芦苇-AMF共生系统的铜污染修复潜能及其机制研究

发布时间：2020-10-17 05:38

　　 随着现代工农业发展,我国本已居高的铜需求量及消费量逐年增加。巨大的铜开采与排放量引发了日益严峻的环境问题。铜污染已成为我国主要重金属污染之一。重金属污染具有无法降解的特性,植物对金属元素的稳定或提取富集是其主要的去除方法。然而在实际应用中,植物生长和生理活性受重金属胁迫影响大,铜生物有效性较低、不同浓度条件下铜的转运过程具有特异性等问题,都制约着铜的转运过程及效率。为此,本研究采用丛枝菌根真菌(AMF)强化芦苇系统生长及抗逆性能,并以芦苇-AMF共生系统为核心,从芦苇的抗性及铜吸收效能两方面,分析不同浓度铜胁迫条件下共生系统的响应过程及其对铜的转运机制,为植物修复铜污染环境提供新的技术支持。通过投加菌剂的方式构建芦苇-AMF共生系统,并于系统建立初期从芦苇生长发育、生理特征、根际土壤性质及微生物代谢几方面对其进行研究,结果表明,在接种摩西球囊霉(Rhizophagus irregularis)及根内球囊霉(Funelliformis mosseae)之后,芦苇种子的累积萌发速率分别提升了20.9%和26.95%,而萌发速率系数提升了10.81%和4.59%。此外,两种AMF均会促进芦苇,尤其是根系的生长发育,接种摩西球囊霉及根内球囊霉使根长分别增加了90.59%和51.3%,且根系生长率分别提高了91.7%,和51.19%。在营养元素吸收方面,摩西球囊霉促进了芦苇对P、S、B、Mg、K、Ca、Cu、Zn及Mo的吸收,而根内球囊霉促进了S、K、Ca、Cu及Zn的吸收。对接种AMF影响铜胁迫下芦苇生长发育情况的研究结果表明,在铜处理浓度为5 mg L~(-1)时,接种摩西球囊霉使种子萌发速率提升了27.1%,而根内球囊霉使之提升了22.8%。芦苇茎叶及根系的生长发育均会受到铜胁迫的抑制,且抑制作用随铜浓度的升高而增大,然而与茎叶相比,芦苇根系受到铜胁迫的影响更显著。1 mg L~(-1)及5 mg L~(-1)分别接近于铜胁迫对芦苇根系及茎叶造成损伤的两个临界点。从菌根依赖性角度来看,根内球囊霉在铜处理浓度为1 mg L~(-1)和5 mg L~(-1)时,分别为1.22及1.16,均高于摩西球囊霉。在分析接种AMF对芦苇生理学特征的影响时,研究数据显示,在铜处理浓度为5 mg L~(-1)时,接种摩西球囊霉及根内球囊霉处理均会促进芦苇的光合作用,使其净光合速率分别升高53.83%及75.26%,但是蒸腾速率及气孔导度变化并不显著。此外,在同一铜浓度下,营养元素在芦苇茎叶及根系中的浓度均由于接种摩西球囊霉及根内球囊霉而下降或不发生显著变化。然而与对照组相比,芦苇对营养元素吸收受胁迫影响而变化的幅度却由于接种AMF处理而减小。在芦苇根系组织中,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)及抗坏血酸过氧化物酶(APX)的含量相对较高。在铜处理浓度为1 mg L~(-1)和5 mg L~(-1)时,与对照组相比,摩西球囊霉接种组的芦苇根系中的SOD活性分别增高了26.25%及42.3%,而根内球囊霉接种组的SOD活性则呈现出下降趋势。铜胁迫下,芦苇根系分泌的低分子量有机酸(LMWOAs)总量随着铜处理浓度增大而上升,但在浓度为1 mg L~(-1)时达到最高值后又下降。在所有LMWOAs中,柠檬酸相对含量最高。经根内球囊霉接种处理的芦苇与对照组相比,其根系分泌的LMWOAs总量在铜处理浓度为1 mg L~(-1)时增加了11.85%,但在5 mg L~(-1)时降低了15.39%。通过考查铜在芦苇营养器官、组织微区及细胞内的分布特征,发现铜率先在芦苇根系积累,且主要沉积于细胞壁。赋存形态分析结果表明,铜在芦苇内的存在形式以柠檬酸盐为主,其所占比重为36%-61%,各器官由高到低依次为叶片、茎及根系。铜处理浓度为1 mg L~(-1)时,接种根内球囊霉使芦苇茎叶及根系中的铜浓度分别高于对照组80.03%及33.6%。蛋白质组学分析结果显示,铜胁迫下芦苇根系由于接种根内球囊霉而产生的差异蛋白共459个,其中表达上调200个,表达下调259个,这些蛋白主要涉及呼吸链能量传递、营养元素主动运输及异常蛋白的修复及降解。AMF可缓解铜对芦苇生长造成的胁迫影响,并提升芦苇抗性、促进其对铜吸收转运,这对强化芦苇修复铜污染环境具有重要意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X173
【部分图文】：

论文研究的技术路线

图 3-1 显微镜下的 AMF 结构Fig. 3-1 Arbuscular mycorrhizal structures in the roots of Phragmites australis undermicroscopehypha：菌丝；vesicle：泡囊；arbuscules：丛枝结构；microsclerotia：微菌核表 3-1 不同季节及水分梯度下芦苇根系 AMF 侵染情况Table 3-1 Colonization of arbuscular mycorrhizal fungi structures夏季 秋季SIW1 SIW2 SIW3 SIW1 SIW2 SIW3丝侵染率（%） 19.2±3.56b 17.7±2.18b 13.2±2.19b 21.6±3.51b 16.6±2.34b 9.3±2.2a囊侵染率（%） 5.6±0.65c 3.7±0.45b 2.9±0.29a 4.7±0.59c 3.6±0.53b 2.3±0.38a枝结构侵染率（%） 3.5±0.35a 2.9±0.3a 2.7±0.35a 7.9±1.1b 7.2±1.33b 6.3±0.9b根侵染频率（%） 26.3±2.38a 23.2±3.64a 16.1±2.7a 33.2±4.92b 27.2±4.29a 16.9±1.99a根侵染强度（%） 7.4±0.62a 6.3±0.95a 5.4±0.78a 11.7±2.5b 9.2±1.76a 5.5±0.91a同字母（a、b、c）表示不同样品之间差异显著。显著性检验采用单因素方差性分析（Duncan验）。n=30。SIW1、SIW2 及 SIW3 分别代表距离湿地河岸由远及近的三个采样区域。

00 100 200 600 1000 1400 1800光量子通量密度 (μmolm-2s-1)00 100 200 600 1000 1400 1800光量子通量密度 (μmolm-2s-1)00.050.10.150 100 200 600 1000 1400 1800CUE(molair-m2s-1)光量子通量密度 (μmolm-2s-1)(G)C FM RI00.050.10.150 100 200 600 1000 1400 1800LUE光量子通量密度 (μmolm-2s-1)(H)C FM RI图 3-2 共生系统构建初期不同接种处理下芦苇叶片光合参数响应曲线Fig. 3-2 Photosynthetic parameters of Phragmites australis seedlings exposed to threeinoculation treatments during symbiotic system establishmentC：对照组；FM：摩西球囊霉；RI：根内球囊霉

本文编号：2844360