.)，基質為河沙和滅菌土(體積比為1 ∶1)，去掉白花三葉草地上部分，把根剪碎，以含有真菌孢子、菌絲、侵染根段等繁殖體和根際土壤的菌劑為接種物；以滅菌的接種物作為對照菌劑，除不含AM真菌外，其他均與AM真菌菌劑處理組相同。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 試驗方法

試驗于2016年3—7月在洛陽師范學院溫室大棚內進行。上面、下面的盆分別為2.0、1.5 L的塑料盆，分別裝2.0、1.5 kg供試土壤，中間用孔徑為38 μm的尼龍網隔開。AM真菌菌絲可以通過尼龍網，根系不能通過尼龍網，因此，下層為菌絲室，上層為根室。根室土壤不施用納米ZnO，菌絲室土壤分別施用0、400、800、1 600、2 400 mg/kg納米ZnO，另外設置1個不接菌不施用納米ZnO的對照處理(NM 0)，共6個處理，每個處理設4次重復，共計24盆。將100 g菌劑均勻混施于根室土壤中，菌劑與土壤混勻，不接菌處理加入等量的滅菌菌劑，并澆灌10 mL過500目篩的菌劑濾液，使其他微生物群落盡量保持一致。為保證有充足的養分供應，裝盆前將NH4NO3、KH2PO4、K2SO4按300 mg/kg氮、150 mg/kg磷、20 mg/kg 鉀的用量均勻混入土壤中。每盆播種5粒玉米種子，出苗后每盆留3棵苗。在植物生長過程中控制土壤含水量在20%左右，避免土壤溶液從花盆底部滲出或澆水過多引起菌絲室中的納米ZnO污染根室中的土壤。所有盆缽隨機排列于日光溫室中。自出苗日起10周后收獲。

1.3 測定項目與方法

玉米收獲前測量植株株高，植株地上部分和地下部分分開收獲，用自來水沖洗干凈后，再次用去離子水進行沖洗，用吸水紙擦干，留取部分細根測定菌根侵染率，其余的樣品置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后70 ℃烘干稱質量。菌根侵染率利用曲利苯藍-方格交叉法測定。植株地上部分和根系的烘干樣品粉碎后，用高氯酸和濃硝酸(體積比為1 ∶5)消煮，原子吸收分光光度法測定植株體內鋅的含量，具體測定方法參照《土壤農化分析》[12]。

1.4 數據計算與統計

用Excel、SPSS 10.0軟件處理和分析試驗數據，用Duncan’s新復極差法比較各處理之間的差異性(P<0.05)。

參考Harper等的定義[13]，根據下列公式計算植物對鋅的吸收效率和轉運效率：

植物對鋅的吸收效率(mg/g)=全株植株對鋅的吸收總量/根系干質量。

植物對鋅的轉運效率(mg/g)=植株地上部分對鋅的吸收量/根系干質量。

2 結果與分析

2.1 菌根侵染率

不接菌的對照處理中，玉米根系沒有菌根侵染。由圖1可知，在各個納米ZnO施用水平下玉米根系的菌根侵染率均高于49%，達到了較高的水平。與不施用納米ZnO的處理相比，施用納米ZnO處理的玉米根系菌根侵染率均升高，且隨著納米ZnO施用量的增加菌根侵染率呈現先升高后降低的趨勢，納米ZnO的施用量在1 600 mg/kg時菌根侵染率最高，在 2 400 mg/kg 時較低，其他水平下沒有明顯差異。

2.2 玉米株高和生物量

由表2可知，與不接菌的對照(NM 0)相比，在不同的納米ZnO施用水平下，接種AM真菌處理的玉米植株的地上部干質量、株高均升高。與不施用納米ZnO的接菌對照相比，施用納米ZnO處理的玉米植株的地上部干質量、根系干質量和株高均降低。因此，當菌絲室的納米ZnO施用量在0～2 400 mg/kg 范圍時，接種AM真菌均可有效促進玉米生長。

表2 各處理組玉米的株高、干質量

注：“地上部干質量”“根系干質量”均為1盆(3株)植株的測量數據。同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.3 玉米植株體內的鋅吸收量

由圖2可知，與不接種AM真菌的對照(NM 0)相比，接菌玉米植株地上部對鋅的吸收量顯著增加，但納米ZnO的施用水平對玉米植株地上部對鋅的吸收量影響不顯著；接菌玉米植株根系對鋅的吸收量增加不顯著，納米ZnO的施用量為1 600 mg/kg時，玉米根系對鋅的吸收量明顯高于其他施用納米ZnO的處理。

2.4 玉米對鋅的吸收效率和轉運效率

由圖3、圖4可知，與不接種AM真菌的處理相比，接菌處理的玉米植株對鋅的吸收效率和轉運效率顯著提高，這表明接種AM真菌可促進玉米植株對土壤中鋅的吸收和轉運。在所有的接菌處理中，不施用納米ZnO處理的鋅吸收效率和轉運效率最低，當納米ZnO的施用量≥800 mg/kg時，接菌處理的玉米植株對鋅的吸收效率和轉運效率與不施用納米ZnO處理相比顯著增加，且隨著納米ZnO施用量的增加，玉米植株對鋅的吸收效率和轉運效率呈現升高趨勢。這是因為根外菌絲從高濃度的納米ZnO處理中吸收的鋅較多，從而進一步促進了植株對鋅的吸收和轉運。

