滕秋梅，張中峰*，李紅艷，徐廣平，周龍武，黃玉清

叢枝菌根真菌對鎘脅迫下蘆竹生長、光合特性和礦質(zhì)營養(yǎng)的影響①

滕秋梅1，張中峰1*，李紅艷2，徐廣平1，周龍武1，黃玉清3

(1廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點實驗室，廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西桂林 541006；2長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北荊州 434025；3 南寧師范大學(xué)，南寧 530001)

為揭示叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)對蘆竹耐鎘(Cd)脅迫的作用及其機理，采用大棚盆栽試驗，利用叢枝菌根真菌(AMF)摩西管柄囊霉(，F(xiàn)M)、根內(nèi)根孢囊霉(，RI)、地表球囊霉(，GV)進行接種試驗，研究了在Cd脅迫下接種AMF對蘆竹生長、光合特性、礦質(zhì)營養(yǎng)的影響。結(jié)果表明：AMF能夠顯著改善Cd脅迫下蘆竹的生長狀況，與對照相比，接種處理蘆竹的株高增加19.09% ~ 27.98%，葉長增加12.18% ~ 31.06%，葉綠素相對含量SPAD值增加8.55% ~ 9.36%，地上和根系生物量分別增加20.08% ~ 31.41%、12.24% ~ 24.12%，最大凈光合速率增加7.08% ~ 32.12%，蘆竹根系全磷含量增加30.26% ~ 46.05%。接種處理后蘆竹地上Cd含量介于68 ~ 105.97 mg/kg，顯著高于對照處理(42.20 mg/kg)，根系Cd含量介于110.67 ~ 221.47 mg/kg，顯著高于對照處理(46.47 mg/kg)，且根系Cd含量顯著高于地上部。Cd脅迫下不同AMF菌種對蘆竹產(chǎn)生的效應(yīng)有差異，其中，RI處理對蘆竹株高、葉長促進效應(yīng)最好，經(jīng)GV處理的蘆竹全氮、全磷、全鉀含量以及Cd含量最高。Cd脅迫下接種AMF能促進蘆竹的生長，增強其光合作用，提高全氮、全磷、全鉀吸收量，同時增強了蘆竹對Cd的吸收。該研究表明蘆竹–叢枝菌根共生體對重金屬Cd具有較強的固持作用，在Cd污染土壤修復(fù)中具有潛在應(yīng)用價值。

叢枝菌根真菌；蘆竹；鎘；污染；土壤修復(fù)

隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重。其中鎘(Cd)是生物毒性最強的重金屬元素[1]，被列為全球關(guān)注的重金屬污染物之一[2]。具有移動性大、毒性持久、不可降解和不可逆轉(zhuǎn)等特點。調(diào)查顯示，全國土壤總的重金屬超標(biāo)率達到16.1%，耕地污染超標(biāo)率達19.4%，Cd的點位超標(biāo)率最大，達到7.0%[3]。目前，對Cd污染土壤進行修復(fù)已成為社會關(guān)注的熱點，許多學(xué)者對此進行了大量研究。對Cd污染土壤的修復(fù)通常有直流電場與植物修復(fù)的聯(lián)合修復(fù)[4]，以及用生物質(zhì)材料對污染土壤進行淋洗等方法進行化學(xué)修復(fù)[5]，然而這些修復(fù)措施不僅修復(fù)成本較高，而且常造成土壤的二次污染。運用動物、植物、微生物等生物方法進行生物修復(fù)是目前較為環(huán)保和經(jīng)濟的措施[6]。叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是一類廣泛分布于自然界的真菌，可侵染陸地生態(tài)系統(tǒng)90% 的高等植物根系，形成互利共生體[5]。研究表明，在重金屬污染土壤中，接種AMF不僅能顯著促進植物對氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素的吸收，而且可以增強植物的抗逆性[5, 7]。AMF侵染植物根系后，減輕了重金屬對植物體的毒害，植物在重金屬污染土壤中的耐受能力顯著提高[7]。接種AMF通過調(diào)節(jié)植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運，使重金屬從土壤中高效移出，從而實現(xiàn)生物修復(fù)[8]。為篩選用于土壤Cd污染修復(fù)的菌根共生體，國內(nèi)外學(xué)者研究了叢枝菌根真菌對Cd污染地區(qū)適生植物龍葵()、洋車前子()、黑麥草()、東南景天()、蜈蚣草()、蕹菜()等的促生和吸附效果[9-14]，研究表明，這些植物接種叢枝菌根真菌促進了植物對土壤Cd的吸附作用。雖然這些植物對土壤Cd具有較強吸附性能，但是生物量小，修復(fù)速度慢。因此，篩選和研究生長速度快、生物量大、吸附性能好的植物菌根共生體對目前土壤重金屬修復(fù)具有重要意義。

