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为解决尾矿中铜污染及植物修复效率低的问题，贵州大学研究人员开展 AMF 对香根草耐铜性影响的研究。结果发现 AMF 能提升香根草耐铜性。该研究为尾矿生态修复提供新思路，强烈推荐科研读者阅读。
在大自然的 “舞台” 上，尾矿（采矿活动和矿物加工产生的废弃物）的大量堆积正引发一系列严重问题。据调查，2020 年我国工业固体废物产量超 30 亿吨 / 年，且尾矿产量约占工业废弃物总量的 80%，总储量超 600 亿吨。这些尾矿含有众多金属元素，就像隐藏在生态系统中的 “定时炸弹”，其中过量的铜会抑制植物生长，干扰光合作用，还会降低根系活性，对生态环境和农业系统造成极大危害。
为了解决这一难题，科学家们将目光投向了植物修复技术。香根草（Vetiveria zizanioides）凭借其对多种重金属的抗性、强大的根系、高生物量和快速的生长速度，成为了尾矿生态修复领域的 “明星选手”。然而，生长在尾矿中的香根草会受到重金属的毒性胁迫，导致生物量降低，影响修复效率。此时，丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）进入了科学家的视野。AMF 能与 70 - 90% 的陆地植物根系形成共生关系，不仅能帮助植物吸收养分，还在缓解植物重金属胁迫方面潜力巨大，是一种经济又环保的生物修复 “利器”。不过，AMF 接种提高香根草耐铜性的机制却一直是个未解之谜。
为了揭开这个谜团，贵州大学的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Arbuscular mycorrhizal fungi improve copper tolerance in Vetiveria zizanioides: Insights from physiological and metabolomic analyses” 的论文。研究发现，接种 AMF 的香根草在生长表现上更胜一筹，显著拓宽了对铜胁迫的耐受范围。这一成果为尾矿生态修复提供了新的思路和方法，对推动精准农业发展、增强生态系统服务功能有着重要意义。
研究人员在这项研究中运用了多种技术方法。首先是盆栽实验，他们设置了 AMF 接种组和未接种对照组，分别施加不同浓度的铜离子，模拟真实的铜污染环境。接着对香根草的形态指标（如株高、生物量、根系特征等）、生理生化指标（可溶性糖、蛋白质、脯氨酸含量以及抗氧化酶活性等）进行测定。此外，还采用了非靶向代谢组学分析技术，通过对香根草叶片代谢物的分析，探索 AMF 接种和铜胁迫下香根草代谢变化的奥秘。
不同浓度铜和 AMF 接种对香根草生长及根系特征的影响
研究人员通过 30 天的铜胁迫实验，观察香根草的生长变化。结果发现，随着铜浓度的增加，香根草的叶子逐渐变黄、枯萎，在 400mg/kg 铜胁迫下甚至停止生长。而接种 AMF 的香根草在不同铜浓度下，株高和生物量都有所增加。例如，在 0mg/kg、100mg/kg、200mg/kg 和 400mg/kg 铜浓度下，接种 AMF 的香根草株高分别比未接种组增加了 19.50%、38.21%、0.11% 和 0.01%；生物量也分别提高了 0.04%、32.14%、31.25% 和 28.74%。
在根系方面，随着铜浓度从 0 增加到 200mg/kg，香根草根系的总根长、总表面积、总体积和根尖总数呈现先增加后减少的趋势，在 200mg/kg 铜浓度时达到峰值。其中，在 200mg/kg 铜胁迫下，接种 AMF 的香根草总根面积、总根体积和根尖总数分别比未接种组增加了 51.01%、42.55% 和 76.97%。这表明接种 AMF 有助于香根草在铜胁迫环境下构建更发达的根系，增强对水分和养分的吸收能力。
不同浓度铜和 AMF 接种对香根草铜含量的影响
研究人员进一步测定了不同处理组香根草的铜含量和转移系数。结果显示，无论是否接种 AMF，香根草地上和地下部分的铜含量都随着铜浓度的增加而增加。在低铜浓度（0mg/kg 和 100mg/kg）下，接种 AMF 的香根草地上和地下部分的铜含量高于未接种组；但在高铜浓度（200mg/kg 和 400mg/kg）时，接种 AMF 的香根草叶片和根系中的铜含量却显著低于未接种组，叶片铜含量分别下降了 23.71% 和 111.16%，根系铜含量分别下降了 81.01% 和 21.08%。同时，铜的转移系数在 0mg/kg 铜时最高，随后随着铜浓度增加急剧下降。这说明 AMF 在低铜浓度时促进香根草对铜的吸收，而在高铜浓度时则能有效限制铜向地上部分的转运，减轻铜对香根草地上部分的毒害。
