环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (5): 712-719  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.10

引用本文  

沈亚琴, 魏源, 陈志鹏, 等. 锑胁迫下丛枝菌根真菌对玉米生长与锑吸收及抗氧化酶的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(5): 712-719.
SHEN Yaqin, WEI Yuan, CHEN Zhipeng, et al. Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Growth, Antimony Uptake and Antioxidant Enzymes of Maize under Antimony Stress[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(5): 712-719.

基金项目

国家自然科学基金项目(41271338,41303066);科技部科研院所技术开发研究专项(2014EG166135)

责任作者

曾清如(1964-), 男, 湖南邵阳人, 教授, 博士, 主要从事土壤重金属污染修复研究, qrzeng@163.com 侯红(1963-), 女, 山西太原人, 研究员, 博士, 主要从事土壤环境化学研究, houhong@craes.org.cn

作者简介

沈亚琴(1992-), 女, 新疆博乐人, s1076271328@163.com

文章历史

收稿日期:2016-10-24
修订日期:2017-02-22
锑胁迫下丛枝菌根真菌对玉米生长与锑吸收及抗氧化酶的影响
沈亚琴1,2 , 魏源2 , 陈志鹏1 , 曾清如1 , 侯红2     
1. 湖南农业大学资源环境学院, 湖南 长沙 410128;
2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
摘要:为了探讨AM(arbuscular mycorrhizal,丛枝菌根)真菌在Sb(锑)胁迫下对农作物生长及吸收Sb的影响,采用盆栽试验研究了在不同Sb添加量[即w(Sb)分别为0、500、1 000 mg/kg]下,接种AM真菌对玉米植株生物量以及N、P和Sb的吸收、膜脂过氧化[MDA(丙二醛)]和抗氧化酶活性的影响.结果表明:随着土壤中Sb添加量的增加,玉米植株的生物量、w(TN)和w(TP)均呈显著下降趋势,植株体内的w(Sb)和Sb积累量、MDA含量、CAT(过氧化氢酶)以及POD(过氧化酶)活性均显著上升.与未接种组相比,接种AM真菌显著促进了玉米植株的生长,提高了玉米植株地上部分的w(TN)和w(TP).在3个Sb添加量处理下,接种显著增加了玉米植株地下部分的w(Sb)、地上和地下部分的Sb积累量以及地上部分的CAT活性,增幅分别为8.90%~23.30%、18.87%~28.37%、27.68%~78.95%及14.92%~88.52%;同时,接种降低了玉米植株中Sb的转运率、玉米植株地上部分的w(Sb)和MDA含量,在1000 mg/kg Sb添加量下差异达显著水平,三者分别降低了36.35%、22.81%和24.29%.研究显示,在Sb污染环境下,接种AM真菌能够减轻玉米植株膜脂过氧化程度,在提高玉米植株地下部分w(Sb)的同时,也会降低Sb向地上部分的转运,减轻Sb对玉米的毒害作用.
关键词丛枝菌根真菌    Sb污染土壤    玉米    Sb吸收    抗氧化酶    
Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Growth, Antimony Uptake and Antioxidant Enzymes of Maize under Antimony Stress
SHEN Yaqin1,2 , WEI Yuan2 , CHEN Zhipeng1 , ZENG Qingru1 , HOU Hong2     
1. College of Resource and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: A pot experiment was conducted to investigate the effects of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi on the growth and uptake of antimony (Sb) in plants under Sb stress, based on AM fungi on biomass, nutrient uptake, Sb uptake, malondialdhyde (MDA) and antioxidant enzyme activities by maize grown in soils with different Sb levels (0, 500 and 1000 mg/kg). The results showed that the biomass and contents of TN and TP in the maize decreased significantly with the increase of Sb concentration in soil. The contents of Sb, MDA, CAT and POD in the plant also decreased with the increase of Sb concentration. Compared with the uninoculated group, the inoculation of AM fungi promoted the growth of maize and significantly increased the contents of TN and TP in aerial parts. Moreover, for three Sb concentration treatments, underground Sb content of maize increased by 8.90%-23.30%, the aboveground and underground Sb accumulation increased by 18.87%-28.37% and 27.68%-78.95%, while CAT activities in the aboveground part of maize increased by 14.92%-88.52%. Meanwhile, at 1000 mg/kg Sb concentration, the transport rate and the contents of Sb and MDA in the aerial part of maize significantly decreased by 36.35%, 22.81% and 24.29%, respectively. Therefore, the inoculation of AM fungi could reduce the level of membrane lipid peroxidation, increase the content of Sb in the underground part of maize and decrease the transport of Sb to the aerial part, thus alleviating the toxicity of Sb to maize.
Keywords: arbuscular mycorrhizal fungi    Sb-contaminated soils    maize    Sb uptake    antioxidant enzyme    