蘆竹()別名“荻蘆竹”，禾本科蘆竹屬，是一種多年生、叢生、常綠的植物，可生長于貧瘠土壤或受污染的地區(qū)，具有生物量大、根系發(fā)達、適應(yīng)性強等特點[15]。研究表明，蘆竹對重金屬Cd、Hg具有較大富集量和較好的耐受性，在重金屬污染較嚴(yán)重的地區(qū)，通過種植蘆竹可吸收和積累一定種類的重金屬離子，對修復(fù)土壤起到有效作用[16-17]。蘆竹在修復(fù)土壤Cd污染的同時，其生長發(fā)育也受重金屬影響，生物量降低，為探明Cd污染條件下蘆竹菌根共生體適應(yīng)性，本研究以蘆竹為研究對象，采用大棚盆栽試驗，接種叢枝菌根真菌和模擬土壤Cd污染環(huán)境，探討在Cd脅迫下接種AMF對蘆竹生長發(fā)育、光合特性、礦質(zhì)營養(yǎng)，以及對Cd 吸收的影響，并從光合過程、營養(yǎng)水平角度研究其生理機制，以期為土壤Cd污染修復(fù)治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用蘆竹為蘆竹組培苗。供試菌種為摩西管柄囊霉(，F(xiàn)M)、根內(nèi)根孢囊霉(，RI)、地表球囊霉(，GV)，菌劑從北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所購買。在人工溫室內(nèi)，利用高粱對菌劑分別進行擴繁培養(yǎng)(基質(zhì)為滅菌的沸沙培養(yǎng)基質(zhì))4個月，培養(yǎng)后用于接種的菌根菌劑含有孢子、菌絲和菌根根段，其中每克菌劑中含有20 ~ 30個孢子。試驗土壤采自廣西植物研究所試驗區(qū)紅壤，過篩后去除大塊石礫，用甲醛溶液滅菌 48 h，晾曬 2 周后備用。土壤pH為4.84，有機質(zhì)含量 43.1 g/kg，全氮 2.1 g/kg，全磷0.54 g/kg，全鉀5.15 g/kg。試驗所用容器為塑料花盆( 30.5 cm × 30 cm × 25 cm) 。

1.2 試驗設(shè)計

試驗包括 4個接種水平和2個Cd脅迫水平(4×2)，接種處理分別為摩西管柄囊霉(FM)、根內(nèi)根孢囊霉(RI)、地表球囊霉(GV)和未接種(CK)；Cd脅迫處理為0 mg/kg 和50 mg/kg兩種水平，試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每種處理4個重復(fù)，每盆種植1株蘆竹苗。試驗在廣西植物研究所試驗大棚內(nèi)進行，年平均相對濕度、日照、溫度分別為 73% ~ 79%、1 670 h、19.3 ℃。試驗時間2016年6月至2017年7月。

將規(guī)格為30 cm × 32 cm × 27 cm 塑料花盆置于0.5% KMnO4溶液浸泡過后清洗干凈，晾干，裝入約1/3體積的滅菌土壤備用。接種時，稱取 20 g 含有孢子( 孢子密度20 ~ 30個/g)、菌絲片段和侵染根段的菌劑平鋪于滅菌土上，同時種植一株蘆竹苗，然后覆蓋滅菌土壤至花盆3/4處。對照處理中，將用微孔濾膜過濾的菌液和20 g高溫滅菌的菌劑加入盆內(nèi)，以保證除目的菌外和其他處理微生物組成一致。

對上述4種接種處理分別設(shè)置2個Cd 水平處理：0 mg/kg 和50 mg/kg，分別以-Cd和+Cd表示。將含Cd試劑(CdSO4·8H2O)配制成一定濃度溶液加入培養(yǎng)基質(zhì)，使土壤Cd2+含量達到50 mg/kg，以無菌水作為0 mg/kg Cd2+含量處理。每個處理重復(fù)4次。

1.3 測定指標(biāo)及方法

在接菌處理8個月后，用鋼卷尺和游標(biāo)卡尺測定蘆竹株高、葉長和葉寬。收獲蘆竹時從莖基部將蘆竹分為地上部分和根系部分，去除植物周圍泥土及雜物，先用自來水沖洗干凈，再用去離子水洗凈后晾干，將根系部分和地上部分放入烘箱在120 ℃ 下殺青30 min，85 ℃ 下烘干至恒重后稱重，計算生物量。

葉綠素相對含量的測定：采用SPAD-502葉綠素測定儀(日本Konica公司)測定相對葉綠素含量(SPAD值)；在上午9:00測定，測定時選擇生長良好、位置相同、中等成熟度的同齡向陽植物葉片，并避開葉片的主脈[18]。每個處理測2株，每株測定4片葉，每片葉測4個點取平均值。

