丛枝菌根真菌对铅胁迫下王族海棠生长和光合特性的影响

孙晓刚，年昊，殷佳慧，尹福良，张烜赫，唐雪东

(1.吉林农业大学园艺学院，吉林 长春 130000；2.磐石市林业局，吉林 磐石 132300)

随着我国工农业经济不断发展，重金属污染已成为不容忽视的问题。其中，铅污染是破坏环境最严重的重金属之一[1]。铅通过汽车尾气排放、采矿和金属冶炼等方式在土壤中沉积[2]。调查显示，吉林省中部土壤的铅含量已经超过吉林省平均值2.7 mg/kg[3]。为避免或减轻更多土壤被铅污染，如何利用植物修复铅污染土壤已成为必须研究的课题。

铅在土壤中富集，植物过量吸收铅会影响其光合作用。何翠屏等[4]研究发现，在长期和高浓度胁迫下，进入叶片中的铅、镉引起的过量活性氧自由基将叶绿素作为靶分子，导致叶绿素结构被破坏，叶片失绿。张呈祥等[5]对草地早熟禾(Poa pratensis)进行铅胁迫后发现，随着铅浓度增加，草地早熟禾叶绿素含量逐渐减少。李亚藏[6]对茶条槭(Acer ginnala)和五角槭(Acer pictum)的铅胁迫试验表明，叶片叶绿素a、叶绿素b含量及叶绿素总量含量降低。刘洋等[7]的研究表明，红椿(Toona ciliata)幼苗叶片的气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度与净光合速率的变化随铅浓度增加逐渐降低。张宝龙等[8]研究表明，铅胁迫会影响光合过程中的电子传递活性，破坏叶片中的叶绿体结构，减少植物叶片叶绿素含量，干扰光合产物的输配，从而对光合作用产生破坏。祁金洋等[9]研究发现，高浓度铅胁迫可以降低净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，减少植物体内叶绿素含量。刘燕等[10]研究表明，铅浓度在300~900 mg/L时，白三叶草叶绿素a和叶绿素b含量均降低。王佳星等[11]的研究结果表明土壤铅质量分数≥1 200 mg/kg时，胁迫至60 d时植株的光合作用降低。

接种丛枝菌根会减少重金属对植物的伤害，可以保护宿主植物的光合系统，防止重金属元素对叶绿体类囊体膜的伤害[12]。Yang等[13]研究认为，接种丛枝菌根真菌(Funneliformis mosseae和Rhizophagus intraradices)可提高刺槐(Robinia pseudoacacia)的气体交换能力，提高光化学效率和铅胁迫下的光合能力。在重金属胁迫下，接种丛枝菌根显著提高植物叶绿素的合成潜力，增加叶片叶绿素含量[14]，说明接种丛枝菌根的植物在重金属污染环境中仍具有较高的光合潜力。

王族海棠(Malus‘Royalty’)树姿优美，集观叶、观花、观果于一体，且具有耐旱、耐寒、耐瘠薄等优点，东北地区广泛栽植。但前人关于王族海棠的研究多集中在栽培管理等方面，对其重金属抗性的研究尚少。因此，本试验以王族海棠为材料，研究接种丛枝菌根对铅胁迫下王族海棠生长、光合特性的影响，以期为修复铅污染土壤提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试王族海棠为生长良好的一年生嫁接苗，砧木为一年生山丁子，购自辽宁清原。

丛枝菌根真菌为摩西科斗管囊霉(Funneliformis mosseae)，购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所。

1.2 试验方法

2020年于4月20日选取生长良好、长势一致的王族海棠幼苗(株高约为55 cm)，将其栽入装有原土∶草炭土＝1∶1的花盆(规格为:240 mm×190 mm)中。每盆土壤干重4.3 kg。

5月8日施入丛枝菌根真菌。方法:距离王族海棠根颈部约5 cm处挖一条深约2 cm的环形沟，将275 g AMF施入沟中，覆土2~3 cm，并浇少量水。

1.3 试验设计

胁迫试验于2020年7月至9月在吉林农业大学试验基地大棚中进行。Pb(NO3)2溶液浓度共设5个水平，分别为0(Pb0)、500 mg/kg(Pb500)、1 000 mg/kg(Pb1000)、1 500 mg/kg(Pb1500)和2 000 mg/kg(Pb2000)；AMF共设2个接种水平，即接种AMF(AMF)与未接种AMF(NAMF)。每处理重复5次，每重复王族海棠5棵，每盆种植1棵。重金属铅以Pb(NO3)2水溶液形式于5月1日一次性施入土壤。接种AMF 60 d后采样测定王族海棠生长和光合参数指标。