Sb(锑)是一种典型的有毒致癌元素[1-2],同时也是一种具有长距离传输特点的全球性污染物[3],早在20世纪70年代就被美国国家环境保护局列入优先控制污染物[4].我国作为世界上最大的Sb生产国,Sb年产量约占世界总量的80%[5],由于Sb矿的开采,我国很多地区受到严重污染,尤其在湖南、广西、贵州等Sb矿相对集中的南方省区[6].佘玮等[7]对湖南冷水江的Sb矿区进行调查发现,矿区土壤受Sb污染严重,9个采样点Sb含量超过全国土壤背景值的40~11 503倍.调查还发现,Sb矿周围的土壤通常也被用于农业耕作,过量的Sb通过农作物生长、吸收,导致农产品Sb含量超标,通过食物链在人体内积累,继而引起肝、皮肤、呼吸系统和心血管系统方面的疾病[8],严重危害人类健康.因此,对于Sb污染土壤下,探索如何阻止重金属通过农作物进入食物链或降低到安全范围内的方法具有重要意义.

土壤修复的方法有很多,如物理修复、化学修复、植物修复等.虽然物理、化学修复效率高,但技术难度较大、成本高、容易引起二次污染,造成了其修复局限性.而植物修复由于其成本低、操作简便,在重金属污染土壤的修复中显示出良好的应用前景.近年来,国际上兴起的一项提高植物修复效率的全新技术,即生物修复技术,指利用植物结合动物、微生物的方式吸收、降解和转化土壤中的污染物,使污染物的浓度降低到可接受的水平,因其具有高效低耗、方便简洁、强化植物修复效果等优点,已经成为国内外研究的热点[9].

AM(arbuscular mycorrhizal,丛枝菌根)真菌是自然界分布广泛的一类菌根真菌,可与陆地上绝大多数高等植物的根系形成共生关系.大量的研究证实,菌根共生体的存在降低了重金属污染对植物的不利影响[10],AM真菌一方面可以通过螯合作用和菌丝固持等直接作用抑制重金属的移动性,影响重金属从植物根部向地上部的转运[11],提高宿主植物对重金属的耐性;另一方面还能通过促进植物对矿质元素的吸收[12]、改善土壤理化性质等间接作用,提高植物的抗逆性[13],进而促进植物的生长,实现对有毒重金属的“生物稀释”效应,减轻重金属对植物的毒害[14].

玉米作为我国的主要粮食作物之一,很多重金属(如Cd、As、Pb等)都能在玉米中富集,从而通过食物链进一步威胁人体健康.陈秋平等[15]发现生长在Sb矿区周边的玉米Sb含量严重超标.众多研究表明,在重金属胁迫下,AM真菌能够影响玉米植株的生长和对重金属的吸收分配.杨秀梅等[16]研究了AM真菌对Cu污染土壤上玉米生长的影响,结果表明,接种AM真菌显著提高了玉米植株的生物量,并且接种根系中Cu浓度显著高于对照,说明AM真菌有助于玉米根部对Cu的吸收和累积.这与刘灵芝等[17]在AM真菌对玉米吸收Cd影响的研究结论一致.但目前对接种AM真菌是否也会影响玉米植株对Sb的吸收鲜见报道.因此,该研究利用温室接种和未接种对比试验,探讨Sb胁迫下,AM真菌对玉米植株的生长以及Sb吸收积累方面的作用,旨在为Sb污染环境下,利用丛枝菌根真菌与宿主植物共生体解决农田粮食安全问题提供参考.