植物N、P、K和Cd含量測定：將烘干的植物樣用不銹鋼粉碎機粉碎，用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法、H2SO4-HClO4消化-凱氏定氮法、NaOH堿熔-火焰光度法分別測定蘆竹全磷、全氮、全鉀含量[19]。稱取0.3 g粉碎的植物樣品于120 ℃ 下以“HNO3- HF”消化體系和密封高壓消解罐法進行消解，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Optima 8000，Perkin Elmer，USA) 測定消化液中 Cd 濃度并計算樣品中Cd含量[20]。

光合-光響應(yīng)曲線的測定：采用LI-6400xt便攜式光合儀(LI-COR, USA)對蘆竹進行光響應(yīng)曲線測定，測量時選取葉位及長勢基本一致且無病蟲害的葉片，并保持葉片自然生長角度，每處理測定3株。測定時選擇紅藍光源(LI-6400-02B)，設(shè)定誘導(dǎo)光強為2 500 μmol/(m2·s)，光合有效輻射梯度為2 500、2 000、1 600、1 200、800、600、400，250、150、100、50、20、10、0 μmol/(m2·s)，葉溫25 ℃，相對濕度70%，外界CO2濃度為380 μmol/(m2·s)。最大凈光合速率、飽和光強、光補償點、暗呼吸速率等光合指標(biāo)根據(jù)直角雙曲線修正模型進行擬合計算[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016記錄和初步處理數(shù)據(jù)以及作圖；SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對株高、葉長、葉寬、葉綠素含量、生物量、礦質(zhì)營養(yǎng)含量(全氮、全磷、全鉀)以及Cd吸收量進行方差分析；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(jié)果與分析

2.1 叢枝菌根真菌和Cd脅迫對蘆竹生長的影響

圖1為AMF和Cd脅迫對蘆竹株高、葉長、葉寬、分蘗數(shù)和生物量的影響。接種AMF對蘆竹株高和葉長均具有顯著促進作用。無論有Cd(50 mg/kg)還是無Cd(0 mg/kg)脅迫，接種處理蘆竹的株高、葉長均顯著高于對照處理。當(dāng)無Cd脅迫時，接種處理蘆竹株高升高范圍介于11.95% ~ 33.29%，葉長增加范圍介于3.14% ~ 4.77%；不同菌種處理株高和葉長表現(xiàn)不同，如RI處理與FM和GV處理間株高的差異性均顯著(<0.05)，葉長在RI處理下效果最好，F(xiàn)M處理次之。有Cd脅迫時，RI處理蘆竹的株高最高，比對照處理高27.98%，GV處理最低，比對照處理高19.09%，RI、FM、GV處理間的差異性不顯著；3個菌種處理葉長增加范圍介于12.18% ~ 31.06%。

不同Cd含量處理下，接種AMF對蘆竹的葉寬和分蘗數(shù)影響不同。當(dāng)Cd含量為0 mg/kg時，僅GV處理蘆竹葉寬顯著高于未接種處理，RI處理顯著低于未接種處理；而接種處理蘆竹的分蘗數(shù)顯著降低，RI處理下降幅度達到40.91%。當(dāng)Cd含量為50 mg/kg時，蘆竹葉寬在FM和GV處理下均顯著高于未接種處理，蘆竹分蘗數(shù)僅在GV處理與對照處理具有顯著差異。可見，AMF對蘆竹的影響因菌種和蘆竹器官的不同有差異。

無Cd脅迫下，接種AMF處理蘆竹地上部和根系生物量均顯著高于未接種處理(<0.05)。有Cd脅迫時，各菌種處理地上部生物量與未接種處理間均具有顯著差異(<0.05)，升高幅度表現(xiàn)為RI(31.41%)> FM(27.27%)>GV(20.08%)；根系生物量在3個菌種處理下均顯著高于對照處理，各菌種處理間增加范圍為12.24% ~ 24.12%。

2.2 叢枝菌根真菌和Cd脅迫對蘆竹葉綠素含量的影響

圖2為Cd脅迫下接種AMF對蘆竹葉片葉綠素相對含量(SPAD值)的影響。結(jié)果顯示，未添加Cd土壤接種AMF蘆竹葉片SPAD值顯著高于未接種處理(<0.05)，表現(xiàn)為GV(52.98 mg/g)>RI(52.38 mg/g)> FM(52.05 mg/g)>CK(49.48 mg/g)，說明接種AMF可以增加蘆竹葉綠素含量。當(dāng)土壤Cd含量為50 mg/kg時，無論接種與否，蘆竹葉片SPAD值顯著低于未添加Cd土壤；與對照處理相比，Cd脅迫下接種AMF處理葉片SPAD值均顯著高于未接種處理(<0.05)，不同菌種處理間表現(xiàn)為RI(50.40 mg/g)>FM(50.30 mg/g)> GV(50.02 mg/g)>CK(46.08 mg/g)。

