纳米ZnO胁迫下丛枝菌根真菌根外菌丝对玉米生长及锌吸收的影响

刘雪琴， 韩 锰， 仝瑞建

(洛阳师范学院生命科学学院，河南洛阳 471934)

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizae，简称AM)真菌不仅可以通过改变根系形态和根际理化状况来保护植物少受重金属毒害，还能通过自身的螯合作用和过滤作用把重金属固定在孢子和菌丝中[1]，尤其是根外菌丝[2]。AM真菌根外菌丝具有较高的金属吸附能力，已有研究证实AM真菌孢子和菌丝有吸附固定金属的能力[3]。另有大量研究表明，AM真菌菌丝能将自身吸收固定的重金属转移到植物体内[4-7]。

隔网分室系统能有效地研究AM真菌和宿主植物对重金属的不同效应。已有很多研究利用同位素标记法证实了根外菌丝对重金属的吸收转运作用，如65Zn[8]、109Cd[9]、233U[5]、137Cs[6]等。笔者所在课题组前期已经研究了纳米ZnO对AM真菌及其宿主的影响[10-11]，在此基础上，本试验将继续研究AM真菌的根外菌丝对纳米ZnO的响应及对宿主玉米生长的影响，以期探索纳米ZnO对土壤中AM真菌和植物生长的影响，及AM真菌对纳米材料的响应。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种：郑单958，由河南省洛阳市农业科学院提供。供试纳米材料：纳米ZnO，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒径大小为(90±10)nm。

供试土壤：农田土，土壤过2 mm筛，121 ℃高压蒸汽灭菌2 h，风干后备用。农田土的基本理化性质如表1所示。

供试菌剂：菌剂为AM真菌地表球囊霉(Glomusversiform)，宿主植物为白花三叶草(TrifoliumrepensL.)，基质为河沙和灭菌土(体积比为1 ∶1)，去掉白花三叶草地上部分，把根剪碎，以含有真菌孢子、菌丝、侵染根段等繁殖体和根际土壤的菌剂为接种物；以灭菌的接种物作为对照菌剂，除不含AM真菌外，其他均与AM真菌菌剂处理组相同。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验方法

试验于2016年3—7月在洛阳师范学院温室大棚内进行。上面、下面的盆分别为2.0、1.5 L的塑料盆，分别装2.0、1.5 kg供试土壤，中间用孔径为38 μm的尼龙网隔开。AM真菌菌丝可以通过尼龙网，根系不能通过尼龙网，因此，下层为菌丝室，上层为根室。根室土壤不施用纳米ZnO，菌丝室土壤分别施用0、400、800、1 600、2 400 mg/kg纳米ZnO，另外设置1个不接菌不施用纳米ZnO的对照处理(NM 0)，共6个处理，每个处理设4次重复，共计24盆。将100 g菌剂均匀混施于根室土壤中，菌剂与土壤混匀，不接菌处理加入等量的灭菌菌剂，并浇灌10 mL过500目筛的菌剂滤液，使其他微生物群落尽量保持一致。为保证有充足的养分供应，装盆前将NH4NO3、KH2PO4、K2SO4按300 mg/kg氮、150 mg/kg磷、20 mg/kg 钾的用量均匀混入土壤中。每盆播种5粒玉米种子，出苗后每盆留3棵苗。在植物生长过程中控制土壤含水量在20%左右，避免土壤溶液从花盆底部渗出或浇水过多引起菌丝室中的纳米ZnO污染根室中的土壤。所有盆钵随机排列于日光温室中。自出苗日起10周后收获。

1.3 测定项目与方法

玉米收获前测量植株株高，植株地上部分和地下部分分开收获，用自来水冲洗干净后，再次用去离子水进行冲洗，用吸水纸擦干，留取部分细根测定菌根侵染率，其余的样品置于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后70 ℃烘干称质量。菌根侵染率利用曲利苯蓝-方格交叉法测定。植株地上部分和根系的烘干样品粉碎后，用高氯酸和浓硝酸(体积比为1 ∶5)消煮，原子吸收分光光度法测定植株体内锌的含量，具体测定方法参照《土壤农化分析》[12]。