1 材料与方法 1.1 供试植物和菌种

供试植物为玉米(Zea mays L.,宁玉524),种子购自江苏金华隆种子科技有限公司.播种前先对玉米种子用10% H2O2进行表面消毒,然后用去离子水反复冲洗,常温浸泡24 h后,放入铺有灭菌纱布的培养皿中进行催芽处理,种子露白后即可播种.

供试AM真菌为摩西柄囊霉(Funneliformis mosseas,BGC BJ05A),菌种由北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所提供.接种菌剂为含有菌根真菌孢子、菌丝及寄主植物根段的根际混合土壤.

1.2 培养基质

供试土壤采自北京市朝阳区中国环境科学研究院梨园内无污染的土壤,经风干后过2 mm筛,在120 ℃下高压蒸汽灭菌处理2 h,待用.

向土壤中人工添加以KSb(OH)6配好浓度的溶液,使w(Sb)分别为0、500、1 000 mg/kg,用以模拟低、中、高三种不同程度的Sb污染土壤.添加化学试剂后充分混匀,土壤湿度用去离子水调节至田间持水率.土壤装入塑料盆中平衡15 d后使用.试验所用土壤的理化性质:pH为7.81、w(有机质)为0.43%、w(TN)为0.03%、w(有效P)为3.91 mg/kg、w(速效K)为60.41 mg/kg、w(Sb)为2.21 mg/kg.

1.3 试验设计

试验采用温室盆栽法,设置三种Sb添加量〔w(Sb)分别为0、500、1 000 mg/kg〕的污染土壤.各Sb添加量下均设接种菌根真菌处理和不接种处理.试验设3个重复,共计18盆.为保证植物的正常生长,均以溶液形式向所有试验土壤施加基础肥料:N(NH4NO3)为300 mg/kg、P(KH2PO4)为50 mg/kg、K(K2SO4)为200 mg/kg.

培养容器选用容积为3 L左右的圆形塑料花盆,每盆装土量为2.5 kg,接种菌剂量为30 g.先在盆中装入2.0 kg土,然后将菌剂平铺在表层,再装入余下土壤,菌剂距离土壤表层约2~3 cm.不接种处理组,以等量灭菌的培养菌种代替接种菌剂装盆.装盆完成后浇水,使土壤含水量达到15%,试验中采用称重法定时为植物补水.每盆移入三株长势相近的玉米幼苗.盆栽试验在中国环境科学研究院温室内进行,试验期间自然采光,室内温度控制在22~30 ℃.植物生长一个月后收获.

1.4 测定方法

土壤的理化性质测定参照《土壤农业化学分析方法》:土壤pH采用电极法测定;w(有机质)采用外加热重铬酸钾容量法测定;w(TN)利用凯氏定氮法测定;w(有效P)用钼锑抗比色法测定;通过1 mol/L NH4OAc (pH=7) 萃取后用原子吸收分光光度计测量w(速效K).土壤采用混合酸消解(HNO3:HClO4:HF=3:1:1) 后用ICP-MS测定w(Sb).

植物样品收获后,将地上和地下部分分开,先用自来水冲洗,然后用去离子水冲洗干净.随机选取新鲜叶片0.3 g用于测定抗氧化酶活性,然后将剩余样品置于烘箱中70 ℃烘干48 h,称量样品地上、地下部分的干质量.烘干的植物样品粉碎,分别测定w(TN)、w(有效P)和w(Sb).植物地上部分w(TN)的测定:H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法.地上部分w(TP)的测定:H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法.植物地上、地下部分w(Sb)的测定:称取0.1 g植物样品加入5 mL HNO3 (65%,m/m)和1 mL H2O2 (30%,m/m),于150 ℃下在电热板上消解2 h,赶酸后用1% HNO3稀释并定容至25 mL,溶液用0.45 μm的滤膜过滤后,用ICP-MS测定w(Sb),取三次重复后的平均值.植物的质控样品为芹菜GBW10048 (GSB-26).

