AM 真菌和铅处理对镧胁迫下玉米生长和镧吸收的影响

郝利君，潘 亮，郝百惠，许 静，周昕南，杨 亮，刁风伟，郭 伟

（内蒙古大学生态与环境学院，蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室，内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，呼和浩特 010021）

稀土被誉为“工业维生素”和“新材料之母”，广泛用于国内外高新技术领域，是我国的优势资源。然而，稀土开采过程浸出、酸沉等工序会产生大量重金属污染物，同时也活化了土壤中原有的重金属，导致了严重的稀土-重金属复合污染的土壤环境问题[1]。调查显示，内蒙古白云鄂博稀土尾矿区土壤中稀土La（11 145 mg·kg-1）和重金属 Pb（323 mg·kg-1）的最大浓度分别为内蒙古土壤背景值的340倍和22倍[2-3]。福建省长汀县稀土矿区土壤中稀土元素（242.92 mg·kg-1）和重金属元素Pb（78.4 mg·kg-1）平均浓度均显著高于福建省土壤背景值[4-5]。重金属和稀土在土壤中富集可导致耕地退化、粮食减产、饮用水污染、水体生态系统破坏，并可通过食物链、呼吸、皮肤等途径进入人体[1]。稀土La会导致神经系统损伤，儿童智力低下，可致基因毒性遗传下一代[6]；重金属Pb会导致呼吸系统疾病、神经系统紊乱、心血管疾病等人体健康问题[7]。研究表明，稀土矿区某些蔬菜对土壤中重金属与稀土具有较高的积累能力，可导致人体血液中稀土和重金属含量超标，产生严重的健康风险[4-5]。因此，稀土-重金属复合污染土壤的修复是我国急需解决的土壤环境问题之一。

植物修复是一种应用前景广阔的污染土壤修复技术，在微生物的协助下效果更为显著。丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌可与自然界80%以上的陆生植物形成互惠共生体[8]，可增加根的吸收面积和改变根的形态，提高矿质营养元素从外部环境向植物体内的转运，提高宿主植物对生物和非生物胁迫的耐受性[9]。研究表明，AM真菌可影响植物对La[10]或Pb[11]的吸收，降低稀土或重金属的植物毒性，具有提高重金属-稀土复合污染土壤植物修复的潜在作用[12]。此外，植物对于某种元素的吸收常会受到其他共存元素的影响。张玲等[13]研究发现，根施20 mg·L-1La可使500 mg·L-1Pb胁迫下大蒜幼苗根和茎叶中Pb浓度分别降低35.8%和51.4%。王起凡等[14]研究表明，200 mg·kg-1Pb胁迫下，随着La浓度的增加（50、200 mg·kg-1和800 mg·kg-1），玉米地上部和根部Pb浓度分别显著增加了52.61%～99.01%和15.99%～44.34%。目前，相关研究主要集中于稀土对植物吸收重金属及缓解其毒害作用的影响，而重金属对植物吸收稀土元素及其毒害作用的影响研究却鲜见报道。复合污染元素间的交互作用可通过改变元素间的生物可利用性、植物毒性、根际微生物环境与植物生长等影响植物-微生物联合修复土壤的效果[15-17]。因此，研究重金属-稀土复合污染条件下，AM真菌在植物修复中的影响因素及作用机理有着十分重要的科学意义和实际应用价值。

本研究选用Glomusversiforme（G.versiforme）和玉米（Zea mays L.）作为供试AM真菌及植物，采用温室盆栽试验的方法，模拟稀土La污染土壤（500 mg·kg-1），同时添加不同浓度的重金属Pb（0、50 mg·kg-1和400 mg·kg-1），研究接种AM真菌和不同浓度Pb处理对玉米生长、营养元素吸收、重金属Pb和稀土La吸收转运等的影响，探索在重金属-稀土复合污染土壤中，AM真菌和重金属对植物吸收、转运稀土的影响，为植物-微生物联合修复污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 培养基质