(CK：未接種處理，F(xiàn)M：摩西管柄囊霉，RI：根內(nèi)根孢囊霉，GV：地表球囊霉；圖中小寫字母不同表示同一Cd含量處理下不同接種處理間差異達P<0.05顯著水平；下同)

圖2 叢枝菌根真菌和Cd脅迫對蘆竹葉綠素相對含量的影響

2.3 叢枝菌根真菌和Cd脅迫對蘆竹光合特性的影響

由表1可得，無Cd脅迫下，接種AMF處理蘆竹的表觀量子效率在0.042 6 ~ 0.060 0，GV處理蘆竹的表觀量子效率最高(0.060 0)，與未接種處理相比差異顯著(<0.05)，RI和FM處理與未接種處理無顯著差異；接種AMF處理蘆竹的最大凈光合速率均顯著高于未接種處理(<0.05)，GV、RI和FM處理比未接種處理分別增加44.96%、25.50%、17.40%；接種AMF處理蘆竹暗呼吸速率與未接種處理差異不顯著(>0.05)；而接種AMF處理蘆竹的光補償點顯著低于未接種處理，F(xiàn)M、RI和GV處理降低幅度分別為19%、35% 和23%。Cd脅迫條件下，接種AMF處理蘆竹的表觀量子效率顯著高于對照處理(<0.05)，3個菌種處理增加幅度范圍在16.06% ~ 37.59%，其中FM處理效應(yīng)最好；最大凈光合速率在各菌種處理下與對照處理差異性顯著(<0.05)，增加幅度在7.08% ~ 32.12%，GV處理和FM、RI處理間均具有顯著差異(<0.05)；FM、GV處理下，蘆竹的光補償點與對照處理相比無顯著差異，而暗呼吸速率顯著高于對照處理(<0.05)，RI處理光補償點和暗呼吸速率均顯著低于對照處理(<0.05)。

表1 AMF和Cd脅迫對蘆竹光合特征參數(shù)的影響

注：表中同列小寫字母不同表示同一Cd含量處理下不同接種處理間差異達<0.05顯著水平。

2.4 叢枝菌根真菌和Cd脅迫對蘆竹礦質(zhì)營養(yǎng)的影響

由圖3可得，無Cd脅迫下，接種AMF對蘆竹全氮含量的影響無明顯的規(guī)律，接種后蘆竹地上部全氮含量與未接種處理相比均有所增加，增加范圍在4.78% ~ 11.30%，其中RI處理與未接種處理差異顯著(<0.05)；與之相反，F(xiàn)M和RI處理蘆竹根系全氮含量顯著低于未接種處理，可見，根系全氮含量因菌種不同而有差異。Cd脅迫下，接種AMF蘆竹地上部全氮含量高于對照處理，升高范圍為6.96% ~ 25.22%，僅GV處理與對照處理具有顯著差異(<0.05)；各菌種處理根系全氮含量均顯著高于對照處理(<0.05)，升高范圍在12.74% ~ 18.47%。無Cd脅迫時，接種AMF對蘆竹全磷含量具有較大影響，地上部和根系全磷含量均高于未接種處理(<0.05)；與未接種處理相比，接種AMF處理地上部全磷含量增加范圍為4.24% ~ 23.03%，除FM外，其他接種處理蘆竹地上部全磷含量與未接種處理具有顯著差異；根系全磷含量僅GV處理與未接種處理有顯著差異。Cd污染條件下，RI和FM處理地上部全磷含量與對照處理間均無顯著差異，3個菌種處理比對照處理增加范圍在8.86% ~ 28.48%；根系全磷含量接種AMF處理均顯著高于對照處理，升高幅度在30.26% ~ 46.05%。

無Cd脅迫時，蘆竹地上部全鉀含量在RI和GV處理下與未接種處理均具有顯著差異，比未接種處理分別增加8.23% 和12.35%；蘆竹根系全鉀含量僅GV處理高于未接種處理，其他接種處理均顯著低于未接種處理。在50 mg/kg Cd含量處理下，RI和GV處理地上部和根系全鉀含量均高于對照處理，而FM處理根系全鉀含量顯著降低。

總的來看，3個菌種處理中GV處理對蘆竹全氮、全磷、全鉀含量產(chǎn)生的效應(yīng)最好，均顯著高于對照處理。Cd脅迫下接種AMF蘆竹地上部全氮、全磷、全鉀含量均顯著高于根系部分。