1.4 数据计算与统计

用Excel、SPSS 10.0软件处理和分析试验数据，用Duncan’s新复极差法比较各处理之间的差异性(P<0.05)。

参考Harper等的定义[13]，根据下列公式计算植物对锌的吸收效率和转运效率：

植物对锌的吸收效率(mg/g)=全株植株对锌的吸收总量/根系干质量。

植物对锌的转运效率(mg/g)=植株地上部分对锌的吸收量/根系干质量。

2 结果与分析

2.1 菌根侵染率

不接菌的对照处理中，玉米根系没有菌根侵染。由图1可知，在各个纳米ZnO施用水平下玉米根系的菌根侵染率均高于49%，达到了较高的水平。与不施用纳米ZnO的处理相比，施用纳米ZnO处理的玉米根系菌根侵染率均升高，且随着纳米ZnO施用量的增加菌根侵染率呈现先升高后降低的趋势，纳米ZnO的施用量在1 600 mg/kg时菌根侵染率最高，在 2 400 mg/kg 时较低，其他水平下没有明显差异。

2.2 玉米株高和生物量

由表2可知，与不接菌的对照(NM 0)相比，在不同的纳米ZnO施用水平下，接种AM真菌处理的玉米植株的地上部干质量、株高均升高。与不施用纳米ZnO的接菌对照相比，施用纳米ZnO处理的玉米植株的地上部干质量、根系干质量和株高均降低。因此，当菌丝室的纳米ZnO施用量在0～2 400 mg/kg 范围时，接种AM真菌均可有效促进玉米生长。

表2 各处理组玉米的株高、干质量

注：“地上部干质量”“根系干质量”均为1盆(3株)植株的测量数据。同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.3 玉米植株体内的锌吸收量

由图2可知，与不接种AM真菌的对照(NM 0)相比，接菌玉米植株地上部对锌的吸收量显著增加，但纳米ZnO的施用水平对玉米植株地上部对锌的吸收量影响不显著；接菌玉米植株根系对锌的吸收量增加不显著，纳米ZnO的施用量为1 600 mg/kg时，玉米根系对锌的吸收量明显高于其他施用纳米ZnO的处理。

2.4 玉米对锌的吸收效率和转运效率

由图3、图4可知，与不接种AM真菌的处理相比，接菌处理的玉米植株对锌的吸收效率和转运效率显著提高，这表明接种AM真菌可促进玉米植株对土壤中锌的吸收和转运。在所有的接菌处理中，不施用纳米ZnO处理的锌吸收效率和转运效率最低，当纳米ZnO的施用量≥800 mg/kg时，接菌处理的玉米植株对锌的吸收效率和转运效率与不施用纳米ZnO处理相比显著增加，且随着纳米ZnO施用量的增加，玉米植株对锌的吸收效率和转运效率呈现升高趋势。这是因为根外菌丝从高浓度的纳米ZnO处理中吸收的锌较多，从而进一步促进了植株对锌的吸收和转运。

2.5 根外菌丝对锌吸收的贡献率

接菌植株与不接菌植株的锌吸收量差值可认为是由菌丝吸收的，由此可以计算出菌丝吸收锌对接菌植株吸收锌的贡献率。由表3可知，不同纳米ZnO施用水平下的菌丝贡献率存在差异，但与纳米ZnO的施用水平没有显著的相关性。纳米ZnO施用量为1 600 mg/kg时，菌丝对植物吸收锌的贡献率最高，为28.05%。

