丛枝菌根增强植物铬耐性机理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangchong122
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丛枝菌根在植物适应重金属胁迫中具有重要作用,因而在重金属污染土壤的植物修复及生态恢复中具有极高的潜在应用价值。然而,关于丛枝菌根对植物耐受铬的影响鲜有报道,相关机理研究更是匮乏。本论文证实了丛枝菌根对植物适应铬污染环境的积极作用,同时深入研究了铬在菌根共生界面的迁移转化过程,揭示了丛枝菌根增强植物铬耐性机制。论文主要研究内容及结论如下:  (1)丛枝菌根能够增强植物铬耐性  模拟研究了不同程度土壤铬污染水平[Cr(Ⅵ)添加量:0、5、10、20 mg kg-1]下,丛枝菌根真菌(Rhizophagus irregularis)对蒲公英(Taraxacum platypecidum Diels.)和狗牙根(Cynodondactylon(Linn.) Pers.)生长及吸收累积铬的影响。结果发现,丛枝菌根显著促进了蒲公英和狗牙根的生长,但对植物磷和铬吸收分配的影响因植物种类而异。蒲公英是铬敏感性植物,其菌根依赖性较高,而狗牙根对铬的耐受性较强,菌根依赖性相对较低。丛枝菌根能够显著促进蒲公英吸收磷,同时降低其对铬的吸收和向地上部运输,从而缓解蒲公英铬毒害。相反,丛枝菌根并没有改善狗牙根磷营养,但能够降低其对铬的吸收,同时在高浓度铬污染下抑制铬自根系向地上部的运输,以此来缓解植物铬毒害。研究同时也发现,丛枝菌根能够改变根际土壤中铬的形态及生物有效性。  (2)丛枝菌根根外菌丝在菌根固持铬中起着重要作用  对比研究了不同磷添加水平(0、30、60、150 mg kg-1)和接种丛枝菌根真菌(Rhizophagusirregularis)对蒲公英(Taraxacum platypecidum Diels.)铬耐性的影响。发现添加磷处理并不能达到接种丛枝菌根真菌对植物所产生的积极效果,丛枝菌根在促进磷吸收的同时增强了根系对铬的固持能力。基于同步辐射光源的微区X射线荧光分析(SRμ-XRF)发现铬在非接种植物主根中主要分布于皮层和维管束部位,而在接种植物主根中则主要分布在皮层部位,表明丛枝菌根能够抑制铬经由木质部向植物地上部运输。研究进一步通过三分室植物培养装置探究了丛枝菌根根外菌丝对铬的吸收及转运作用,发现丛枝菌根根外菌丝能够吸收铬并转运到菌根根系中,但似乎并没有将铬进一步转运到植物地上部,而是更多的固持在根系,说明丛枝菌根根外菌丝在菌根固持铬中起着重要作用。  (3)铬在丛枝菌根共生界面的微观行为过程研究  利用丛枝菌根真菌与Ri T-DNA转化胡萝卜根双重培养体系,结合透射电子显微镜-能谱分析(TEM-EDS)和基于同步辐射光源的X射线近边吸收精细结构(XAFS)技术深入研究了丛枝菌根根外菌丝对铬的吸收、转运和转化作用。在排除其它微生物干扰的情况下,证实了丛枝菌根根外菌丝能够通过主动运输方式吸收铬并转运至菌根根系,但同时将70%以上铬固持在根外菌丝中。进一步利用XAFS分析发现,丛枝菌根真菌能够将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ),并以磷酸铬类似物的形式固持在菌丝表面,而吸收进去的铬(以Cr(Ⅵ)或Cr(Ⅲ)形式吸收)很可能以组氨酸结合态及其类似物的形式在菌丝中转运。进一步通过场发射扫描电子显微镜-能谱分析(FE-SEM-EDS)、扫描透射X射线显微分析(STXM)及XAFS分析共同证实这些以磷酸铬类似物为主的铬化合物(还有少量羧基或组氨酸结合态铬)主要分布于菌丝表面的胞外聚合物(EPS)中,表明EPS在菌丝还原固持Cr(Ⅵ)中具有重要作用。STXM分析同时发现,Cr(Ⅵ)胁迫下(组培情况)菌根根系中铬主要分布于丛枝、根内菌丝及细胞壁等部位,这一现象同时在土培试验蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)根系中再现,说明丛枝菌根真菌结构在菌根根系中起到铬的“区室化”作用,并由此降低铬自真菌结构经由共生界面向植物细胞的转运,从而减轻植物铬毒害。  论文深入揭示了菌根介导的铬在植物-土壤系统中的生物地球化学过程,阐明了菌根通过直接作用缓解植物铬毒害的机制,为菌根在铬污染土壤生态修复中的应用提供了重要理论基础,同时也为推测其他金属在菌根界面的环境行为提供了借鉴。
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