2.5 Cd脅迫下接種叢枝菌根真菌對蘆竹Cd含量的影響

從圖4可得，接種AMF后，蘆竹地上、根系Cd含量與對照處理相比均具有顯著差異(<0.05)，地上部分表現(xiàn)為FM (105.97 mg/kg)>GV(71.28 mg/kg)> RI(68 .00 mg/kg)>CK(42.20 mg/kg)；根系表現(xiàn)為GV (221.47 mg/kg)>FM(113.07 mg/kg)>RI(110.67 mg/kg)> CK(46.47 mg/kg)，GV、FM、RI處理分別比CK處理高376.59%、143.32% 和138.15%；且接種處理蘆竹根系Cd含量遠高于地上部分?？梢?，接種AMF后蘆竹對土壤Cd的吸收和固持能力均較強。

3 討論

自然土壤中的Cd 主要來源于成土母質(zhì)，全世界土壤中Cd 含量的范圍為0.010 ~ 2.000 mg/kg，中值為0.35 mg/kg。由于我國不同區(qū)域地球化學(xué)條件差異顯著，在我國各區(qū)域土壤中Cd 背景值差異較大，范圍為0.001 ~ 13.400 mg/kg，中值為0.079 mg/kg[22]。據(jù)吳燕玉等[23]研究討論以及現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：當(dāng)土壤Cd 含量>0.3 mg/kg時，可用于宏觀判斷土壤是否污染以及監(jiān)測農(nóng)牧業(yè)用地；當(dāng)土壤Cd含量>0.5 mg/kg(警戒值)，開始對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響；當(dāng)土壤Cd含量≥1.00 mg/kg，已嚴(yán)重影響其生態(tài)系統(tǒng)，此值為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的上限值。本研究所選擇的Cd 含量為50 mg/kg，遠遠大于三級標(biāo)準(zhǔn)限量值(1.00 mg/kg)，理論上對植物具有毒害作用。然而，有研究表明，低含量的Cd可促進植物的生長發(fā)育，高含量則會抑制植株的正常生長。劉大林等[24]的研究得出，Cd 含量為0 ~ 50 mg/kg時，早熟禾幼苗的各項指標(biāo)均應(yīng)激達到最大值，隨后開始下降。曹德菊等[25]的研究表明，Cd 含量介于50 ~ 200 mg/kg時，苧麻長勢較好，當(dāng)含量達到 300 mg/kg 時植株出現(xiàn)毒害現(xiàn)象。蔣先軍等[26]的研究表明，Cd 對印度芥菜的毒害作用因其生長期不同有差異，如幼苗期與營養(yǎng)生長前期是在Cd含量70 ~ 110 mg/kg 左右，成熟期是在150 mg/kg 左右。Papazoglou等[27]的研究表明，蘆竹可在 Cd含量為100 mg/kg 的污染土壤中正常生長，且植株鮮重、干重、株高均與對照無顯著差異。本研究中，在Cd含量為50 mg/kg時，蘆竹的生物量、葉長和葉寬等雖小于未添加 Cd 土壤，但蘆竹仍能正常生長、因此，Cd 含量為50 mg/kg時，對環(huán)境所產(chǎn)生的影響因植物不同有所不同。另外，本研究所設(shè)置的Cd含量(50 mg/kg)，也是根據(jù)當(dāng)?shù)?桂林市陽朔縣)鉛鋅礦污染區(qū)土壤Cd污染水平設(shè)計，當(dāng)?shù)赝寥繡d污染在20 ~ 50 mg/kg，所以設(shè)置50 mg/kg的污染水平，使試驗更符合實際情況，以便為治理當(dāng)?shù)谻d污染提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 AMF和Cd脅迫對蘆竹礦質(zhì)營養(yǎng)的影響