植物地上部分可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝(G-250) 染色法[18]测定;MDA (丙二醛)含量用硫代巴比妥酸(TBA)法[19]测定;SOD (超氧化物歧化酶)活性采用氮蓝四唑(NBT)比色法[20]测定;CAT (过氧化氢酶)活性参照Knörzer等[21]的方法,采用过氧化氢分解量法测定;POD (过氧化物酶)活性采用愈创木酚法[19]测定.

1.5 数据分析

所有试验数据用Excel 2003进行均值和标准误差的计算.用统计分析软件SPSS 17.0对试验数据进行单因素方差分析,Duncan多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性,差异显著水平为P<0.05,双因素方差分析不同Sb添加量和接种AM真菌之间的交互作用.

2 结果与分析 2.1 接种AM真菌对玉米生物量的影响

不同Sb处理下玉米植株地上和地下部分的生物量如表 1所示.从表 1可看出,随着Sb添加量的增加,玉米植株地上、地下部分的生物量均显著降低(P<0.001),根冠比均显著增加(P<0.001).在0 mg/kg Sb添加量下,与未接种组相比,接种AM真菌使玉米植株地上、地下部分的生物量分别增加了8.72%、3.34%,对生物量无显著影响;在500 mg/kg Sb添加量下,接种AM真菌显著增加了玉米植株地上、地下部分的生物量,比未接种组分别增加了26.03%和50.41%;在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地上、地下部分的生物量比未接种组分别增加了54.04%和52.35%.土壤中Sb添加量对玉米植株地上、地下部分的生物量、根冠比均有显著影响(P<0.001),而接种AM真菌仅对玉米植株地上、地下部分生物量有显著影响;双因素分析表明,二者的交互作用对玉米植株地上、地下部分的生物量也有显著影响(P<0.001),对根冠比无显著性影响.

表 1 不同Sb添加量下接种AM真菌对玉米植株生物量的影响 Table 1 Effects of inoculation with AM fungi on maize biomass under different Sb addition levels
2.2 接种AM真菌对玉米吸收N、P的影响

接种AM真菌对不同Sb添加量处理下玉米植株吸收N、P的影响如表 2所示.随着Sb添加量的增加,玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)均呈显著下降趋势(P<0.01).在0 mg/kg Sb添加量下,与未接种组相比,接种AM真菌使玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)分别增加了1.32%和6.78%,影响不显著;在500 mg/kg Sb添加量下,接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分w(TN)、w(TP),与未接种组相比,分别增加了44.03%和18.91%;在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)与未接种组相比显著上升,分别增加了18.25%和14.01%.数据分析表明,土壤中Sb添加量的增加降低了玉米植株地上部分w(TN)、w(TP),而接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)(P<0.001).双因素分析表明,土壤中Sb添加量与接种AM真菌的交互作用显著地影响了玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)(P<0.001).

表 2 不同Sb添加量下接种AM真菌对玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)的影响 Table 2 Effects of inoculation with AM Fungi on the content of N and P in the aerial part of maize under different Sb addition levels
2.3 接种AM真菌对玉米吸收Sb的影响