1.4 测定指标及方法

王族海棠株高、茎粗及新梢生长量用钢卷尺测量。

光合气体交换参数用光合仪CIRAS－Ⅱ测定，测定时间为9∶00—11∶00。每处理随机选取3株幼苗自上往下第3片完全张开叶测定，重复3次，每重复测10片叶。

叶绿素荧光参数用荧光仪FMS－2测定，开始测定时间为7∶00—9∶00。首先将叶片暗适应30 min后进行Fo、Fm、Fv/Fm测定，再将叶片光适应一段时间后进行Fs、ΦPSⅡ等参数测定。每处理随机选取3株幼苗自上往下第3片完全张开叶测定，重复3次，每重复测5片叶。

叶绿素含量测定采用分光光度法[15]。

土壤铅含量采用鲁如坤[16]的方法消解土壤，用火焰分光光度计测定。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17、Origin 2018软件对数据进行处理、分析与作图。

2 结果与分析

2.1 丛枝菌根真菌对铅胁迫下王族海棠生长指标的影响

2.1.1 对株高生长量的影响 由图1可知，随着Pb浓度升高，王族海棠株高生长量呈先升高后降低趋势，AMF处理株高生长量均高于NAMF。Pb0时，AMF处理株高生长量比NAMF高出6.8%。Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高29.0%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高26.8%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高1.0%。随Pb浓度逐渐增加，株高生长量逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0降低26.8%(P<0.05)，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降27.3%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高6.2%。

图1 不同处理王族海棠株高生长量

2.1.2 对茎粗生长量的影响 由图2可知，随着Pb浓度升高，王族海棠茎粗生长量呈先升高后降低趋势，AMF处理茎粗生长量均高于NAMF，但差异不显著。Pb0时，AMF处理比NAMF高出33.7%。Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高91.1%(P<0.05)，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高55.3%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高14.2%。随Pb浓度逐渐增加，茎粗生长量逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0低37.8%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0低16.8%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高16.7%。

图2 不同处理王族海棠茎粗生长量

2.1.3 对新梢生长量的影响 由图3可知，随着Pb浓度升高，王族海棠新梢生长量呈先升高后降低趋势，AMF处理新梢生长量均高于NAMF。Pb0时，AMF处理比NAMF高出40.0%。Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高32.4%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高50.0%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高18.9%。随Pb浓度逐渐增加，新梢生长量逐渐降低，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0降低12.0%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0降 低40.0%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高68.2%(P<0.05)。

图3 不同处理王族海棠新梢生长量

2.2 土壤铅含量变化

由表1可知，Pb0时，AMF处理土壤铅含量比NAMF低2.1%。随着Pb浓度逐渐升高，土壤铅含量也逐渐升高，于Pb2000达到最大值。此时NAMF Pb2000高于Pb041.9倍(P<0.05)，AMF Pb2000高于Pb034.4倍(P<0.05)，NAMF Pb2000比AMF Pb2000高出23.8%(P<0.05)。

表1 施入Pb(NO3)2后土壤铅含量变化

2.3 丛枝菌根真菌对铅胁迫下王族海棠叶片光合气体交换参数的影响

2.3.1 对净光合速率(Pn)的影响 由图4可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Pn呈现先升高后降低趋势，AMF处理净光合速率均高于NAMF。Pb0时，AMF处理比NAMF高5.0%。Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高32.2%(P<0.05)，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高23.2%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高16.1%。随Pb浓度继续增加，Pn逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0低4.0%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降14.6%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高出15.5%。

图4 不同处理王族海棠叶片的净光合速率(Pn)

2.3.2 对胞间CO2浓度(Ci)的影响 由图5可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Ci呈现先降低后升高趋势。Pb0时，AMF处理比NAMF低4.2%。Pb1000时达到最低，AMF Pb1000处理比AMF Pb0降低14.0%(P<0.05)，NAMF Pb1000比NAMF Pb0降低13.1%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000低5.2%。随Pb浓度再增加，Ci逐渐上升，Pb2000处理时较高，AMF Pb2000比AMF Pb0降低3.8%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0降低5.9%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000低2.1%。

图5 不同处理王族海棠叶片的胞间CO2浓度(Ci)