2.5 根外菌絲對鋅吸收的貢獻率

接菌植株與不接菌植株的鋅吸收量差值可認為是由菌絲吸收的，由此可以計算出菌絲吸收鋅對接菌植株吸收鋅的貢獻率。由表3可知，不同納米ZnO施用水平下的菌絲貢獻率存在差異，但與納米ZnO的施用水平沒有顯著的相關性。納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時，菌絲對植物吸收鋅的貢獻率最高，為28.05%。

表3 不同處理下根外菌絲對Zn吸收量的貢獻率

3 討論與結論

本試驗采取上下隔網分室裝置來研究AM真菌根外菌絲吸收轉運效應，一方面可以減少左右分室裝置中菌絲室中的重金屬向根室中遷移，另一方面在試驗過程中通過控制澆水量，可以減小菌絲室中的元素遷移到根室中的可能性，因此造成的試驗誤差較小，對根外菌絲對納米ZnO的響應及對玉米生長影響的貢獻的統計是有效的。

本試驗結果表明，接種AM真菌顯著增加了玉米對Zn的吸收量，促進了玉米的生長發育；但接菌條件下在菌絲室中施用不同水平的納米ZnO，對玉米生長及根室中的AM真菌產生的影響差別不大。結果表明，接種AM真菌增加了玉米植株地上部和根系對鋅的吸收量。在本試驗中，根室中沒有施用納米ZnO，納米ZnO被施用在菌絲室，菌絲室和根室之間用孔徑為38 μm的尼龍網隔開，AM真菌菌絲可以通過尼龍網，根系不能通過尼龍網。因此，納米ZnO只與AM真菌根外菌絲有聯系，這說明根外菌絲吸收了一部分菌絲室內的鋅，菌絲吸收的鋅不僅僅固定在菌絲自身內部，也將一部分吸收的鋅轉移到了植株根系內，并有一部分運輸到地上部，這與前人的研究結果[6-7]部分相一致。Declerck等研究發現，G.lamellosum的根外菌絲可吸收、積累并轉運放射性金屬元素137Cs到植物根中[6]。Joner等研究發現，G.mosseae的根外菌絲可以將109Cd從沙質壤土運輸到三葉草并把吸收的大部分109Cd固定在根部[9]。還有一些研究證實了菌根菌絲對重金屬的吸收轉運作用，Hutchinson等發現，有的菌根植物中10%的109Cd是通過菌絲吸收的[7]。Rufyikiri等發現，G.intraradices的菌絲可以將菌絲室中的233U轉運到植物根中[4]。上述研究中的重金屬(Cd、Cs等)都不是植物生長所必需的元素，與必需元素鋅相比，AM真菌根外菌絲對它們的吸收和運輸機制可能不一樣，而本研究采用的又是納米金屬氧化物(ZnO)，迄今還沒有關于納米材料和AM真菌根外菌絲之間的相關細致研究，因此須要進一步深入研究。

與不接菌的對照(NM 0)相比，接菌處理的根系對鋅的吸收量在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時明顯增加，其他水平下略高但差異不明顯，接菌處理的地上部對鋅的吸收量均顯著增加，這一方面表明根外菌絲從菌絲室吸收了一部分鋅并轉運到植物根系，另一方面表明根室內的菌根促進了植株對土壤中鋅的吸收及向地上部的轉運。接菌條件下，玉米對鋅的吸收效率和轉運效率隨著納米ZnO施用量的增加而提高，這進一步表明菌絲吸收的鋅轉移到植物根系內，并可轉運到植物地上部分，還表明根外菌絲吸收的鋅可促進宿主體內鋅的吸收和轉運。而對于根外菌絲對鋅的吸收量和轉運量本試驗沒有進行細致研究，有待于進一步深入研究。

筆者及筆者所在課題組前期研究表明，隨納米ZnO施用量的增加，玉米根系和地上部對鋅的吸收量呈現一直顯著增加的趨勢[10，14]。而本試驗中，接菌條件下，隨著納米ZnO施用量的增加，玉米根系對鋅的吸收量呈現先增加后降低的趨勢，在納米ZnO施用量為1 600 mg/kg時達到最大。這表明，根外菌絲可能根據植物和AM真菌對鋅的需求量來主動調節吸收鋅的量，這樣可以避免被動吸收過多的鋅對植物和菌根本身造成傷害。

以上研究結果表明，在本試驗中，接種AM真菌可以有效促進玉米的生長發育；AM真菌根外菌絲可以吸收菌絲室中的鋅，并從自身轉運到宿主植物根系內，并進一步向地上部轉運；根外菌絲吸收的鋅可以促進宿主對鋅的吸收和轉運；AM真菌根外菌絲對鋅的吸收可能是主動調節吸收。

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