不同叢枝菌根真菌(AMF)對Co污染土壤下番茄生長和核素富集的影響

代 威，王 丹*，李 黎，賀 佳， 曾 超， 江文靜

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621000；2.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點實驗室，四川綿陽 621000)

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不同叢枝菌根真菌(AMF)對Co污染土壤下番茄生長和核素富集的影響

代 威1,2，王 丹1,2*，李 黎1,2，賀 佳1,2， 曾 超1,2， 江文靜1,2

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621000；2.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點實驗室，四川綿陽 621000)

[目的]研究不同叢枝菌根真菌(AMF)對Co污染土壤下番茄生長和核素富集的影響。[方法]通過盆栽試驗研究了Glomusgeosporum(G.g)、Glomusmosseae(G.m)、Glomusversiforme(G.v)和Glomusdiaphanum(G.d)4種AMF對Co污染土壤下番茄生長特性與吸收土壤重金屬Co，以及對土壤中Co的活化能力的影響。[結果]AMF接種處理都提高了番茄株高、莖粗、地上部干重和地下部干重等生長指標(P<0.05)，G.m+G.v混合接種處理增加最大，較對照分別增加了17.23%、20.96%、44.02%和70.31%；AMF接種處理顯著增加了土壤重金屬Co的有效態(tài)含量，同時明顯提高了番茄的富集系數和轉運系數，地下部分和地上部分富集Co能力最強時分別達到131.24和155.42 mg/kg，是對照組的2.50和2.84倍；各處理番茄地下部分的重金屬濃度要高于地上部中的濃度，番茄植株Co含量與土壤有效態(tài)Co之間呈顯著性正相關(P<0.05)。[結論]綜合來看，不同AMF接種能有效活化土壤溶液中Co，促進植物吸收、轉運重金屬。

鈷；叢枝菌根真菌；番茄；生長特性；富集系數；轉運系數

隨著工業(yè)的大發(fā)展、城市化的擴大和核技術的應用，核泄露及核污染問題日益凸顯，導致核污染物大量進入土壤環(huán)境[1]。土壤是連接非生命界和生命界的基本樞紐，進入土壤中的核污染物在土壤中移動性差、滯留時間長，降低土壤肥力，導致土壤退化，而且不能被生物分解，通過食物鏈在生物體內不斷富集，污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性[2]。因此，核污染土壤的修復問題已成為環(huán)境科學研究領域的熱點，同時也是世界性的難題。人們曾經想了很多辦法如客土法、淋溶法、沉淀法、電化法、磁化法等[3-6]，然而這些技術至今仍然不太成熟，通常需要巨額的花費，容易破壞污染土壤場地結構和土壤理化性質，并且造成二次污染，目前難以開展大面積、低濃度放射性核素污染環(huán)境的凈化。近年來，植物修復技術以其安全、廉價的特點，正成為重金屬污染土壤治理領域研究和開發(fā)的熱點[7-8]。

近期的研究表明，在土壤受放射性核素極端污染下大多數植物生長會受到限制甚至死亡，其生物量達不到修復土壤和富集核素的目的，原因就在于植物根際微環(huán)境受到了核素的破壞，導致修復植物不能正常生長[9]。為解決植物修復中存在的一些問題，將叢枝菌根真菌(AMF)應用到土壤核素污染修復中，由于AMF的發(fā)達根外菌絲可以部分替代根毛起到吸收水、礦質營養(yǎng)元素等作用[10]，它對促進植物生長起到一定的作用[11]。外接菌根不僅提高了植物在土壤核素極端脅迫下的生長量，還對植物富集和轉運核素提供了一定的幫助。AMF是一種和植物根系密切相關的益菌，能與根系形成AMF的互惠共生體，90%的陸生植物都可以觀察到這個結構[12]。

番茄作為一種高產作物，具有適應性強、易于種植等特點，并且番茄有較大的生物量及一定的重金屬積累特征[13]。筆者在溫室盆栽條件下，對Co污染土壤中生長的番茄進行接種AMF，研究外接AMF處理對生長在Co污染土壤中的植物生長特性、富集、轉運系數的影響，探討AMF在植物復墾核素污染土壤領域的應用前景，為經濟高效的菌根-植物修復技術在治理放射性土壤污染中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤Co污染處理供試土壤取自四川省綿陽市龍門菜園黃壤土，去除草根，摻入干凈的河砂，按體積7∶1 混合，將試驗用土送中國工程物理研究院核物理與化學研究所用高壓滅菌爐滅菌24 h，在黑暗中保存1 周后裝盆。試驗容器上口徑和底面直徑分別為33和23 cm，高為25 cm，每盆裝土7.0 kg(干重)，每盆(7.0 kg 干土)采用澆灌方法施入Co溶液，外源施加到土壤中的Co濃度為60 mg/kg土(Co以CoCl2·6H2O為外源形式，以水溶液的方式均勻澆灌)。將各處理土壤充分攪拌后，保持含水量為田間持水量的70%左右，將土壤靜置平衡2周。