2.3.3 对气孔导度(Gs)的影响 由图6可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Gs呈现先升高后降低趋势，AMF处理气孔导度均高于NAMF，且均差异显著(P<0.05)。Pb0时，AMF处理比NAMF高出11.0%。Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高21.6%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高24.4%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高7.6%。随Pb浓度逐渐增加，Gs逐渐降低，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0降低8.0%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0低15.6%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高18.4%。

图6 不同处理王族海棠叶片的气孔导度(Gs)

2.3.4 对蒸腾速率(Tr)的影响 由图7可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Tr呈现先升高后降低趋势，AMF处理蒸腾速率均高于NAMF，且差异显著(P<0.05)。Pb0时，AMF处理比NAMF高出50.0%。随Pb浓度逐渐增加，Tr逐渐升高，Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高13.4%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高13.3%，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高50.0%。随Pb浓度再增加，Tr逐渐降低，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0降低28.9%(P<0.05)，NAMF Pb2000比NAMF Pb0降低30.8%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高出51.3%。

图7 不同处理王族海棠叶片的蒸腾速率(Tr)

2.4 丛枝菌根真菌对铅胁迫下王族海棠叶片叶绿素荧光参数的影响

2.4.1 对最大光化学效率(Fv/Fm)的影响 由图8可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Fv/Fm呈现先升高后降低趋势，AMF处理Fv/Fm均高于NAMF，且差异显著(P<0.05)。Pb0时，AMF处理比NAMF增加1.5%。随Pb浓度逐渐增加，Fv/Fm逐渐升高，Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高1.6%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高1.8%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高1.3%。随Pb浓度再增加，Fv/Fm逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0下降1.4%(P<0.05)，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降2.2%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高2.3%。

图8 不同处理王族海棠叶片的最大光化学效率

2.4.2 对PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)的影响 由图9可知，随着Pb浓度升高，王族海棠叶片Fv/Fo呈现先升高后降低趋势，AMF处理Fv/Fo均高于NAMF，且差异显著(P<0.05)。Pb0时，AMF处理比NAMF高出18.4%。随Pb浓度逐渐增加，Fv/Fo逐渐升高，Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高9.0%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高11.9%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高15.6%。随Pb浓度再增加，Fv/Fo逐渐下降，Pb2000处理时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0下降1.1%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降13.8%(P<0.05)，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高28.8%。

图9 不同处理王族海棠叶片的PSⅡ潜在活性

2.4.3 对实际光能转换率(ΦPSⅡ)的影响 由图10可知，随Pb浓度逐渐升高，王族海棠叶片ΦPSⅡ呈现先升高后降低趋势。Pb0时，AMF处理比NAMF高出5.6%。随Pb浓度逐渐增加，ΦPSⅡ逐渐升高，Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高41.4%，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高32.5%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高18.1%。随Pb浓度再增加，ΦPSⅡ逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0下降4.5%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降0.6%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000高1.8%。

图10 不同处理王族海棠叶片的实际光能转换率

2.4.4 对光化学猝灭系数(qP)的影响 由图11

图11 不同处理王族海棠叶片的光化学猝灭系数

可知，随Pb浓度逐渐升高，王族海棠叶片qP呈现先升高后降低趋势。Pb0时，AMF处理比NAMF高21.1%，差异显著(P<0.05)。随Pb浓度逐渐增加，qP逐渐升高，Pb1000时达到最高，AMF Pb1000处理比AMF Pb0高出25.6%(P<0.05)，NAMF Pb1000比NAMF Pb0高33.2%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000高12.2%(P<0.05)。随Pb浓度再增加，qP逐渐下降，Pb2000时达到最低，AMF Pb2000比AMF Pb0下降27.2%(P<0.05)，NAMF Pb2000比NAMF Pb0下降2.8%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000低5.1%。

2.4.5 对非光化学猝灭系数(qN)的影响 由图12可知，随Pb浓度逐渐升高，王族海棠叶片qN呈现先降低后升高趋势。Pb0时，AMF处理比NAMF高5.8%。随Pb浓度增加，qN逐渐降低，Pb1000时达到最低，AMF Pb1000处理比AMF Pb0降低47.9%(P<0.05)，NAMF Pb1000比NAMF Pb0降低43.5%(P<0.05)，AMF Pb1000比NAMF Pb1000低2.2%。随Pb浓度再增加，qN逐渐上升，Pb2000时达到最高，AMF Pb2000比AMF Pb0增加14.1%，NAMF Pb2000比NAMF Pb0增加8.9%，AMF Pb2000比NAMF Pb2000增加11.2%(P<0.05)。