圖4 Cd脅迫下接種AMF對蘆竹Cd含量的影響

研究表明，AMF能夠顯著促進寄主植物的營養(yǎng)生長，有助于增加植物葉片葉綠素含量，顯著提高植物株高、根系和地上部的生物量，促進植株的生長和發(fā)育[28-29]。本研究中蘆竹接種AMF后，蘆竹株高、葉長、地上和根系生物量均顯著提高，表明接種AMF對蘆竹生長發(fā)育具有顯著促進作用。AMF侵染蘆竹根系后，導(dǎo)致蘆竹體內(nèi)生長素、細胞分裂素、赤霉素等內(nèi)源激素含量發(fā)生變化[30]，改善了蘆竹的營養(yǎng)生長。據(jù)報道，AMF物種豐富，已分離鑒定報道有200多種，AMF侵染植株產(chǎn)生的效應(yīng)因菌種不同而有差異，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有兩方面，一是因為菌種本身的生物學(xué)特性或者菌種與宿主植物之間的親和性不一致，也可能與土壤環(huán)境、植株本身的生理生化特征不同有關(guān)[31]。本研究中，對于株高、葉長、地上部和根系生物量，各接種處理均起到了促進作用，菌種(FM、RI、GV)間效應(yīng)為 RI最好，F(xiàn)M次之，說明AMF改善植物生長因菌種不同表現(xiàn)不一，同時反映了不同AMF菌種功能的多樣性[32]。然而，同一菌種對同種植物不同器官的影響也不盡相同。本研究中，無Cd脅迫下，F(xiàn)M、RI、GV處理的分蘗數(shù)顯著低于未接種處理，原因可能是主導(dǎo)分蘗數(shù)的基因(MOC1)在起作用，MOC1突變后，導(dǎo)致蘆竹分蘗數(shù)減少[33]；也可能是蘆竹在接種處理后，在某種生長調(diào)節(jié)機制的作用下，光合作用制造的有機物和從根部吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)分配給分蘗的量不足以使其分蘗數(shù)增加[34]，或是光、溫度、土壤、水分、植物的密度、礦質(zhì)營養(yǎng)、植物生長激素等因素的互作對分蘗的復(fù)雜特性產(chǎn)生影響[35]，導(dǎo)致蘆竹的分蘗數(shù)低于對照處理。當(dāng)植物組織中Cd含量達到1.00 mg/kg時，植物就會出現(xiàn)不良反應(yīng)，使植物表現(xiàn)出葉色減褪、植物矮化、物候期延遲等癥狀[36]。Cd含量越多，脅迫效應(yīng)越明顯，而接種AMF能顯著改善植物的生長狀況，這是由于AMF侵染植物根系后，AMF菌絲通過根的皮層細胞獲取植物提供的碳源，同時將礦質(zhì)營養(yǎng)和水從土壤轉(zhuǎn)運到皮層細胞，從而增強植物抗逆性、增加植物生物量；其次是土壤中的根外菌絲增加植物根部與土壤直接的接觸面積，從而促進根部對重金屬的吸收和固定[6]。本研究中，在50 mg/kg的Cd脅迫下接種AMF菌劑，蘆竹的株高、葉長、葉寬、分蘗數(shù)、地上以及根系生物量顯著高于對照處理。由此可進一步說明在Cd脅迫下接種AMF能促進蘆竹的生長，這與李明亮等[28]、田野等[11]的研究結(jié)果一致。

光合作用可以為植物生存提供有機物、能量和氧氣，是植物賴以生長和生物量遞增所需的生理過程。研究證明，Cd是一種有效的光合抑制劑，可以增強植物體內(nèi)葉綠素酶的活性，導(dǎo)致分解葉綠素的速度加快，從而使葉綠素含量低于正常值[37]。Cd脅迫下AMF對植物光合特性的影響已有報道，一般而言，接種AMF可以提高宿主植物的光合作用。葉綠素是高等植物和其他所有能進行光合作用的生物體含有的一類綠色色素，是葉片進行光合作用時捕獲光能的一種關(guān)鍵物質(zhì)。其含量的高低在某種程度上體現(xiàn)出植株光合作用的能力。研究表明，植株葉片葉綠素相對含量(SPAD)和葉片葉綠素含量有良好的一致性，可以間接反映葉片葉綠素的含量[38]。本研究中，Cd脅迫下接種AMF可以顯著提高葉綠素SPAD值，進一步說明AMF侵染蘆竹可以提高葉片葉綠素含量，進而促進光合速率。表觀量子效率是弱光階段的光響應(yīng)曲線的斜率，反映了植物光能利用情況，特別是對弱光的利用能力[39]。本研究中，蘆竹的正常(未接種處理)表觀量子效率為0.041 0，處于自然條件下一般植物的表觀量子效率值(0.03 ~ 0.05)[40]；接種AMF后的值在0.042 6 ~ 0.060 0，略高于自然條件下的值；Cd脅迫下接種AMF后表觀量子效率的范圍在0.031 8 ~ 0.037 7，對照處理值為0.027 4?？梢?，Cd脅迫下蘆竹的表觀量子效率有所下降，接種AMF后有所提高，表明菌根真菌的添加，提高了植物對弱光的利用效率，利于蘆竹在弱光下存活。最大凈光合速率和飽和光強是反映植物在強光下對光能的利用效率。本研究中，Cd脅迫下接種AMF，最大凈光合速率和飽和光強顯著高于對照處理，說明在強光下AMF對蘆竹起到一定的保護作用。無論接種AMF與否，Cd脅迫下蘆竹的光合作用明顯弱于非Cd脅迫，由此可見，Cd對植物光合作用表現(xiàn)出抑制現(xiàn)象。張曉松等[41]、李明亮等[28]、田野等[11]人的研究表明，Cd脅迫下接種菌根真菌可以明顯改善植物葉片的氣孔限制，增加其蒸騰速率和最大凈光合速率。通過本研究進一步證明了接種AMF可以緩解Cd對植株光合的抑制作用。Cd脅迫下接種AMF對蘆竹光補償點和暗呼吸速率的影響有差別，這可能與AMF對光能的利用率、植物的呼吸作用或植物葉齡有關(guān)，也可能是植物適應(yīng)Cd脅迫的一種自我保護機制。