采集内蒙古呼和浩特市无污染苗圃土作为供试土壤（40°48′N，111°43′E），理化性质如表1所示，经自然风干过2 mm土壤筛后备用。根据我国稀土矿区周围土壤中稀土La和重金属Pb实际浓度范围，并结合《国家土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）和研究目的，设计试验中La和Pb的浓度[2，18-19]。向土壤中添加硝酸镧[La（NO3）3·6H2O]溶液和硝酸铅[Pb（NO3）2]溶液以模拟不同程度La-Pb复合污染土壤，使其稀土La浓度（以干土计）为500 mg·kg-1，重金属Pb的浓度分别为0、50 mg·kg-1和400 mg·kg-1，并向其中加入相应量的硝酸铵（NH4NO3）溶液以平衡因Pb（NO3）2加入量不同所造成的处理间氮素背景差异。为保证植物生长期间的养分供给，向模拟复合污染土壤中加入基础肥料：30 mg·kg-1P、4.5 mg·kg-1Mg、0.009 35 mg·kg-1Mo、3.42 mg·kg-1Mn、1.23 mg·kg-1Zn、71.5 mg·kg-1K、0.54 mg·kg-1Cu、20.4 mg·kg-1Ca。将土壤基质混合均匀，在18～21℃、田间持水量为80%条件下老化两周后高压蒸汽灭菌（121℃，2 h），以去除土著AM真菌和其他微生物的影响，室温风干后使用。

1.2 供试植物和菌种

选用菌根模式植物玉米（高优1号）作为供试植物（种子在内蒙古农牧科学研究院采购）。挑选颗粒饱满、大小均匀的种子，进行表面消毒，催芽露白后播种。选取地表球囊霉（Glomus versiforme，BGC GD01C，1511C0001 BGCAM0031）作为供试AM真菌（购买于北京市农林科学院），以玉米和白三叶草（Trifolium re⁃pensL.）为宿主植物在砂土比为1∶1的灭菌土壤中扩繁4个月后获得的内含菌丝、真菌孢子以及植物根段等繁殖体的根际砂土混合物作为接种物，扩繁后菌剂Glomusversiforme孢子浓度为310个·10 g-1。

1.3 试验设计

本试验在内蒙古大学玻璃温室内通过生物学盆栽法实施完成。设置3种程度的La-Pb复合污染土壤基质：500 mg·kg-1La+0 mg·kg-1Pb（La500Pb0）、500 mg·kg-1La+50 mg·kg-1Pb（La500P50）、500 mg·kg-1La+400 mg·kg-1Pb（La500Pb400）；每种土壤基质设不接种对照CK和接种丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）G.versiforme，共6个处理，每个处理6个重复，共计36盆，随机排列。每盆装2 kg老化灭菌后土壤，采用混接法接种AM真菌，每盆加菌剂50 g，对照处理采用相同方法加入等量的灭菌菌剂，混匀后装入内衬消毒封口袋的塑料花盆中，上口径为16.5 cm、下口径为10.5 cm、高度为13 cm。每盆播种催芽露白的玉米种子8颗，7 d后间苗，保留3株大小一致的幼苗。植物在温室生长期间自然采光，白天温度在20～35℃，夜间温度在10～20℃，相对湿度在20%～70%，每日定时浇去离子水使土壤含水量保持在田间最大持水量的80%，并定期随机更换花盆的位置。

1.4 样品制备及分析测定

玉米生长60 d后收获，植物样品用蒸馏水冲洗后于70℃烘箱中烘干，记录地上部和根部干质量。取新鲜根1.0 g左右，在乳酸甘油溶液中用0.05%台盼蓝染色后，使用根段频率法计算菌根侵染率。植物地上部和根部C和N元素含量使用元素分析仪（Vario ELIII，CHNOS Elemental Analyzer，Elementar Co Ger⁃many）测定。烘干植物样品采用优级纯浓HNO3开放式消煮后，分别使用电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS，DRCE，PerkinElmer USA）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Optima 7000DV，PerkinElmer USA）测定植物中La、Pb和P、K、Ca、Mg的浓度。

1.5 数据分析

所有数据利用Excel 2013计算平均值和标准误差，使用SPSS17.0软件Duncan法分析不同处理间的差异显著性（P＜0.05），对非正态分布的菌根侵染率经过反正弦转换后再进行分析。利用双因素方差分析AM真菌、Pb浓度及二者的交互作用对测定指标的影响，利用OriginLab 2017软件绘制柱状图。

La或Pb转运率=地上部吸收La或Pb的总量/（地上部+根部吸收La或Pb的总量）

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physico-chemical properties of the soil

