納米ZnO-AM真菌對(duì)玉米的生物效應(yīng)及作用機(jī)理研究.pdf

1、我國納米ZnO的生產(chǎn)規(guī)模每年已經(jīng)超過1萬噸。隨著納米ZnO的廣泛應(yīng)用，納米ZnO在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等過程中將不可避免的通過各種途徑進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，長期累積達(dá)到一定濃度水平后對(duì)土壤-植物系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？目前尚不清楚。鋅是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，但過量會(huì)對(duì)植物造成毒害，因此，有必要研究納米ZnO在土壤中對(duì)植物的生物效應(yīng)。
　　納米ZnO因具有良好的抗菌性能，對(duì)多種微生物都具有毒性作用；叢枝菌根（AM）真菌是廣泛存在于土壤中

2、的微生物，它既能幫助植物獲得營養(yǎng)、促進(jìn)植物生長，還存在對(duì)重金屬耐受性的潛在機(jī)制，避免重金屬在植物體內(nèi)的過量累積。當(dāng)過量納米ZnO進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)后， AM真菌與納米ZnO對(duì)植物生長發(fā)育具有怎樣的互作效應(yīng)？AM真菌能否緩解高濃度納米ZnO對(duì)植物的生長脅迫？其緩解機(jī)理是什么？迄今未見相關(guān)的研究報(bào)道。
　　本文首先采用土培試驗(yàn)，研究了(1)不同濃度納米ZnO對(duì)玉米的生物效應(yīng)，明確了納米ZnO對(duì)玉米產(chǎn)生刺激/毒害的濃度水平，并從營養(yǎng)生理角

3、度分析了高濃度納米ZnO對(duì)玉米生長毒害的機(jī)理。（2）納米ZnO與AM真菌交互作用對(duì)玉米的生物效應(yīng)，并從營養(yǎng)生理角度分析了AM真菌緩解納米ZnO植物毒害的機(jī)理；（3）通過對(duì)玉米葉片和根細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)觀測(cè)，以及基因表達(dá)測(cè)定，分別從亞細(xì)胞水平和分子水平探討了高濃度納米ZnO對(duì)玉米的毒害機(jī)理以及AM真菌的緩解機(jī)制；最后，結(jié)合有機(jī)肥，探討了有機(jī)肥和AM真菌協(xié)同對(duì)納米ZnO植物毒害效應(yīng)的調(diào)控。主要研究結(jié)果如下：
　　1.納米ZnO對(duì)玉米的生物

4、效應(yīng)
　　在土壤盆栽條件下，研究了不同濃度納米ZnO（0、100、200、400、800、1600、3200 mg/kg）對(duì)玉米的生物效應(yīng)及其在土壤中的生物有效性。結(jié)果表明：（1）納米ZnO在0-3200 mg/kg濃度范圍內(nèi)，對(duì)玉米產(chǎn)生了從刺激到中性再到毒性的作用。當(dāng)納米ZnO＜400 mg/kg時(shí)，促進(jìn)玉米生長，≥800 mg/kg時(shí)毒害玉米的生長，且毒害作用隨納米ZnO濃度的增加而加強(qiáng)。（2）納米ZnO與ZnSO4一樣具有較

5、高的生物有效性，在土壤中能釋放出Zn2+或其它可交換態(tài)鋅被作物吸收利用。（3）高濃度的納米ZnO通過以下幾種方式對(duì)玉米的生長發(fā)育造成毒害：①抑制玉米根系的生長，降低玉米的根系活力，減少玉米植株的礦質(zhì)元素吸收；②降低玉米葉片的光合色素含量，影響玉米的正常光合作用，從而抑制玉米的生長；③誘導(dǎo)玉米植株細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基（ROS）含量的增加，超出植物體內(nèi)抗氧化體系的應(yīng)激能力，從而對(duì)植物的細(xì)胞造成過氧化損傷；④增加玉米植株體內(nèi)的鋅濃度，超出植物

6、自身對(duì)鋅的需求，從而造成植物毒害。
　　2. AM真菌能緩解納米ZnO對(duì)玉米的生物脅迫
　　在溫室培養(yǎng)條件下，研究了地表球囊霉（Glomus versiforme）和蘇格蘭球囊霉（Glomus caledonium）2種AM真菌對(duì)納米ZnO脅迫下（400、800、1600、3200 mg/kg）玉米生長發(fā)育的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）高劑量的納米ZnO（＞400 mg/kg）對(duì)土壤中的AM真菌具有毒害效應(yīng)，并且隨著納米ZnO劑量

7、的加大，毒害效應(yīng)加強(qiáng)，AM真菌對(duì)玉米根系的侵染率顯著下降。（2）兩種AM真菌對(duì)納米ZnO的毒害作用均具有較好的忍耐性，在3200 mg/kg的納米ZnO劑量下，仍然能較好的侵染玉米根系（侵染率＞40％），且后者忍耐性更強(qiáng)。（3）兩種AM真菌均能能有效緩解高濃度納米ZnO脅迫引起的玉米生長不良效應(yīng)。接種AM真菌增加了玉米葉綠素含量、抗氧化體系酶活性，促進(jìn)了玉米對(duì) N、P、K、Ca、Mg、Fe的吸收，顯著降低玉米對(duì)Zn的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)

8、，避免了過量Zn在地上部的富集，從而有效緩解了納米ZnO的生物脅迫，顯著促進(jìn)了玉米的生長發(fā)育。（4）AM真菌可通過以下幾種機(jī)制緩解納米 ZnO的植物毒害效應(yīng)：①誘導(dǎo)植物體內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化體系酶活性的增加，減少細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化，降低細(xì)胞的過氧化損傷。②促進(jìn)植物生長，增加生物量，對(duì)植物體內(nèi)鋅元素產(chǎn)生“稀釋效應(yīng)”，降低植物體內(nèi)的鋅濃度，減輕納米ZnO對(duì)植物的毒害效應(yīng)。③把較多的鋅固定在根系，減少鋅由根系向地上部的運(yùn)輸，調(diào)整鋅