表3 不同处理下根外菌丝对Zn吸收量的贡献率

3 讨论与结论

本试验采取上下隔网分室装置来研究AM真菌根外菌丝吸收转运效应，一方面可以减少左右分室装置中菌丝室中的重金属向根室中迁移，另一方面在试验过程中通过控制浇水量，可以减小菌丝室中的元素迁移到根室中的可能性，因此造成的试验误差较小，对根外菌丝对纳米ZnO的响应及对玉米生长影响的贡献的统计是有效的。

本试验结果表明，接种AM真菌显著增加了玉米对Zn的吸收量，促进了玉米的生长发育；但接菌条件下在菌丝室中施用不同水平的纳米ZnO，对玉米生长及根室中的AM真菌产生的影响差别不大。结果表明，接种AM真菌增加了玉米植株地上部和根系对锌的吸收量。在本试验中，根室中没有施用纳米ZnO，纳米ZnO被施用在菌丝室，菌丝室和根室之间用孔径为38 μm的尼龙网隔开，AM真菌菌丝可以通过尼龙网，根系不能通过尼龙网。因此，纳米ZnO只与AM真菌根外菌丝有联系，这说明根外菌丝吸收了一部分菌丝室内的锌，菌丝吸收的锌不仅仅固定在菌丝自身内部，也将一部分吸收的锌转移到了植株根系内，并有一部分运输到地上部，这与前人的研究结果[6-7]部分相一致。Declerck等研究发现，G.lamellosum的根外菌丝可吸收、积累并转运放射性金属元素137Cs到植物根中[6]。Joner等研究发现，G.mosseae的根外菌丝可以将109Cd从沙质壤土运输到三叶草并把吸收的大部分109Cd固定在根部[9]。还有一些研究证实了菌根菌丝对重金属的吸收转运作用，Hutchinson等发现，有的菌根植物中10%的109Cd是通过菌丝吸收的[7]。Rufyikiri等发现，G.intraradices的菌丝可以将菌丝室中的233U转运到植物根中[4]。上述研究中的重金属(Cd、Cs等)都不是植物生长所必需的元素，与必需元素锌相比，AM真菌根外菌丝对它们的吸收和运输机制可能不一样，而本研究采用的又是纳米金属氧化物(ZnO)，迄今还没有关于纳米材料和AM真菌根外菌丝之间的相关细致研究，因此须要进一步深入研究。

与不接菌的对照(NM 0)相比，接菌处理的根系对锌的吸收量在纳米ZnO施用量为1 600 mg/kg时明显增加，其他水平下略高但差异不明显，接菌处理的地上部对锌的吸收量均显著增加，这一方面表明根外菌丝从菌丝室吸收了一部分锌并转运到植物根系，另一方面表明根室内的菌根促进了植株对土壤中锌的吸收及向地上部的转运。接菌条件下，玉米对锌的吸收效率和转运效率随着纳米ZnO施用量的增加而提高，这进一步表明菌丝吸收的锌转移到植物根系内，并可转运到植物地上部分，还表明根外菌丝吸收的锌可促进宿主体内锌的吸收和转运。而对于根外菌丝对锌的吸收量和转运量本试验没有进行细致研究，有待于进一步深入研究。

笔者及笔者所在课题组前期研究表明，随纳米ZnO施用量的增加，玉米根系和地上部对锌的吸收量呈现一直显著增加的趋势[10，14]。而本试验中，接菌条件下，随着纳米ZnO施用量的增加，玉米根系对锌的吸收量呈现先增加后降低的趋势，在纳米ZnO施用量为1 600 mg/kg时达到最大。这表明，根外菌丝可能根据植物和AM真菌对锌的需求量来主动调节吸收锌的量，这样可以避免被动吸收过多的锌对植物和菌根本身造成伤害。

以上研究结果表明，在本试验中，接种AM真菌可以有效促进玉米的生长发育；AM真菌根外菌丝可以吸收菌丝室中的锌，并从自身转运到宿主植物根系内，并进一步向地上部转运；根外菌丝吸收的锌可以促进宿主对锌的吸收和转运；AM真菌根外菌丝对锌的吸收可能是主动调节吸收。

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