1.2 供試菌種供試AMF 為地球囊霉(G.geosporum，G.g)、摩西球囊霉(G.mosseae，G.m)、地表球囊霉(G.versiforme，G.v)和透光球囊霉(G.diaphanum，G.d)。含有宿主植物根段、相應菌根真菌孢子及根外菌絲體的根際土壤由北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所微生物室提供。接種劑是以滅菌營養(yǎng)土作為擴繁基質，以三葉草盆栽將原種擴大繁殖獲得試驗所需接種劑，其孢子密度為40 個/g。

1.3 試驗設計取平衡后的盆栽土7.0 kg 于另一大小相同塑料盆中，然后均勻加入接種劑50 和300 g 平衡土混合物，播種預先準備好的番茄(Tomato)種子(挑選好大小一致且籽粒飽滿的用10% H2O2對種子進行表面消毒10 min，蒸餾水沖洗多次后于恒溫培養(yǎng)箱25 ℃催芽)，每盆均勻播種3～5 粒，最后將剩余平衡土加入盆中覆蓋種子。不接種處理加等量的已滅菌的土壤，菌種6個接種處理分別為G.g、G.m、G.v、G.d、G.m+G.v、G.m+G.d。以盆栽土壤未滅菌不接種(CK1)和滅菌不接種(CK2)作為空白組；每個處理3個平行，定期澆水調節(jié)盆中土壤含水量約為田間持水量的70%左右，常規(guī)管理。以上試驗在西南科技大學新校區(qū)玻璃溫室中進行。

1.4 試驗方法

1.4.1菌根侵染率測定。植株生長到收獲期后，將植株從盆中連根移出，用自來水和去離子水沖洗干凈，根系剪成1 cm根段，取出部分根樣用曲利苯藍-方格交叉法測定根系的菌根侵染率[14]。菌根侵染率=菌根感染的根段長度/檢查根段的總長度×100%,菌根依賴性=接種的植株干重/未接種的植株干重×100%。

1.4.2番茄生長指標的測定。株高和莖粗分別采用皮尺和游標卡尺測量，地上部干重和地下部干重采用烘干稱重法。

1.4.3番茄Co富集量的測定。稱取烘干后的番茄材料粉末 0.2～0.5 g(不同植物的部位稱取的量視具體情況而定)，后加入20 ml的硝酸，利用石墨爐消解儀(SH220)進行消解，采用原子吸收光譜(AA700，美國PE公司)測定番茄植株地上部分和地下部分樣品消解液的Co濃度。

1.4.4土壤有效態(tài)Co含量的測定。收獲植物后，采集植物主根附近土壤樣品并風干，過 0.1 mm尼龍篩備用。取土樣1 g加入塑料瓶中，并加入45 ml的Mehlich3浸提液，通過振蕩器振蕩30 min，過濾，取濾液；采用原子吸收光譜(AA700，美國PE公司)測定其有效態(tài)Co含量。

1.5 富集系數以及轉移系數的表示方法富集系數(Enrichment coeficient,EC)=植物地上部分Co含量或地下部分Co含量(mg/kg)/土壤全Co含量(mg/kg)。轉運系數(Translocation factor,TF)=植物地上部Co 含量(mg/kg)/植物根部Co含量(mg/kg)。

1.6 數據分析利用 Microsoft Excel 2013 對平行樣的平均值和標準差進行計算，同時使用 SPSS 22.0進行顯著性檢驗及相關分析，采用OriginPro 9.0 繪圖。

2 結果與分析

2.1 菌根侵染率及依賴性接種不同AMF 對生長在核素Co污染土壤下番茄根系侵染率及依賴性見圖1 。結果顯示，未接種處理沒有觀察到AMF 侵染的跡象，接種的4種AMF不同組合侵染率都在35%左右，其中G.m+G.v混合接種侵染率最高，達到45.58%，顯著高于其他菌種(P<0.05)。接種不同AMF組合后對番茄收獲時根系侵染率的高低順序為G.m+G.v>G.m>G.g+G.d>G.v>G.g>G.d>Non-AMF。而對番茄菌根依賴性統(tǒng)計分析發(fā)現，G.m+G.v混合接種依賴性也是顯著高于其他菌種(P<0.05)，高達141.00%。菌根依賴性的高低順序為G.m+G.v>G.g+G.d>G.m>G.g>G.v>G.d>Non-AMF。