大量研究已證實，AMF與植物形成共生體后，能顯著提高宿主植物吸收礦質(zhì)元素的能力，特別是促進磷元素的吸收[42]。本研究中，接種 AMF后，各接種處理植株地上部和地下部全磷含量均高于未接種處理，說明接種AMF后可提高磷元素的吸收量，其一可能是因為接種AMF后，AMF分泌的有機酸和磷酸酶活化了土壤中的難溶性磷，從而使土壤中的有效磷含量增加；其二可能是菌根的形成擴大了蘆竹根系的吸收范圍，從而使磷的吸收量有所提高。此結(jié)果與李明亮等[28]、張中峰等[30]和Liu等[9]的研究結(jié)果相似。菌根的功能不僅是促進養(yǎng)分的吸收，也可能會通過一定的機制調(diào)節(jié)養(yǎng)分在植物體內(nèi)的分配比例，調(diào)節(jié)作用可能會因菌種的不同而不同，如FM處理根系的全氮、全鉀含量均低于未接種處理，此結(jié)果與賀學(xué)禮等[42]的研究結(jié)果相似，但與張中峰等[30]、宋福強等[7]和Grunwald等[43]不完全相同。Cd是植物生長的非必需元素，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積到一定程度，會與營養(yǎng)元素競爭植物根系吸收部位，干擾植物對養(yǎng)分的吸收等[44]。本研究中，Cd脅迫下全磷、全氮、全鉀顯著低于無Cd脅迫；除FM處理全鉀含量低于對照外，接種AMF后，蘆竹地上部和根系全磷、全氮、全鉀含量均顯著高于對照處理，表明接種AMF能幫助蘆竹降低重金屬Cd對養(yǎng)分吸收的干擾。重金屬污染條件下，由于應(yīng)對環(huán)境脅迫的需要，AMF能更多地促進植物吸收生存所需的礦質(zhì)元素，改善宿主植物礦質(zhì)營養(yǎng)狀況，提高營養(yǎng)元素與重金屬元素含量之比，所以接種AMF被認(rèn)為有助于增強宿主植物耐受重金屬的能力，提高植物對重金屬的累積量[8]。

研究表明，AMF能夠以其龐大的菌絲體網(wǎng)絡(luò)和叢枝狀結(jié)構(gòu)，通過螯合作用、過濾機制、固持作用等吸附固持重金屬，將相當(dāng)一部分重金屬滯留于菌根真菌體內(nèi)，抑制過量的重金屬向植物根系細胞轉(zhuǎn)移，從而減少重金屬向植物地上部分的運輸和分配，降低其對植物組織的傷害，利于植物在重金屬污染地生存；也有研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染條件下給蘆竹接種AMF不會減少植物對重金屬的吸收，但能在一定程度上提高宿主植物對重金屬的耐受性，利于植株存活；還有一部分研究得出，在重金屬污染下AMF侵染植物對植株的生長發(fā)育以及對重金屬的吸收沒有顯著促進作用[6]。劉靈芝等[45]以玉米為研究對象，得出在高濃度Cd處理下接種AMF，顯著提高了玉米根系的Cd濃度和吸收量，而地上部分的Cd濃度和吸收量有所下降。黃晶等[46]的研究表明，接種AMF后增加了紫花苜蓿地下部分的Cd含量和積累量，而地上部分Cd含量和積累量表現(xiàn)出降低的現(xiàn)象。與這些結(jié)果不同的是，本研究表明，Cd脅迫下，接種AMF能夠同時促進蘆竹地上部和根系對Cd的吸收，并且蘆竹根系部分Cd含量遠高于地上部。這些結(jié)果說明接種AMF可以增強蘆竹對重金屬Cd的固持作用。

