云南典型铅锌矿区植物根部AMF和DSE侵染特征研究

熊珂敏, 陈嘉欣, 荣世炎, 王磊, 湛方栋

(云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650201)

云南矿产资源丰富,长期大量的采矿作业导致矿区周边的生态系统和土壤理化性质遭到破坏,出现生物多样性锐减等问题。过量重金属在土壤中难以降解、迁移和转化,导致土壤肥力下降,从而对农作物造成危害[1]。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)属球囊霉(Glomeromycota),其菌丝能够在植物根部细胞中形成特有的丛枝状结构;AMF对重金属具有一定的耐受性,能在植物体内形成一道生物屏障,帮助植物稀释和抵御重金属的毒害[2]。王立等[3]的研究发现AMF和超积累植物在联合共生情况下,AMF不仅从整体上促进了宿主植物的生长,而且改变了植物对元素吸收的固定策略;寄主植物表现出异速生长,空间构型明显改变,并且植物体对重金属元素的吸收和提取也不再是简单的等量稀释和积累过程,而是一种战略性的主动运输、积累或定向固定。因此,对于矿区的修复可利用AMF来促进植物根系产生有机酸,并通过有机酸来活化难溶态重金属,维持土壤中矿物元素的平衡。

深色有隔内生真菌(dark septate endophytes,DSE)泛指在细胞内和细胞间可存活植物根组织中定植的小型土壤真菌[4]。DSE能有效提高植物生态学功能、促进植物吸收矿质物质、增强非生物胁迫和生物胁迫抗性,缓解重金属对植物的毒害[5]。AMF和DSE定殖于植物根部可以促进植物生长,改善叶片光合作用,增强植物对Cd的耐受性,能促进植物的整体生长[6]。因此,采用AMF和DSE联合接种的方式能更好地提高植物的生长效率,以达到对土壤重金属修复的作用。

目前,国内外对于重金属污染区的AMF、DSE资源的调查研究工作较少。本研究采集云南省会泽、个旧铅锌矿厂周边废弃地及个旧冶炼厂周边农田废弃地的植物样本,通过调查分析被侵染植物占所采集样本植物的比例和侵染情况,进一步筛选出修复重金属土壤的优良植株,并广泛应用于重金属土壤修复,为AMF、DSE修复重金属土壤提供基础的理论依据。

1 材料及方法

1.1 样地概况

个旧市地处云南省红河哈尼族彝族自治州,属亚热带高原季风气候,年平均气温16.4 ℃,雨水充沛。采样地为个旧大厂铅锌矿区废弃地(经纬度:23°18′09″N、103°10′42″E;海拔:2 353～2 378 m)和个旧冶炼厂周边农田废弃地(经纬度:23°30′38″N,103°14′29″E;海拔:1 220 m),大部分为农田土壤,土壤类型以红壤为主[6]。个旧铅锌矿区土壤的总重金属和可溶性重金属浓度都很高,尤其是Pb金属,其中Pb、Zn、Cd浓度分别超标70倍、141倍和18倍[8]。

会泽县隶属于云南省曲靖市,属温带高原季风气候;年平均气温为12.7 ℃,平均海拔2 200 m以上。采样地为会泽县某铅锌矿区周边废弃地,经纬度25°48′—27°04′N,103°03′—103°55′E。土壤类型为棕壤或黄棕壤,植被覆盖以灌木和草本植物为主。会泽铅锌矿区的土壤呈弱酸性或弱碱性,周边0～20 cm的土壤中镉、铅含量都较高,都远远超过当地标准的土壤背景值[9]。其土壤Pb、Zn和Cd的总量和可溶态含量差异较大,是云南土壤(A层)背景值的101.1倍、79.9倍和462.3倍,其污染以Cd最为严重[10]。

1.2 样品采集

2011年1月在个旧铅锌矿区废弃地采集的18个植物样本属于11个科17个属,个旧冶炼厂周边农田废弃地采集的10个样本属于4个科10个属,会泽县铅锌矿区废弃地采集的4个植物样本属于4个科4个属。用铲子挖掘植物样本完整的根,确保须根完整[11]。此外,从植物根际5～30 cm的土层中挖取1 kg左右的土壤,并将不同的土壤用采样袋分装。