2.2 叢枝菌根真菌對植物生長的影響接種不同AMF 對番茄株高、莖粗、地上部干重和地下部干重等生長指標影響不同(表1)，與對照CK1相比，G.m、G.v、G.m+G.v和G.g+G.d顯著增加了番茄的株高(P<0.05)，其中以接種G.m和G.m+G.v效果較好，與對照組比分別增加了7.24和7.14 cm；對莖粗(P<0.05)統(tǒng)計分析發(fā)現，G.m+G.v顯著提高番茄的莖粗，增幅達到20.96%；外接4種AMF不同處理均顯著提高了番茄地上部干重,其中以G.m+G.v效果最好，增幅高達44.02%；接種G.m+G.v和G.g+G.d顯著提高了番茄地下部干重，增幅分別為70.31%和49.21%。由此可見，接種G.m+G.v比其他菌種組合處理對番茄生長的影響更大。

2.3 叢枝菌根真菌對番茄Co含量的影響由圖2可知，AMF接種番茄植株后，地上部Co含量(P<0.05)都顯著增大。接種G.m+G.v和G.g+G.d地上部分的Co含量相對較高，分別高達153.18和155.42 mg/kg，是對照CK1的2.80和2.84倍；番茄地下部Co含量(P<0.05)，G.d與對照CK1無顯著差異，其他菌種組合都顯著高于對照，接種G.m+G.v為最高，達到131.24 mg/kg。綜上所述，AMF都能提高番茄Co含量的吸收，不同AMF組合對番茄Co含量的影響不同。AMF與植物共生修復試驗中番茄Co含量要遠高于空白對照組，同時地下部分的Co含量要明顯高于地上部分，充分說明了Co在土壤中的移動性較差，生物有效性較低，而且也證明了根系是番茄富集Co的主要器官。整體而言，AMF在針對番茄修復重金屬Co污染時作用很大，都起到促進作用，這一點對于植物修復有著重要的意義。

表1 Co污染土壤下接種菌根對番茄生長量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示P<0.05 水平差異顯著。

表2為Co污染土壤中不同菌根接種處理下番茄的富集系數和轉運系數?？梢?，4種AMF不同處理中，G.m+G.v和G.g+G.d菌種混合下番茄富集系數和轉運系數相對較高。G.m+G.v處理下地上部分富集系數和地下部分富集系數分別為0.451和2.025，單株富集系數達到0.704，轉運系數為0.223；而G.g+G.d處理下地上部分富集系數和地下部分富集系數分別為0.487和1.976，單株富集系數達到0.710，轉運系數為0.246；顯著高于兩個對照組(CK1和CK2)。另外其他菌種處理也基本高于對照組，這進一步表明，AMF能促進番茄對土壤中Co的吸收和積累，并且能明顯促進重金屬從根部向地上部的運輸，是一種高效的植物修復方法。

表2 不同菌根對番茄富集系數和轉運系數的影響

2.4 叢枝菌根真菌對土壤中有效態(tài)Co含量的影響從圖3可知，外接不同菌種均顯著提高了重金屬的有效態(tài)，與空白對照CK1相比,其中G.m+G.v處理下土壤中有效態(tài)Co的含量高達74.86 mg/kg，是對照組的1.48倍。另外，不同菌根接種土壤中有效態(tài)Co含量存在顯著性差異，這可能是由于菌根菌絲與土壤結合，使土壤形成不同的團粒結構，從而影響土壤有效態(tài)Co。Ricken等[15]報道了相似的研究結論。

可見，在AMF接種處理下，番茄植株Co含量的變化趨勢與土壤中有效態(tài)Co含量的變化趨勢基本吻合。經SPSS分析，土壤的有效態(tài)Co含量與番茄地上部分和地下部分Co含量為顯著性正相關(相關系數分別為0.711和0.725)。說明AMF接種后，增加了土壤中的有效態(tài)Co，利于作物對Co的吸收，即提高了重金屬Co的植物有效性。