9、在根系和地上部的分配比率，降低鋅在植物地上部的累積，降低納米ZnO毒害作用。④形成的菌根向土壤中分泌了一定數(shù)量的GRSP，GRSP可能與一部分Zn相結(jié)合，起到了固持作用，降低納米ZnO生物有效性。
　　3.納米ZnO與AM真菌對(duì)玉米細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響
　　在納米ZnO脅迫（1600 mg/kg）和接種AM真菌（Glomus versiforme）條件下，利用透射電鏡和能譜分析法，從亞細(xì)胞水平研究了納米ZnO和AM真菌對(duì)玉米細(xì)胞超

10、微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）高濃度納米ZnO脅迫下，玉米葉片細(xì)胞和根細(xì)胞結(jié)構(gòu)均遭到嚴(yán)重?fù)p傷：葉片細(xì)胞部分破碎，細(xì)胞壁扭曲變形破裂，細(xì)胞核、線粒體腫脹，葉綠體及內(nèi)部基粒片層破碎降解；根細(xì)胞出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)壁分離現(xiàn)象，細(xì)胞壁、液泡扭曲變形，細(xì)胞質(zhì)凝聚成團(tuán)。（2）接種AM真菌顯著降低了玉米葉片細(xì)胞和根細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷程度：玉米葉片細(xì)胞較完整沒有破碎，細(xì)胞壁變薄沒有斷裂，葉綠體腫脹變形但沒破碎；根細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象減輕，細(xì)胞壁僅輕微扭曲變形，線粒體僅

11、輕微膨脹，能看到細(xì)胞質(zhì)里面分布的一些細(xì)胞器。（3）高濃度納米ZnO脅迫下，玉米體內(nèi)Zn濃度顯著增加，并且在玉米葉片和根細(xì)胞內(nèi)觀測(cè)到大量納米ZnO顆粒，這一方面破壞了玉米葉片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，損害葉片細(xì)胞內(nèi)的葉綠體，使葉綠素含量降低，從而使光合作用下降，光合產(chǎn)物減少；另一方面破壞玉米根細(xì)胞，減少了玉米植株對(duì)水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收；二者共同抑制了玉米植株的生長發(fā)育，造成植物毒害，這是納米ZnO產(chǎn)生植物毒害的一個(gè)重要機(jī)制。（4）高濃度納米Zn

12、O脅迫下，接種AM真菌，降低了植株體內(nèi)Zn濃度，減輕了納米ZnO對(duì)玉米葉片細(xì)胞和根細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷，使葉片細(xì)胞內(nèi)的葉綠體相對(duì)完整，葉綠素含量升高，從而使光合作用增強(qiáng)；增強(qiáng)了根系活力，增加了根系對(duì)水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，從而效緩解了納米ZnO對(duì)玉米的毒害，這是AM真菌緩解納米ZnO生物脅迫重要機(jī)制。
　　4.基于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的納米ZnO與AM真菌對(duì)玉米基因表達(dá)譜的影響
　　本研究利用1CK（正常生長）、2CKM（正常生長

13、接種AM真菌）、3nZnO（1600 mg/kg納米ZnO脅迫）、4 nZnOM（1600 mg/kg納米ZnO脅迫下接種AM真菌）4個(gè)處理，采用RNA-Seq技術(shù)分析了納米ZnO和AM真菌對(duì)玉米葉片中基因表達(dá)差異的情況，結(jié)果表明：（1）通過基因表達(dá)注釋和轉(zhuǎn)錄組比較分析，共篩選出3486條在納米ZnO脅迫后發(fā)生差異表達(dá)的基因，其中2111條表達(dá)上調(diào)，1375條表達(dá)下調(diào)。共篩選到1477條在納米ZnO脅迫下接種AM真菌后發(fā)生差異表達(dá)的基因

14、，其中592條表達(dá)上調(diào)，885條表達(dá)下調(diào)。（2）納米ZnO脅迫下，玉米的差異表達(dá)基因主要集中在幾個(gè)主要的生物學(xué)途徑：“代謝通路”、“次生代謝物的生物合成”和“光合作用天線蛋白”等，這些途徑受到納米ZnO的影響最為明顯，因此可能是脅迫玉米生長的主要生理原因。（3）接種AM真菌后，發(fā)生變化的一些代謝途徑與納米ZnO脅迫比較一致，但在這些生物學(xué)途徑中表達(dá)的差異基因數(shù)量明顯減少了，因此AM真菌可以緩解納米ZnO對(duì)這些生物學(xué)途徑的損傷，從而緩解納

15、米ZnO對(duì)玉米的脅迫效應(yīng)。
　　5.有機(jī)肥與AM真菌協(xié)同對(duì)納米ZnO植物毒害效應(yīng)的調(diào)控
　　利用土壤盆栽法，研究了在納米ZnO脅迫下（1600 mg/kg），施用有機(jī)肥（0、1%、5%、10%）、有機(jī)肥+接種AM真菌對(duì)玉米生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明：（1）有機(jī)肥、有機(jī)肥+AM真菌均可有效緩解納米ZnO的植物毒性，且有機(jī)肥+AM真菌的協(xié)同作用效果優(yōu)于單施有機(jī)肥。（2）高濃度納米ZnO脅迫下，施用有機(jī)肥降低了玉米對(duì)Zn的吸收，能有