回实验室后,采集与植物主根相连接的须根,并尽量采集带有根尖的植物根段,将根样固定于装有1/2 FAA固定液(福尔马林5 mL,冰醋酸5 mL,70%酒精90 mL,甘油5 mL,用时稀释一倍)的150 mL的玻璃小瓶中[12]。

1.3 植物根部AMF、DSE侵染率测定

将采集来的根尖制成封片,封片采用碱解离[13]和酸性品红染色法[4]进行处理。将须根切成约2～2.5 cm的小根段,将含有10%氢氧化钾溶液的离心管置于100 ℃的水浴中浸泡10～30 min。须根用去离子水冲洗1 min,0.5%酸性品红染色2 min,用乳酸脱色。最后从每个植物须根样本中随机选取2～2.5 cm长的根段25根制成封片,置于100倍光镜下采用十字交叉法观察计算根系的丛枝侵染率(AC)、菌丝侵染率(HC)、泡囊侵染率(VC)、总AMF侵染率和DSE的菌丝、微菌核侵染情况[14]。

1.4 数据分析

使用Excel 2016软件进行数据的整理。

2 结果与分析

2.1 个旧铅锌矿废弃地AMF和DSE的侵染状况

个旧铅锌矿区所采集的18种植物样本属于11个科17个属,其中11种植物检测到有AMF侵染(表1),占所采集植物样本的61.11%,其中小檗科(Berberidaceae)华东小檗(BerberischingiiCheng)侵染率达到89.29%;菊科(Asteraceae)苣荬菜(SonchuswightianusDC.)、唇形科(Lamiaceae)牛至(OriganumvulgareL.)侵染率达到25%～75%之间;其他剩余几个科植物样本的侵染率都在25%以下。有3种植物样本没有检测到AMF侵染(表1),占所采集植物样本的16.67%。还有4种植物样本在观察时,发现所有根样布满红褐色点导致无法确认,或根样全成褐色无法观察,不能确定是否侵染,约占采集样本的22.22%。

表1 个旧老厂矿山废弃地AMF和DSE侵染状况Table 1 AMF and DSE infection in abandoned mines of old factories in Gejiu

在18种植物样本中,有9种植物检测到有DSE侵染(表1),占所采集植物样本的50.00%,其中菊科(Asteraceae)紫茎泽兰(Ageratinaadenophora(Sprengel) R.M. King &H.Robinson)、牡蒿(ArtemisiajaponicaThunb.)、菊(ChrysanthemummorifoliumRamat.)的侵染率在25%～75%之间;其余植物样本中的侵染率均小于25%。采集的18种植物样本中有5种植物样本没检测到DSE侵染(表1),占采集植物样本的27.78%。有4个植物样本染色后根样成红色,不能确定是否侵染,占采集植物样本的22.22%。在此次的调查研究中有3种植物样根发现微菌核,但是侵染率都很低。

2.2 个旧冶炼厂周边废弃农田AMF和DSE的侵染状况

个旧冶炼厂周边废弃农田采集的10种植物样本属于4个科10个属,其中有4种植物检测到有AMF侵染(表2),占采集植物样本的40.00%,其中禾本科(Poaceae)玉米(ZeamaysL.)的AMF侵染率为16.13%,其余植物的侵染率都小于25.00%。采集的10种植物样本中有2种样本没有检测到AMF侵染(表2),占采集植物样本的20.00%;有4种植物的根样不确定是否有AMF的侵染,占采集植物样本的40.00%。

表2 个旧冶炼厂周边废弃农田AMF和DSE侵染状况Table 2 AMF and DSE infection status of abandoned farmland around three old smelters in Gejiu

在10种植物样本中5种植物检测到DSE侵染(表2),占采集植物样本的50.00%。其中,菊科(Asteraceae)毛连菜(PicrishieracioidesL.)检测出DSE侵染率27.16%。采集的10种植物样本中有1个样本没有检测到DSE侵染(表2),占采集植物样本的10.00%;有4种植物的根样不确定是否被DSE侵染,占采集植物样本的40.00%。

2.3 会泽铅锌矿区废弃地AMF和DSE的侵染状况

会泽铅锌矿区废弃地所采集的4种植物样本属于4个科4个属,其中只有菊科(Asteraceae)毛连菜(PicrishieracioidesL.)的样本检测到有AMF侵染(表3),占所采集样本的25.00%,侵染率为12.64%。所采集的4种植物样本中有3种样本没有检测到AMF侵染(表3),占采集植物样本的75.00%。