不同浓度铜和 AMF 接种对香根草渗透调节物质的影响
渗透调节物质在植物应对逆境胁迫中起着重要作用。研究人员检测了香根草地上部分可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量变化。结果发现，可溶性糖含量随着铜浓度的增加先升后降，且不同铜浓度处理组的可溶性糖含量均显著高于 0mg/kg 铜处理组。可溶性蛋白含量则随铜浓度增加而增加，在 100mg/kg、200mg/kg 和 400mg/kg 铜浓度下，接种 AMF 的香根草可溶性蛋白含量分别比 0mg/kg 铜处理组增加了 46.02%、51.22% 和 54.76%。脯氨酸含量在 200mg/kg 和 400mg/kg 铜浓度下，接种 AMF 的香根草显著高于未接种组，分别增加了 32.38% 和 51.53%。这些结果表明，接种 AMF 能促进香根草在铜胁迫下积累更多的渗透调节物质，提高其渗透调节能力，增强对铜胁迫的耐受性。
不同浓度铜和 AMF 接种对香根草抗氧化活性和丙二醛含量的影响
过量的铜会导致植物体内活性氧（ROS）积累，引发氧化应激，对植物细胞造成损伤。为了探究 AMF 对香根草抗氧化系统的影响，研究人员检测了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）的活性以及丙二醛（MDA）的含量。结果显示，接种 AMF 的香根草中，CAT 和 POD 活性随着铜浓度的增加逐渐升高，而未接种组则先升后降。在 0mg/kg 和 100mg/kg 铜浓度下，接种组的 CAT 活性低于未接种组；但在 200mg/kg 和 400mg/kg 铜浓度时，接种组的 CAT 活性显著高于未接种组。POD 活性在 0mg/kg 铜浓度时，接种组仅为未接种组的 49.56%，但在其他浓度下，接种组均高于未接种组。SOD 活性随铜浓度增加而下降，但接种组在各铜浓度下的 SOD 活性均高于未接种组。与之相反，MDA 含量随着铜浓度增加而下降，接种组在各铜浓度下的 MDA 含量均低于未接种组，在 200mg/kg 铜浓度下，未接种组的 MDA 含量最高，达到 57.84nmol/g。这表明接种 AMF 能够增强香根草的抗氧化酶活性，有效清除体内过多的 ROS，减轻膜脂过氧化损伤，提高对铜胁迫的抗性。
代谢组学分析
代谢组学分析就像是为研究人员打开了一扇了解香根草代谢奥秘的窗户。通过主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法判别分析（OPLS - DA），研究人员发现不同处理组的样本之间存在明显差异，且实验重复性良好。在筛选差异代谢物时，共鉴定出 441 种代谢物，其中 154 种为差异表达代谢物（DEMs），76 种上调，78 种下调。
在显著上调的代谢物中，PFCA - Cl、己糖 + C??H??O?、松萝酸等代谢物含量大幅增加；而显著下调的代谢物包括西班牙酮、托里毒素、虾青素等。进一步的 KEGG 富集分析发现，AMF 通过调节多种代谢途径来缓解铜胁迫对香根草的影响，如丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，神经活性配体 - 受体相互作用，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等。其中，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径在缓解铜胁迫中可能起着关键作用。
综合研究结果和讨论，这项研究表明接种 AMF 能够显著改善香根草在铜胁迫下的生长状况，拓宽其对铜胁迫的耐受范围。AMF 通过影响香根草的苯丙氨酸代谢及相关途径，促进了花青素、木质素、芦丁和绿原酸等次生代谢物的合成，这些次生代谢物增强了香根草对铜胁迫的抗性。同时，接种 AMF 还能促进香根草从谷氨酸合成更多的植物螯合肽（PCs），有效减轻铜胁迫的危害。
这项研究为深入理解植物与微生物共生关系在重金属污染修复中的作用提供了重要依据，为尾矿生态修复提供了新的技术手段。未来，研究人员可以在此基础上，进一步探究其他微生物与植物的协同作用，为解决重金属污染问题提供更多有效的方案，让我们的生态环境更加健康、美好。