表 3可以看出,随着Sb添加量的提高,玉米植株地上、地下部分的w(Sb)和Sb积累量均显著增加(P<0.001), 玉米体内Sb从地下到地上部分的转运率呈显著降低趋势(P<0.001).在0 mg/kg Sb添加量下,与未接种组相比,接种AM真菌增加了玉米植株地下部分的w(Sb)和Sb积累量,降低了地上部分的w(Sb)和Sb积累量,差异不显著;接种AM真菌显著降低了玉米植株中Sb的转运率,与未接种组相比降低了30.62%.在500 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地下部分的w(Sb)、地上部分的Sb积累量均高于未接种组,分别比未接种组增加了8.90%和19.86%,差异不显著;接种AM真菌显著增加了玉米地下部分的Sb积累量,与未接种组相比,玉米植株地下部分的Sb积累量增加了63.83%;接种AM真菌降低了玉米植株地上部分的w(Sb)和玉米植株中Sb的转运率,分别降低了5.28%和32.15%.在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地上部分的w(Sb)和玉米植株中Sb的转运率显著低于未接种组,分别降低了22.81%和36.35%;而接种组玉米地下部分的w(Sb)和地上、地下部分的Sb积累量均显著高于未接种组,分别增加了17.56%、18.87%和78.95%.

表 3 不同Sb添加量下接种AM真菌对玉米植株w(Sb)和积累量的影响 Table 3 Effects of inoculation with AM Fungi on Sb content and accumulation in maize under different Sb addition levels

数据分析表明,土壤中Sb添加量的增加显著增加了玉米植株地上、地下部分的w(Sb)和Sb积累量,同时显著降低了玉米植株中Sb的转运率(P<0.001);接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分的w(Sb)和地上、地下部分的Sb积累量(P<0.01).双因素分析表明,土壤中Sb添加量与接种AM真菌的交互作用对玉米植株地上部分的w(Sb)和Sb积累量、地下部分的Sb积累量以及玉米植株中Sb的转运率有显著影响(P<0.01).

2.4 接种AM真菌对玉米植株w(可溶蛋白)、MDA含量以及抗氧化酶活性的影响

表 4所示,在不同Sb添加量处理下,玉米植株地上部分w(可溶蛋白)、MDA含量及抗氧化酶活性呈现不同的变化.试验结果表明,随着Sb添加量的增加,玉米地上部分的w(可溶蛋白)、MDA含量以及CAT、POD活性均呈显著上升趋势(P<0.01),SOD活性无显著影响.在0 mg/kg Sb添加量下,与未接种组相比,接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)以及SOD、CAT活性,显著降低了POD的活性,对MDA含量无显著影响.在500 mg/kg Sb添加量下,接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、CAT活性,显著降低了SOD、POD活性;与未接种组相比,玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、CAT活性分别增加了67.54%和80.01%,SOD、POD活性分别降低了11.78%和27.25%.在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、SOD活性,显著降低了MDA含量、POD活性;与未接种组相比,接种AM真菌使玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、SOD活性分别增加了17.81%和28.87%,使MDA含量、POD活性分别降低了24.29%、32.10%.

表 4 不同Sb添加量下接种AM真菌玉米植株地上部分w(可溶蛋白)、MDA含量和抗氧化酶活性的影响 Table 4 Effects of inoculation with AM Fungi on soluble protein, MDA and enzyme activity in aerial part of maize under different Sb addition levels

数据分析表明,土壤中Sb添加量的增加显著增加了玉米植株地上部分中w(可溶蛋白)、MDA的含量和POD活性(P<0.001),接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分中w(可溶蛋白)、CAT活性(P<0.001),降低了MDA含量、POD活性(P<0.05).双因素分析表明,土壤中Sb添加量与接种AM真菌的交互作用对玉米植株地上部分中MDA含量、CAT活性有显著影响(P<0.01).