表3 会泽铅锌矿区废弃地AMF和DSE的侵染状况Table 3 Infection status of AMF and DSE in abandoned Huize lead-zinc mining area

在4种植物样本中2种植物检测到被DSE侵染(表3),占所采集样本的50.00%。虽然莎草科(Cyperaceae)溪生苔草(Carexfluviatil)和菊科(Asteraceae)毛连菜(PicrishieracioidesL.)都检测到有DSE侵染的情况,但其侵染率都不高,低于25.00%。石竹科(Caryophyllaceae)圆叶无心菜(ArenariaorbiculataRoyle ex Edgew.et Hook. f.)和十字花科(Brassicaceae)小花南芥(ArabisalpinaL. var.parvifloraFranch.)都未发现有DSE的侵染,占所采集样本的50.00%。

2.4 三个采样地AMF和DSE同时侵染的状况

三个采样地分别采集的30种植物样本中,有12个样本检测到有AMF和DSE同时侵染(表4,图1),占总采集样本的40%。其中,菊科(Asteraceae)苣荬菜(SonchuswightianusDC.),禾本科(Gramineae)玉米(ZeamaysL.),唇形科(Lamiaceae)牛至(OriganumvulgareL.)的AMF侵染率较高;菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)荩草(ZeamaysL.)DSE侵染率较高,其余的植物样本的侵染率普遍较低。数据显示,在三个采集地中菊科在所有植物样本中AMF、DSE的总侵染率最高,可成为修复重金属土壤的优势科。

3 讨 论

3.1 AMF对植物的影响及其在矿区生态重建中的作用

国内外研究发现,AMF在生态系统中的作用广泛,可与自然界约90%的陆地植物体结合成有益的共生体,通过影响土壤中其他微生物的生长代谢来改善重金属土壤,达到提高土壤养分,促进植物生长发育的作用[15]。当AMF菌根寄生于植物体后,AMF可以将重金属聚集在植物的丛枝、菌丝和孢子内,同时稀释植物体内的重金属含量,逐渐改善植物营养体系及增强植株对重金属的耐受性[11]。其中,AMF通过自身的外部菌丝网络来对土壤团聚体进行改善,提高土壤孔隙度和土壤空气系统,达到稳定土壤结构的作用,从而提高植物根系对养分的汲取,来促进植物根系的发育[16]。并且AMF能够有效地产生根内和根外菌丝体,进一步增加植物根系的表面积,提高运输、利用营养和水分的效率[17]。AMF虽然没有宿主专一性,但宿主植物对AMF具有一定的选择性和亲和性。

本研究发现,采矿会破坏土壤原本的性能,土壤的退化对AMF群落的生长有一定的负面影响,造成土壤中菌根数量的减少[1]。在三个重金属矿区废弃地共同采集的14个科,30种植物样本中有12种检测到被AMF侵染(表4),占所采集样本的40.00%,其中小檗科华东小檗为优势科;由此说明一定浓度的重金属污染不能抑制该地区AMF与植物形成共生关系,既体现出AMF具有抗重金属毒害的能力,也表明其在一定浓度的重金属土壤中有利于植物提高耐受性和适应性,这一点与Riaz等[18]的研究结果一致。

在三个矿区检测出被AMF侵染的植物都属于被子植物,有研究显示被子植物根系性状具有很强的系统发育保守性。在Valverde-Barrantes等[19]的研究中也指出植物系统发育的相关性对于预测菌根定殖是非常重要的,并认为能够控制真菌定殖程度的主要因素是植物系统的发育关系、根系性状的养分差异以及植物养分的需求。此外,根形态也会在一定的程度上控制AMF的侵染能力,衍生出更多的植物类群。在Zhang等[20]的研究中也表明了种内根系的互作对于提高AMF的物种丰富度有非常显著的作用,还能进一步提高菌根和丛枝的定殖量。

