丛枝菌根真菌接种通过改善养分利用和缓解胁迫增强刺槐在锌污染土壤中的表现

《Plant Physiology and Biochemistry》：Arbuscular mycorrhizal inoculation enhances Robinia pseudoacacia performance in zinc-contaminated soils via improved nutrient use and stress mitigation

本研究针对锌(Zn)污染土壤中植物生长受抑的问题，开展了丛枝菌根真菌(AMF)接种对刺槐(Robinia pseudoacacia)锌胁迫耐受性影响的研究。结果表明，AMF接种通过限制Zn向地上部转运、提高磷(P)吸收、调节脱落酸(ABA)分配及维持光合效率等协同机制，显著缓解了Zn毒害，为重金属污染土壤的植物修复提供了理论依据。

　　

随着采矿、冶炼等人类活动的加剧，土壤中锌(Zn)的积累日益严重。锌作为植物必需的微量元素，参与叶绿素合成、光合作用等多种生理代谢过程，但过量则会产生毒害。与此同时，许多农业土壤却面临锌缺乏的困境，因此精确调控植物对锌的吸收、转运和分布至关重要。刺槐作为一种速生先锋树种，对铅锌污染土壤具有较强的适应能力，被广泛用于植物修复。其耐受性部分归功于与土壤微生物，尤其是丛枝菌根真菌(AMF)的共生关系。然而，AMF共生如何影响植物对锌胁迫的耐受性，其背后的生理和分子机制尚不完全清楚。

为探究上述问题，研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果。他们以刺槐幼苗为材料，设置了不同浓度的锌胁迫(0、500和1000 mg·kg^-1)处理，并分别进行接种或不接种变形球囊霉(Rhizophagus irregularis)处理，系统研究了AMF共生对锌吸收、磷获取、脱落酸(ABA)分布和光合性能的影响。

研究采用的关键技术方法包括：温室盆栽实验与双因子实验设计(锌浓度×接种处理)、菌根侵染率评估(网格线相交法)、锌和磷浓度测定(原子吸收光谱法和钼锑抗比色法)、光合参数和叶绿素荧光参数测定(Li-6400光合仪和Mini-Imaging-Pam荧光仪)、ABA含量测定(高效液相色谱法)以及光合作用和ABA生物合成相关基因表达分析(实时荧光定量PCR)。

3.1. 锌对植物生长和AM侵染的影响

锌胁迫显著抑制了刺槐的生长，而AMF接种有效缓解了这种抑制。在1000 mg·kg^-1锌处理下，非菌根(NM)植株的地上部和根部干重分别降低了60.8%和56.0%，而接种AMF使生物量显著增加。锌胁迫也降低了菌根侵染率，但即使在最高锌浓度下，侵染率仍保持在较高水平。

3.2. 锌和磷浓度

锌胁迫下，刺槐幼苗中锌积累量呈剂量依赖性增加，而AMF接种显著降低了地上部和根部的锌含量。同时，AMF接种显著提高了各锌处理下的磷浓度，在1000 mg·kg^-1锌胁迫下，菌根植株根中磷含量比NM植株增加了75.1%，表明AMF在锌胁迫下仍能有效改善植物的磷营养。

3.3. 光合作用和气体交换参数

锌胁迫降低了刺槐的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)，而AMF接种显著缓解了这些负面影响。在1000 mg·kg^-1锌处理下，菌根植株的Pn比NM植株提高了126.0%。菌根植株还保持了较低的胞间CO₂浓度(Ci)，表明AMF共生可能促进了刺槐叶片中的CO₂固定。

3.4. 叶绿素荧光参数

在1000 mg·kg^-1锌处理下，AMF接种显著提高了PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII实际光化学量子产量(ΦPSII)、电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP)，同时降低了非光化学淬灭(NPQ)，表明AMF缓解了光损伤，提高了光能利用效率。

3.5. RprbcL、RprbcS、RppsbA和RppsbD的相对表达量及相关性分析

AMF接种上调了光合作用相关基因(RprbcL、RprbcS、RppsbA和RppsbD)的表达。特别是RprbcS(编码RuBisCO小亚基)的表达在锌胁迫下的菌根植株中显著恢复。RppsbA(编码PSII D1蛋白)和RppsbD(编码PSII D2蛋白)的表达也在AMF接种后增强，表明AMF促进了PSII核心蛋白的合成和周转。

3.6. ABA浓度和RpNCED表达

锌胁迫下，AMF接种诱导了ABA浓度的组织特异性调控。在1000 mg·kg^-1锌处理下，菌根植株根中ABA浓度比NM植株增加了52.5%，而地上部ABA则下降。这种响应是由ABA生物合成基因RpNCED的差异调控驱动的，该基因在叶片中下调而在根中上调。

3.7. 相关性分析

相关性分析显示，刺槐的地上部生物量与Pn、ΦPSII等光合参数呈显著正相关，与锌浓度、Ci和NPQ呈显著负相关，进一步证实了AMF通过改善光合性能和减轻锌毒害来促进植物生长的机制。

研究表明，AMF通过多种协同机制增强刺槐对锌胁迫的耐受性。首先，AMF通过将锌固存在根部，限制其向地上部转运，直接减轻锌的毒害作用。其次，AMF显著改善了植物的磷营养状况，即使在锌胁迫下也能维持较高的磷吸收效率。第三，AMF接种提高了光合性能，通过上调光合作用相关基因表达，维护PSII功能完整性，增强光能利用效率。第四，AMF调节了ABA介导的胁迫响应，减少了对生长抑制型ABA信号的依赖，从而在胁迫条件下维持了生理稳态。

这些发现揭示了AMF增强植物锌胁迫耐受性的多重生理和分子机制，为利用AMF-植物共生体系进行重金属污染土壤的植物修复提供了重要的理论依据。尽管本研究中使用的锌浓度可能高于典型田间条件，但AMF的保护效应在环境相关锌浓度下仍可能赋予植物生理优势。未来的研究应结合更具环境相关性的锌浓度梯度，深入探索AMF、ABA信号和锌解毒之间的分子互作，并评估其田间应用的可行性，为锌污染土壤的生态修复提供更有效的策略。