3 讨论

研究[22-23]表明,过量的重金属会对植物造成毒性效应,导致植物生长受到抑制、生物量减少.该研究结果显示,随着土壤中Sb添加量的增加,玉米植株的生物量、w(TN)和w(TP)呈显著降低的趋势.已有研究[24]表明,在重金属胁迫条件下,接种AM真菌能够增强植物对营养元素和水分的吸收,增强叶片的光合作用,促进植物的生长,提高植物的生物量.该研究发现,在不同的Sb添加量下,接种组与未接种组玉米植株生物量差异显著,表现为接种组玉米植株地上、地下部分生物量分别比未接种组增加了8.72%~54.04%、3.34%~52.35%.接种AM真菌能通过不同方式和途径影响植物生长[25],如改变土壤根际环境、促进养分吸收、提高植物抗逆性等方式提高植物对重金属污染的耐受能力,从而增加植物生物量.氮、磷是生命物质的重要组成成分,也是作物生长发育必需的矿质元素,其吸收利用状况影响作物的生长发育和产量.许多研究表明,AM真菌可以促进植物对氮、磷等矿质元素的吸收,显著改善植物营养状况,菌丝分泌的螯合物还有利于植物难利用形态的养分特别是P的有效化,增加植物的利用[26],在重金属污染下对于提高植物对重金属的耐性也起到重要作用. YU等[27]在研究接种AM真菌下玉米对As的吸收情况,发现接种AM真菌能够改善重金属污染条件下宿主植物的营养状况从而使得宿主植物生物量高于未接种组,这与该研究结果一致.接种AM真菌显著改善了玉米地上部分的P素营养,同时改善了玉米的N素营养;菌根植物体内较好的P素营养状况可能是其具有较高重金属耐性的原因之一[28]. AM真菌通过外生菌丝的延伸,扩大了植物根系的范围和根的吸收面积,有效地吸收植物根系不能吸收的矿质元素,增强了植物对营养元素的吸收能力;同时它能通过分泌有机酸活化土壤中难溶性磷,分泌磷酸酶水解无机磷等,增强植物对难溶性磷的吸收[29].

该研究结果显示,玉米植株中Sb的含量与土壤中Sb的含量呈正相关,明显抑制了玉米植株的生长.而接种AM真菌显著增加了玉米地下部分的w(Sb)和Sb积累量,但相应地却降低了玉米植株地上部分的w(Sb)和Sb积累量.说明接种AM真菌促进植物生长,增加植物生物量,降低植物体内重金属浓度,对重金属Sb具有“生物稀释”作用,缓解重金属元素对植物的毒害.随着Sb添加量的增加,玉米植株体内Sb从地下到地上部分的转运率呈显著降低趋势;与未接种处理相比,在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种处理在不增加玉米植株地上部分Sb含量的同时,将更多的Sb固持在植株地下部分,增强了植株地下部分在限制重金属Sb向地上部分运输中的作用,这也可能是AM真菌减轻宿主植物Sb毒害的一个重要机制.许多研究认为,AM真菌的菌丝对重金属的固持起到一定的作用. González-Guerrero等[30]利用EDXS分析发现,Cu主要积累于AM真菌菌丝、孢子的细胞壁和液泡中. CHEN等[31]采用改进的玻璃珠分室培养系统,分别对玉米接种摩西球囊霉(Glomus mosseae)和地表球囊霉(Glomus versiforme)进行了研究,发现菌丝中Zn和Cu的含量要比植物根系高很多,其中Glomus mosseae根外菌丝中Zn的含量高达1 200 mg/kg,几乎是宿主根系Zn含量的10倍.这一结果说明了AM真菌菌丝对Zn具有高亲和力和良好的固持能力.肖艳平等[32]在研究AM真菌对玉米修复As污染土壤效率的影响中发现,接种AM真菌能增强玉米地下部分As含量,抑制As向植物地上部分的转运,这与该研究的结果一致.以上研究表明,AM真菌的根内、根外菌丝等真菌组织对重金属的固持作用是导致重金属在菌根中累积,减少其向植物地上部分运输的主要原因.但刘灵芝等[33]在矿区分离的AM真菌对万寿菊吸Cd潜力影响的研究中发现,在不同土壤施Cd水平(0、5、20和50μg/g)下,AM真菌提高了万寿菊地上部分的Cd含量,促进了Cd向植物地上部分的转运.这与该研究结果不同,这种差异可能是与植物自身生物学特性有关.