3 結論與討論

不同菌種處理組合對番茄的生物量產生一定的影響，同時不同程度增加了土壤有效態(tài)Co的含量，促進了番茄對土壤有效態(tài)Co的吸收；各處理中，G.m+G.v菌種混合接種在促進植物吸收重金屬方面效果最顯著。此外，Co在番茄體內主要以根積累為主，接種AMF顯著增加了番茄富集能力，具有修復重金屬污染土壤的潛力。

Co是植物生長和生理代謝的必需元素，但過量會對植物產生毒害現象。AMF通過與植物根系共生，從而增加植物吸收土壤中重金屬。該試驗中，在4種菌種(G.m、G.g、G.v和G.d)不同處理下，番茄植株生物量都出現不同程度的增加；G.m+G.v菌種混合處理時，增加最大。這與大部分學者研究AMF對植物生長具有明顯的促進作用的規(guī)律相同[16]。

在不同菌種組合處理下，番茄對Co的吸收程度不同。叢枝菌根真菌與植物共生修復試驗中番茄Co含量要遠高于空白對照組，同時地下部分的Co含量要明顯高于地上部分。這與Aery等[17]研究小麥的根部Co含量遠大于地上部分一致。番茄根部的積累有一小部分轉移到了地上部，說明番茄將Co由根部轉移到地上部的能力較弱，根部是番茄積累Co的主要器官。部分學者研究水稻和黑麥草時也有類似的結果[18-19]。另外，徐冬平等[20]對蠶豆的研究也得出類似的結果。

此外，在重金屬脅迫下，叢枝菌根真菌與植物共生提高了植物對于重金屬污染的抵抗性。該試驗也有類似結果。有研究指出，菌根可增加植物的抗性，感染菌根的幼苗植物生長健壯，對不良環(huán)境和病蟲害具有一定的抵抗作用[21]?？傮w來看，接種AMF對植物和土壤特性有一定的影響，尤其是AMF引起植物生物量的增加從而可能造成植物對土壤中金屬吸收總量的相對提高。故在進行AMF與植物共生修復之前應當了解AMF對所欲采用的修復植物的侵染及依賴情況。

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Influences of Different Arbuscular Mycorrhizal Fungi(AMF)on the Growth and Radioactive Nuclide Bioconcentration of Tomato at Soil Contaminated with Cobalt

DAI Wei1，2，WANG Dan1，2*，LI Li1，2et al

(1.Life Science and Engineering College，Southwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621000; 2.State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security，Southwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621000)

[Objective] The research aimed to study influences of different arbuscular mycorrhizal fungi(AMF)on the growth and radioactive nuclide bioconcentration of tomato at soil contaminated with cobalt.[Method] A pot experiment was conducted to investigate the effects ofGlomusgeosporum(G.g)，Glomusmosseae(G.m)，Glomusversiforme(G.v)andGlomusdiaphanum(G.d)on the growth，uptake of cobalt and capability of activating cobalt in tomato at soil contaminated with cobalt.[Result] AMF treatment significantly improved the growth indexes (P<0.05)，including plant height，stem diameter，dry weights of shoot and root.The increase of these growth indexes in G.m +G.v treatment was the most significant，and the corresponding indexes increased by 17.23%，20.96%，44.02% and 70.31% compared with the control，respectively.The available cobalt concentration in the soil can be enhanced by inoculation of AMF.At the same time，the enrichment coefficient (EC) and the translocation factor (TF) of tomato were increased respectively.The most effective accumulation concentration of cobalt in underground parts and aerial parts of plant were 131.24 and 155.42 mg/kg，respectively，the values which were 2.50 and 2.84 times higher than the control.Cobalt concentrations were much higher in the roots than in the shoots.The relationship，between influence of G.g，G.m，G.v and G.d on cobalt enrichment of tomato and capability of them on activating cobalt in soil，was a significant positive correlation(P<0.05).[Conclusion] In general，different AMF effectively mobilized cobalt in the soil，and promoted the absorption of cobalt and translocation of cobalt from roots to shoots.

Cobalt; Arbuscular mycorrhizal fungi(AMF); Tomato; Growth characteristics; Enrichment coefficient; Translocation factor

國家863計劃項目(2012AA063503)；四川省科技支撐計劃項目(2012SZ0064)；西南科技大學研究生創(chuàng)新

(14ycxjj0078)。

代威(1988- )，男，四川邛崍人，碩士研究生，研究方向：輻射生物效應及其生物修復。*通訊作者，教授，碩士，從事輻射生物效應及其生物修復研究。

2015-02-06

S 181.3

A

0517-6611(2015)09-264-04