2 结果与分析

2.1 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米菌根侵染率和生物量的影响

接种AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米菌根侵染率的影响如图1所示。不接种对照CK处理，玉米根系中未观察到菌根真菌的侵染，而接种AM真菌G.versiforme与玉米建立了良好的菌根共生关系，平均菌根侵染率为20.8%～35.9%。与La500Pb0相比，La500Pb400处理使得玉米根系菌根侵染率显著降低了42%（P＜0.05），La500Pb50处理无显著性差异。双因素分析表明，接种AM真菌和Pb处理的交互作用对菌根侵染率无显著影响（P＞0.05）。

图1 Pb处理对La胁迫下玉米菌根侵染率影响Figure 1 Effect of Pb treatments on mycorrhizal colonization of maize grown in La-contaminated soil

接种AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米生物量的影响如表2所示。不接种AM真菌处理组，与La500Pb0相比，La500Pb400处理使得玉米地上部、根部和总干质量分别降低了25.8%、14.3%和24.4%，但没有达到显著性差异水平（P＞0.05）（表2）。接种AM真菌处理组，与La500Pb0相比，La500Pb50处理使得玉米地上部和总干质量分别显著增加了27.5%和26.4%，La500Pb400处理使得玉米地上部和总干质量分别显著降低了27.9%和26.1%（P＜0.05）。与不接种对照CK相比，接种AM真菌使3种处理玉米植株地上部干质量、根部干质量、总干质量分别显著增 加 了 61.7%～116.4%、127.8%～227.8% 和 70.7%～128.2%（P＜0.05）。双因素分析表明，接种AM真菌和Pb处理的交互作用对玉米总干质量具有显著影响（P＜0.01）。

2.2 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米营养元素吸收的影响

接种AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米N、P、K、Ca和Mg吸收的影响如表3所示。不接种AM真菌处理组，与La500Pb0相比，La500Pb50和La500Pb400处理对玉米地上部和根部N、P、K、Ca和Mg含量均无显著影响（P＜0.05）。接种AM真菌处理组，与La500Pb0相比，La500Pb400处理使得玉米地上部N和Mg含量分别降低32.4%和27.5%；与La500Pb50处理相比，La500Pb400使得玉米地上部N、P、K、Mg含量降低了37.3%～44.2%，玉米根部N、K、Ca和Mg含量降低了27.3%～38.2%（P＜0.05）。与不接种对照CK相比较，接种AM真菌使3种处理玉米地上部和根部N、P、K、Ca和Mg含量分别显著增加30.2%～211.9%和97.9%～467.1%（P＜0.05）。双因素分析表明，接种AM真菌和Pb处理的交互作用对玉米地上部和根部矿质营养元素的吸收无显著性影响（P＞0.05）。

表2 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米生物量影响（g·pot-1）Table 2 Effect of AMfungiand Pb treatments on biomass of maize grown in La-contaminated soil（g·pot-1）

2.3 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米植株Pb和La吸收、转运的影响

接种AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米地上部、根部Pb和La浓度、转运率的影响如图2和表4所示。无论是否接种AM真菌，随着土壤中Pb浓度的增加玉米地上部和根部Pb浓度逐渐增加，仅La500Pb400和La500Pb0处理相比有显著性差异；不接种AM真菌处理组，La500Pb50与La500Pb0处理相比Pb由根部向地上部的转运率显著增加了56.6%。与不接种对照CK相比，接种AM真菌使La500Pb400处理玉米地上部和根部Pb浓度分别显著降低了42.6%和28.2%（P＜0.05）。

不接种AM真菌处理组，与La500Pb0相比，La500Pb400处理使得玉米的地上部La浓度显著降低73.3%，根部La浓度显著增加101.2%，La由根部向地上部的转运率显著降低83.5%（P＜0.05）。接种AM真菌处理组，不同处理间玉米地上部和根部La浓度均无显著性差异，La500Pb50与La500Pb0处理相比显著增加了La的转运率（P＜0.05）。与不接种CK相比，接种AM真菌使La500Pb0处理玉米植株地上部La浓度显著降低52.8%；使La500Pb400处理地上部La浓度显著增加110.5%，根部La浓度显著降低41.9%；使La500Pb0和La500Pb50处理玉米植株La的转运率分别显著降低了59.2%和28.6%，使La500Pb400处理La的转运率显著增加了147.2%（P＜0.05）。双因素分析表明，接种AM真菌和Pb处理的交互作用对玉米地上部和根部La浓度、地上部Pb浓度以及La、Pb的转运率均有显著的影响（P＜0.05）。