图12 不同处理王族海棠叶片的非光化学猝灭系数

2.5 丛枝菌根真菌对铅胁迫下王族海棠叶片叶绿素含量的影响

由表2可知，随Pb浓度逐渐升高，王族海棠叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b的含量总体呈下降趋势，但处理间未达显著水平(P>0.05)。

3 讨论与结论

株高、茎粗和新梢生长量能表现出植物对逆境的抵抗力，数值越大抗逆性越好[17]。低浓度Pb(Pb500、Pb1000)胁迫下王族海棠的株高、茎粗和新梢生长量逐渐升高，说明此时其体内的保护机制已被触发，能通过促进植株生长而减少Pb胁迫毒害；高浓度Pb(Pb1500、Pb2000)胁迫下株高、茎粗和新梢生长量逐渐降低，说明王族海棠的细胞膜受到损伤，保护机制和植株生长受到抑制。

本研究中，低浓度Pb胁迫下王族海棠Gs逐渐增大，Pn、Tr逐渐升高，Ci逐渐降低，说明此时影响光合作用的是气孔因素；高浓度Pb胁迫下，Pn、Gs、Tr逐渐降低，Ci逐渐升高，说明影响光合作用的是非气孔因素，这与黄丽[18]的研究结果较为相似。低浓度Pb胁迫可能激发王族海棠对逆境的保护机制，促进其生理代谢，增强光合作用；高浓度Pb胁迫下，王族海棠的保护机制逐渐被抑制，光合机构被破坏，导致光合作用降低。

低浓度Pb胁迫下，王族海棠叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、qP逐渐升高，qN逐渐降低；高浓度Pb胁迫会使Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、qP逐渐降低，qN逐渐升高，这与匡经舸等[19]的研究结果较为符合。低浓度Pb胁迫会促进王族海棠的光合作用，说明叶片的PSⅡ反应中心逐渐开放，光合电子传递活性增加，实际光合效率升高，叶片所吸收的光能多用于光合作用，继而增强光合作用；高浓度Pb胁迫会破坏PSⅡ反应中心，导致反应中心失活，光能转化效率逐渐降低，此时为减少对PSⅡ反应中心的伤害，降低王族海棠光合机构的损伤，吸收的光能大多以热能形式散发，光合作用降低。

Pb胁迫下王族海棠叶片叶绿素a、b、叶绿素a＋b含量总体降低，但不显著。可能是Pb胁迫对RuBP羧化酶有影响，进而影响光系统Ⅰ，光合作用的产物由于光合电子传递速率下降而无法正常分解转运，导致王族海棠的光合作用降低，具体机理有待于进一步试验研究。

本试验通过施入土壤不同浓度Pb(NO3)2以达到模拟王族海棠受重金属铅胁迫的生长环境。随着Pb浓度逐渐升高，土壤铅含量也逐渐升高。Pb500、Pb1000时土壤铅含量皆小于170 mg/kg[20](NAMF Pb500为72.05 mg/kg，Pb1000为162.30 mg/kg；AMF Pb500为52.92 mg/kg，Pb1000为142.84 mg/kg)，王族海棠被激发自身保护机制，促进植株的光合作用；Pb1500、Pb2000时土壤铅含量大于170 mg/kg(NAMF Pb1500为368.21 mg/kg，Pb2000为467.56 mg/kg；AMF Pb1500为235.15 mg/kg，Pb2000为377.77 mg/kg)，王族海棠的保护机制和生长受到抑制，光合作用下降。由于AMF处理土壤铅含量少于NAMF，因此接种AMF王族海棠的各项生长、光合指标都高于未接种AMF。

研究发现，相同浓度Pb胁迫下，接种AMF王族海棠的光合指标都比未接种的高，说明接种AMF王族海棠的光合机构受到Pb胁迫的伤害比未接种的少。这可能是由于AMF与王族海棠共生下，其根部能形成络合物，吸收大部分Pb，土壤只残留少量Pb，王族海棠体内Pb浓度较低，难以抑制植株的光合作用；也可能是由于接种AMF增加王族海棠对土壤养分与水分等的吸收，促进植株生长发育，进而增强了王族海棠的保护作用。

综上所述，接种丛枝菌根真菌可以有效缓解重金属Pb胁迫对王族海棠植株生长和光合作用的伤害。