重金属污染往往会破坏植物的膜系统,改变植物细胞膜的电位,诱导植物产生大量的活性氧物质,对植物产生氧化胁迫,引起其发生膜脂过氧化、细胞膜透性增加等变化,从而影响植物细胞的正常代谢. MDA作为膜脂过氧化的重要产物,可与蛋白质、氨基酸等活性物质交联,形成不溶性的化合物并沉积,对质膜系统造成伤害,因而其含量的高低可代表膜脂过氧化水平和对细胞膜的伤害程度[34],逆境胁迫下植物的抗性通常与其体内MDA含量呈负相关[35].该研究中,玉米植株地上部分的MDA含量随着Sb添加量的升高而增加,表明Sb胁迫引起了植株活性氧增加,导致植株膜脂过氧化程度加剧,而接种组中MDA含量与未接种组相比显著减少,说明接种AM真菌减轻了Sb胁迫下玉米植株的膜脂过氧化程度. SOD、POD、CAT等是植物在适应多种逆境胁迫下的重要酶类,其在植物体内组成了一个有效的抗氧化酶系统[36],为维持植物细胞膜结构的完整性,保护自由基对细胞膜造成的伤害.在该研究中,未接种处理下,玉米地上部分POD活性随着Sb添加量的升高呈上升趋势,而在AM真菌接种处理下,玉米植株地上部分的POD活性逐渐下降.可以看出,接种AM真菌使得POD活性降低,可能是由于AM真菌可以改变酶活性和渗透调节物质含量,从而增加宿主植物的抗氧化胁迫能力,这与YU等[27]的结果类似,YU等[27]发现,接种Glomus mosseae降低了玉米植株地下部分的砷酸盐还原酶活性,以及地上和地下部分中的SOD、POD含量,总体上,AM真菌降低了玉米植株对As5+吸收并将其还原为As3+,减轻了As的氧化胁迫.在各Sb处理水平下,接种AM真菌使得玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、CAT活性较未接种处理有所增加,从而能够较好地清除活性氧,因而植物体内的MDA含量较低,从而对玉米植株起到一定的保护作用.

由于我国巨大的人口压力,国内许多受重金属污染的土壤仍被用于农作物生产,尤其在重金属污染较重的南方地区,使得重金属通过农产品进入人类食物链的风险增加.该研究发现,在Sb污染条件下,接种AM真菌能够减少Sb向玉米植株地上部分的转运,在促进植株对Sb吸收的同时,将大部分的Sb固持在地下部分.因此,在Sb污染地区采用玉米结合菌根的修复技术,不仅可以有效恢复污染土壤的生态环境,维持正常的农业生产,产生一定的经济效益,同时对于减少粮食安全风险具有重要意义.

4 结论

a)室内盆栽试验结果显示,在Sb污染土壤中,接种AM真菌增加了玉米植株的生物量,改善了玉米的生长状况.

b)接种AM真菌后,玉米植株w(TN)、w(TP)比未接种组均有提高,在500 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地上部分w(TN)、w(TP)与未接种组相比呈显著差异,分别增加了44.03%和18.91%.

c)随着土壤Sb添加量的增加,玉米植株的w(Sb)和Sb积累量均显著上升,Sb从地下到地上的转运率显著下降.接种显著增加了玉米植株地下部分的w(Sb)和Sb积累量,增幅分别为8.90%~23.30%、27.68%~78.95%;接种降低了玉米植株地上部分的w(Sb)和Sb的转运率,在1 000 mg/kg Sb添加量下差异达显著水平,二者分别降低了22.81%和36.35%,接种强化了Sb在玉米地下部分的固持作用,减少了Sb从地下向地上部分的转运.

d)接种AM真菌显著增加了玉米植株地上部分的w(可溶蛋白)、CAT活性,降低了MDA含量、POD活性.在1 000 mg/kg Sb添加量下,接种组玉米植株地上部分MDA含量降幅最大,与未接种组相比减少了24.29%,表明接种AM真菌能减少植物体内脂类过氧化,降低重金属对玉米植株的氧化伤害.

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