表3 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米地上部和根部N、P、K、Ca和Mg含量的影响（mg·pot-1）Table 3 Effect of AM fungi and Pb treatments on shoot and root N，P，K，Ca and Mg contentsof maize grown in La-contaminated soil（mg·pot-1）

图2 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米植株地上部和根部Pb和La浓度的影响Figure 2 Effects of AMfungiand Pb treatments on shoot and root Pb and La concentrations of maize grown in La-contaminated soils

表4 AM真菌和Pb处理对La胁迫下玉米植株中La和Pb转运率的影响（%）Table 4 Effects of AM fungi and Pb treatments on La and Pb transport rate of maize grown in La-contaminated soils（%）

3 讨论

3.1 菌根侵染率

研究表明，AM真菌具有适应不同环境条件的生理和遗传特征，但高浓度污染物对AM真菌仍有抑制作用[20]，可通过抑制丛枝菌根真菌孢子萌发和菌丝伸长、阻碍丛枝菌根真菌侵染合适的根系和阻断丛枝菌根的定植过程等降低菌根侵染率[21]。本研究结果显示，在不同程度的La-Pb复合胁迫下，接种AM真菌G.versiforme的玉米根系平均菌根侵染率为20.8%～35.9%，说明G.versiforme对重金属Pb和稀土La均具有一定的耐受性和适应性。已有研究显示100 mg·kg-1La胁迫下接种C.etunucatum玉米的菌根侵染率为26.48%，和本研究结果相类似[12]。另外，结果显示随着Pb浓度的增加菌根侵染率显著降低，表明在La胁迫下更高浓度的Pb抑制了G.versiforme对玉米根系的侵染。研究已证实，重金属Pb可抑制孢子萌发和菌丝生长，在3 456.2 mg·dm-3和4 157.6 mg·dm-3Pb污染的土壤中，AM真菌的孢子密度和丰富度显著低于自然土壤（70.9 mg·dm-3Pb）[22]。

3.2 生物量

研究表明，低浓度的稀土可减轻重金属对植物的毒害作用，而高浓度的稀土则和重金属产生协同毒害作用[17]。然而，重金属对稀土胁迫下植物生长及毒害作用的影响研究还很少。本研究结果显示，在La胁迫下不接种时低浓度Pb处理对玉米的生长无显著影响，而接种AM真菌时低浓度Pb处理显著改善了玉米的生长，缓解了La对玉米的毒害作用。结果表明，AM真菌的共生改变了低浓度Pb对稀土La植物毒性的影响，可能与接种AM真菌时La500Pb50与La500Pb0相比具有更高的La转运率，而不接种时具有更高Pb的转运率有关。研究显示，稀土La可通过促进重金属转运蛋白的表达、促进植物抗氧化酶（如SOD、CAT、AsA-POD）的合成以及激活Ca2+通道或更多酶参与解毒过程等减轻重金属胁迫，促进植物的生长[17，23]。另外，本研究结果显示高浓度重金属Pb加剧了稀土La对植物生长的毒害作用，可能主要是因为La500Pb400与La500Pb0处理相比，显著增加了玉米对Pb的吸收积累。研究显示，Pb胁迫可抑制根尖细胞的分裂，影响根系生长；降低植株叶绿素含量，影响植物的光合作用；诱导产生活性氧（ROS）导致蛋白质、核酸和脂类的氧化损伤[24]。在不同程度的La-Pb复合胁迫下，接种AM真菌均显著促进了玉米的生长，缓解了La和Pb复合胁迫对植物的毒害作用，可能与AM真菌改善了玉米矿质营养状况，降低了对La和Pb的吸收积累有关。常青等[25]研究发现，接种AM真菌C.etunicatum和R.intraradices显著地促进了La-Pb复合污染（La200Pb200、La800Pb800）土壤中玉米的生长，认为与AM真菌显著增加P的吸收，降低植株C∶P和N∶P有关。已有研究表明，AM真菌可通过促进植物养分吸收，影响重金属的吸收和解毒作用，调节抗氧化系统相关基因的表达，来帮助寄主植物抵抗重金属胁迫的毒害[26]。