根據(jù)Brooks等[47]和Baker等[48]提出的衡量植物是否為超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，植物葉片或地上部(干重)中含Cd 達到 100 mg/kg，同時滿足轉(zhuǎn)運系數(shù) >1 的條件，即植物地上部分重金屬含量大于地下部分的含量(一般植物的轉(zhuǎn)運系數(shù)≤1)。本研究中蘆竹地上部和根系對Cd 的吸收量范圍分別為68.00 ~ 105.97 mg/kg、110.67 ~ 221.47 mg/kg，轉(zhuǎn)運系數(shù)<1，表明蘆竹并未達到Cd 超富集植物要求，但其對Cd 的累積能力較普通植物還是比較有潛力，作為重金屬污染的生物修復(fù)仍具有較好的開發(fā)前景。

4 結(jié)論

近年來，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，菌根技術(shù)作為新型的修復(fù)手段已被廣泛應(yīng)用。本文通過在Cd脅迫下對蘆竹接種AMF，研究了在Cd脅迫下接種 AMF 對蘆竹生長發(fā)育、光合特性、礦質(zhì)營養(yǎng)，以及對 Cd 吸收的影響。接種處理蘆竹的株高、葉長的升高范圍分別介于11.95% ~ 33.29% 和 3.14% ~ 4.77%，均顯著高于對照處理；在Cd脅迫下對蘆竹進行接種處理，葉片 SPAD 值、地上部和根系生物量、最大凈光合速率、根系全磷含量等均顯著高于未接種處理；接種 AMF 后，蘆竹地上部分Cd 含量范圍為68.00 ~ 105.97 mg/kg，根系 Cd 含量范圍為110.67 ~ 221.47 mg/kg，與對照處理相比均具有顯著差異?？梢?，接種處理蘆竹根系Cd遠高于地上部分，且接種 AMF 后蘆竹對土壤 Cd 的吸收和固持能力均較強，證明接種AMF能有效緩解Cd對蘆竹的毒害作用，促進蘆竹的正常生長，提高了蘆竹的礦質(zhì)營養(yǎng)含量，保障了蘆竹的光合作用，并且能促進對重金屬Cd的固持作用。該研究進一步證明，利用AMF自身特性與蘆竹結(jié)合對土壤Cd污染進行聯(lián)合修復(fù)具有潛在的應(yīng)用價值。

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Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Growth, Photosynthesis Characteristics and Mineral Nutrition ofUnder Cd Stress

TENG Qiumei1, ZHANG Zhongfeng1*, LI Hongyan2, XU Guangping1, ZHOU Longwu1, HUANG Yuqing3

(1 Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuangzu Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin, Guangxi 541006, China; 2 College of Horticulture and Gardening, Yangtze University, Jinzhou, Hubei 434025, China; 3 Nanning Normal University, Nanning 530001, China)

A greenhouse pot experiment was conducted using(FM),(RI), and(GV) of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) to reveal the effect and mechanism of AMF inoculation on Cd stress tolerant of. The results showed that under Cd stress, AMF inoculation significantly improved the plant growth, compared with the control, plant height increased by 19.09% - 27.98%, leaf length increased by 12.18% - 31.06%, chlorophyll content SPAD value increased by 8.55% - 9.36%, biomass of aboveground and belowground increased by 20.08% - 31.41% and 12.24% - 24.12%, maximum net photosynthetic rate increased by 7.08% - 32.12%, and P content in roots increased by 30.26% - 46.05%. After AMF inoculation, Cd content inwas between 68 - 105.97 mg/kg, significantly higher than that of the control (42.20 mg/kg). Cd content in roots ranged from 110.67 to 221.47 mg/kg, significantly higher than the control (46.47 mg/kg). The effects of different AMF strains on plant under Cd stress were different, for example, RI treatment had the best effect on plant height and leaf length, while total N, total P, total K and Cd contents were the highest under GV treatment. This study showed that AMF inoculation under Cd stress can promote the plant growth, enhance plant photosynthesis, increase the absorption of N and P and K, and enhance plant absorption to Cd. The-arbuscular mycorrhizal symbiont has a potential application in remediating Cd contaminated soil.

Arbuscular mycorrhizal fungi;; Cd; Pollution; Soil remediation

S154.4; Q945.79

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.06.016

滕秋梅, 張中峰, 李紅艷, 等. 叢枝菌根真菌對鎘脅迫下蘆竹生長、光合特性和礦質(zhì)營養(yǎng)的影響. 土壤, 2020, 52(6): 1212–1221.

國家自然科學(xué)基金項目(31960272，41603079，31760162)、廣西重點研發(fā)計劃項目(桂科AB18126065)和廣西科技公關(guān)計劃項目(桂科攻1598016-12)資助。

(78228546@qq.com)

滕秋梅(1991—)，女，廣西靈山人，碩士，研究實習(xí)員，主要從事森林生態(tài)與土壤修復(fù)研究。E-mail: 1037014105@qq.com