AM真菌与螯合剂强化盐生植物修复重金属污染盐渍化土壤的作用机理

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近年来,随着城市化进程的加快、工业的发展和农用化学品的过量使用,导致包括中国在内的世界众多干旱、半干旱区土壤和沿海、河口滩涂土壤受到盐渍化和重金属污染的“双重”影响,重金属污染盐渍化土壤已成为世界性的环境问题。目前,利用盐生植物修复重金属污染盐渍化土壤具有良好的经济环境效应和应用前景,但存在对植物生长的毒害作用大和修复效率低的关键问题。研究显示,丛枝菌根(AM)真菌可增强植物对重金属或盐胁迫的抵抗,螯合剂可提高植物修复效率,但二者联合强化盐生植物修复重金属污染盐渍化土壤的作用及机理尚未见报道。本研究采用温室盆栽实验,模拟镉污染土壤(5 mg Cd·kg-1干土,Cd5S0)和镉污染氯化钠型盐渍化土壤(2.5 g NaCl·kg-1,Cd5S2.5),研究接种AM真菌Funneliformis mosseae(F.mosseae,Fm)和螯合剂(5 mmol·kg-1EDTA,10mmol·kg-1NTA,0.25 g·kg-1HA)对盐地碱蓬生长指标、地上部转录组学、根际细菌群落结构、土壤基本理化性质以及酶活性的影响,揭示AM真菌和螯合剂联合强化重金属污染盐渍化土壤的盐生植物修复效果及其作用机制。研究结果表明:(1)F.mosseae与盐地碱蓬根系成功建立共生关系,菌根侵染率在11.34%22.33%之间,添加三种螯合剂使Cd5S0处理组菌根侵染率显著下降37.30%49.22%。在Cd5S0处理组,接种F.mosseae与不接种处理相比盐地碱蓬地上部生物量显著增加3.87倍,EDTA和F.mosseae联合与EDTA处理相比地上部生物量显著下降61.90%。Cd5S2.5处理组,HA与F.mosseae联合与HA处理相比地上部和根部生物量显著下降81.80%和57.28%;NTA与F.mosseae联合与NTA处理相比,地上部和根部生物量显著增加287.50%和433.33%,地上部对N和P含量分别显著增加183.56%和291.82%,土壤碱性磷酸酶含量显著升高95.38%,地上部和根部Na+含量分别显著增加128.99%和842.86%,Cd2+含量显著增加236.62%和36.91倍。(2)盐地碱蓬根际细菌群落多样性分析表明:变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌群,占细菌群落总量的74%88.6%。NTA与F.mosseae联合与NTA处理相比,能够降解NTA螯合剂的氨基杆菌属(Aminobacter)和常见根际促生菌短波单胞菌属(Brevundimonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、节杆菌属(Arthrobacter)的平均相对丰度升高。土壤pH和速效K为细菌群落结构变化主要驱动因子。(3)盐地碱蓬地上部转录组学测序分析结果显示:NTA与F.mosseae联合与NTA处理相比共获得585条差异表达基因,其中上调基因293条,下调基因292条。根据GO、KEGG富集分析显示,植物MAPK信号通路(pathway id:map04016)和植物信号转导通路(pathway id:map04075)中抗氧化胁迫、激素信号调控和胁迫耐受等基因发生显著变化以应对重金属污染盐渍化土壤胁迫。研究结果表明,仅NTA与F.mosseae联合强化盐地碱蓬修复Cd污染盐渍化土壤的效果要优于单独施用螯合剂。二者联合可显著改善盐地碱蓬的生长和对Na+与Cd2+的积累,促进对矿质营养元素的吸收,增加根际促生细菌丰富度,并诱导盐地碱蓬地上部调控抗氧化酶、耐盐和耐重金属蛋白的基因表达来缓解Cd或NaCl对盐地碱蓬的胁迫毒性。本研究结果可为重金属污染盐渍化土壤盐生植物修复的强化措施研究提供基础数据和理论依据。
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