3.3 矿质营养吸收

矿质元素是植物体组成成分，也是植物维持正常生理活动所必需的营养元素，如N、P、K、Ca和Mg元素[27]。然而，过量的重金属离子会通过与矿质元素离子竞争载体结合位点的方式影响植物对矿质元素的吸收与转运，对植物的生长产生毒害作用[28]。本研究显示，La胁迫下随着Pb浓度的增加使玉米矿质营养元素含量降低，但未达显著性水平。接种AM真菌使得玉米植株营养元素N、P、K、Ca、Mg含量显著提高，表明AM真菌可显著改善不同程度La-Pb复合胁迫下玉米的营养状况。在逆境环境中，AM真菌可促进宿主植物对矿质营养元素的吸收，从而提高植物的抗逆性已被众多研究所证实[29]，其机制主要是通过增加矿质元素吸收面积或者活化、开发新磷源的方式增加养分供应[30-31]。

3.4 Pb和La的吸收、转运

植物对重金属的吸收和积累经常受到其他元素的影响，研究已表明稀土可显著地影响植物对重金属的吸收和迁移富集，并受稀土浓度、种类、土壤环境因素和植物品种、生长状况等因素的影响[17]。Wang等[32]研究发现，低浓度的稀土Ce（20 mg·L-1）可使幼苗期的辣根（Armoracia rusticana）地上部和根部Pb浓度显著降低16.1%和25%，而高浓度稀土Ce（300 mg·L-1）则使辣根地上部和根部Pb浓度显著升高32.3%和75%，生殖生长阶段的辣根具有相同的趋势，而旺盛生长阶段Ce处理均使得辣根地上部和根部Pb浓度显著降低。熊双莲等[33]采用溶液培养试验发现，溶液中La＜1.0 mg·L-1时，10 mg·L-1和100 mg·L-1Pb处理使得雪菜（Brassica juncea var.crispifolia）中La从根部向地上部的转运率显著降低，溶液中La为5 mg·L-1时，100 mg·L-1Pb处理使得雪菜根部La的浓度仅为5 mg·L-1La单独处理的21%，且La从根部向地上部的转运率升高266.7%，进一步的研究显示La和Pb在根细胞壁中可能存在竞争作用。Chang等[12]研究发现，无论是否接种AM真菌，5 mg·kg-1Cd均可使100 mg·kg-1La胁迫下玉米地上部和根部La浓度显著降低52.9%～91.2%，而仅在不接种AM真菌时使得La的转运率显著增加，由于Cd和La具有相似的离子半径，推测可能是Cd通过占据阳离子结合位点抑制La进入根细胞。本研究显示，不接种AM真菌时，高浓度Pb处理使玉米地上部La浓度显著降低73.3%，根部La浓度显著增加101.2%，La由根部向地上部的转运率显著降低，低浓度Pb处理对玉米植株La浓度和转运率均无显著影响；而接种AM真菌时，仅低浓度Pb处理使得玉米La的转运率显著增加，表明AM真菌的共生显著改变了Pb对植物吸收和转运La的影响。已有研究结果表明，重金属对于植物稀土元素吸收、转运的影响不仅与环境介质中重金属的浓度、种类有关，AM真菌和植物根系共生也是影响其作用的关键因素之一。目前，重金属对植物吸收、积累和转运稀土元素的影响因素和作用机制尚不明确，应进一步开展深入研究。

4 结论

（1）在500 mg·kg-1La胁迫下，400 mg·kg-1Pb处理显著降低了玉米根系菌根侵染率；接种AM真菌时，50 mg·kg-1Pb处理显著缓解了La胁迫对玉米的毒害作用，AM真菌共生改变了低浓度Pb对稀土La植物毒性的影响；无论是否接种AM真菌，400 mg·kg-1Pb处理均增加了La胁迫对玉米的毒害作用。

（2）不接种AM真菌时，400 mg·kg-1Pb处理显著降低了玉米地上部La浓度和转运率，显著增加了根部La浓度；接种AM真菌时，50 mg·kg-1Pb处理显著增加了La的转运率，AM真菌共生显著改变了Pb对玉米吸收和转运La的影响。

（3）接种AM真菌显著改善了La胁迫下玉米植株的矿质营养元素含量，显著影响了玉米对于重金属Pb和稀土La的吸收、转运。