3.2 DSE对植物的影响及其在矿区生态重建中的作用

DSE能促进寄主植物对于矿体物质和有机营养物质的吸收和转化能力,保持植物体生长需要的养分和水分,并通过激活植物体的生理生化反应来提高植物体对生物和非生物胁迫的耐受性以及自身的抗病毒性[5]。对DSE研究发现当寄主植物中菌丝定殖率高时,可促进植物对所需营养物质进行汲取利用,帮助植物在冬季抵御寒冷,这与毕银丽等[21]的结论一致。Xie等[22]的研究表明,DSE能与植物体形成一种根真菌共生关系,改变寄主的菌根关系,促进DSE与AMF的联合接种;并且植物体内DSE的含量对植物的作用会有不同的表达:当DSE密度较低时,植物体内AMF和DSE的相互协同作用较好;当DSE为中、高密度时,AMF和DSE就可能会存在一定的竞争关系。DSE对增强植物在不利环境中的耐受性和抵御病原菌等方面具有潜在作用[16]。

本研究在云南省会泽县铅锌矿区和个旧市老厂矿山及冶炼厂农田废弃地所采集的14个科,30种植物样本中有12种检测到被DSE侵染(表4),占所采集样本的40.00%,表明DSE能与具有重金属耐受性的植物共生,这与梁昌聪等[23]研究的结果一致。DSE的侵染率不会因为土壤中重金属含量的增加而被抑制,反而重金属含量的升高在一定程度上对DSE的定殖具有积极作用,由此说明DSE在高浓度重金属土壤中可以发挥更重要的作用[24]。但DSE的确切生态学作用并不清楚,有待深入研究。本课题的调查正是为进一步研究有关AMF、DSE的生态学作用提供基础数据。

三个采样地均为菊科、禾本科植物样本的DSE侵染率较高,且都属于被子植物,这可能是因为被子植物的根系性状具有较强的系统发育保守性。在重金属较高的土壤中,DSE是通过限制根与地上部分之间重金属离子的迁移以及增加植物的叶绿素浓度和蒸腾速率来促进植物的生长,DSE还可以合成多种抗氧化酶,提高植物根茎中抗氧化酶的活性,防止在重金属的胁迫下对植物的氧化损害。其中,在玉米中接种DSE菌株,DSE能在宿主和土壤环境中形成一个运输管道,增加宿主植物和土壤的接触面积,DSE分泌的酶能将土壤中的有机氮和难溶性磷转化为可利用的营养物质。在这样的条件下,DSE能有效地增强玉米的光合作用,保持激素平衡,在促进玉米生长发育的过程中还能降低玉米叶片中的重金属含量,并且在宿主和微生物的共同作用下提高植物对重金属的耐受性。研究还表明,DSE对草本植物和禾本科植物的促生作用远大于灌木和乔木[25]。

3.3 AMF和DSE与植物的共生关系在矿区生态环境修复中的作用

内生菌与植物间的相互协作被广泛用于重金属污染土壤的修复工作,内生菌的耐金属性可以有效降低金属对植物的毒害,还能促进重金属的转运[26]。有报道指出,AMF和DSE的协作与宿主植物之间会形成非致病性关系,所以可以利用AMF、DSE和植物根际微生物本身的生命活动来挖掘复垦基质的潜在肥力,加速植被恢复,改善矿区生态环境,向生态重建方向转化,使生态系统不断地持续发展[27]。本研究发现在三个采集地中菊科为所有植物样本中AMF、DSE总侵染率最高的,这与Zhang等[28]的研究结果一致,菊科植物自身的繁殖能力强、对各种环境能够快速地适应,并且对其他的植物还有一定的化感作用;其次,菊科植物还能有效促进AMF种群的生长以及增加土壤中AMF的多样性。因此,应对AMF和DSE联合接种进行深入研究,筛选修复重金属土壤的优良植株,为进一步提高矿区生态治理和生态重建提供理论基础。

4 结 论

AMF和DSE普遍存在于铅锌矿废弃山地与冶炼厂周边废弃农田植物的根部,说明一定浓度的重金属污染下,AMF和DSE对植物的侵染不受重金属影响;且在AMF、DSE大量共生的植物中,菊科的侵染率普遍高于其他科,这表明该类植物与AMF、DSE形成共同体,具有很强的抗重金属毒害能力,也体现出这种共生关系有利于植物对重金属形成耐受性和适应性。综上所述,AMF和DSE与植物的共生关系对矿区环境修复、生态恢复以及维持生态系统的持续稳定有重要作用。