AMF接种调控铀胁迫下向日葵的植物生理、根际过程及铀吸收

《Horticulturae》：AMF Inoculation Modulates Plant Physiology, Rhizosphere Processes, and Uranium Uptake in Sunflower Under Uranium Stress

　　

向日葵(Helianthus annuus)具有用于铀(U)植物修复的潜力。然而，丛枝菌根真菌(AMF)对关键根际过程及植物U吸收的影响尚未得到充分研究。研究人员假设，AMF接种可通过改善植物生理性能和改变根际特性来增强向日葵对U胁迫的耐受性。为验证这一假设，该研究考察了AMF(摩西漏斗孢菌Funneliformis mosseae、幼套球囊霉Glomus etunicatum及其共接种)对U胁迫下向日葵的影响，涵盖植株生长和生理性状、根际特性、根际土壤酶活性、根际土壤U形态以及U在植株内的积累与分布。结果表明，AMF成功定殖于根部，促进了植株生长、生物量和气体交换，同时提高了光合效率并降低了非光化学猝灭。在根际，AMF提高了土壤呼吸、有机质、可溶性有机碳和微生物生物量碳；改善了磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性；还重塑了U形态，增加了可交换态和碳酸盐结合态组分，同时减少了与有机质、Fe/Mn氧化物结合态及残渣态组分。此外，AMF降低了叶片和茎中的U浓度，促进了U在地下组织中的滞留，并显著降低了U的转移因子。这些发现表明，AMF接种通过改善生理性能、改变根际特性以及将U固定于根部，提高了向日葵对U胁迫的耐受性，支持了其在U污染环境植物修复策略中的应用潜力。

铀(U)是核工业发展带来的重要环境污染物，其化学毒性和放射性毒性对生态系统和人类健康构成严重威胁。铀尾矿的淋滤和迁移导致土壤U污染，抑制植物生长并降低农业土壤肥力。传统修复技术如吸附、电动力修复等成本高、易产生二次污染，而植物修复因其环保性和经济性成为有前景的原位策略。向日葵(Helianthus annuus)具有较高的U富集能力和生物量，被用于植物修复，但在高U胁迫下其生长受抑、U吸收与固定能力受限。丛枝菌根真菌(AMF)能与多数陆地植物根系形成共生关系，增强水分养分吸收并提高重金属耐性，同时通过改变根际微环境调控重金属形态。然而，AMF对向日葵根际U行为及其吸收转运的影响尚缺乏系统研究。为此，研究人员开展实验，探究AMF接种对U胁迫下向日葵生理性能、根际特性、U形态及积累的调控机制，旨在为AMF辅助植物修复提供理论依据。该论文发表在《Horticulturae》。

研究人员采用食用向日葵品种TY007（种子购自河北金生玉品农业科技有限公司），以砂质壤土为基质，添加硝酸铀酰至U浓度200 mg·kg^?1并预老化6个月以上。AMF菌种摩西漏斗孢菌(F. mosseae)和幼套球囊霉(G. etunicatum)由北京市农林科学院微生物实验室提供。设置四个处理：非接种对照(U?AMF)、单接种F. mosseae(U+FM)、单接种G. etunicatum(U+GE)及等比例混合接种(U+FM+GE)。每盆装土10 kg，每处理5盆、3个生物学重复。生长40 d后，测定根定殖率、植株生长参数、气体交换参数（净光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间CO₂浓度Ci、蒸腾速率Tr）、叶绿素荧光参数（PSII最大量子产量F_v/F_m、光化学猝灭系数qP、PSII实际量子产率Φ_PSII、非光化学猝灭系数qN）、根际土壤生化性质（土壤呼吸速率SRR、有机质SOM、可溶性有机碳DOC、微生物生物量碳SMBC）、根际土壤酶活性（酸性磷酸酶S-ACP、中性磷酸酶S-NP、碱性磷酸酶S-ALP、脲酶S-UE、过氧化氢酶S-CAT、蔗糖酶S-SC）、U形态（Tessier连续提取法分五组分）及植物组织U含量，并计算生物富集因子BCF和转移因子TF。

3.1 根定殖：通过台盼蓝染色法观察，各AMF处理均成功定殖，定殖率分别为42.4%(U+FM)、37.7%(U+GE)和33.6%(U+FM+GE)，对照未发现定殖，表明两种AMF在U胁迫下能与向日葵形成有效共生。

3.2 植物生长：测量株高、茎径及叶、茎、根干重，发现AMF处理显著促进生长。与对照相比，U+GE处理使株高增加50.3%、总生物量增加47.1%；U+FM和U+FM+GE也显著提高各项指标，表明AMF接种缓解了U诱导的生长抑制。

3.3 气体交换参数：测定气体交换参数，AMF处理比对照显著提高Pn（增加31.0%~50.2%）、Gs（11.1%~36.1%）和Tr（21.9%~42.6%），同时降低Ci（4.7%~13.5%），说明AMF改善了叶片气体交换能力，促进了光合作用。

3.4 叶绿素荧光参数：测定荧光参数，AMF处理较对照显著提高F_v/F_m（33.9%~53.0%）、qP（26.7%~51.1%）和Φ_PSII（84.4%~193.8%），并降低qN（13.0%~33.3%），表明AMF减轻了U对PSII的损伤，提高了光能利用效率。

3.5 根际土壤生化性质：测定SRR、SOM、DOC、SMBC，AMF处理显著提高这些指标，如SRR增加103.3%~147.7%，SMBC增加54.9%~75.6%，表明AMF增强了根际微生物代谢和碳循环。

3.6 根际土壤酶活性：测定六种酶活性，AMF处理显著提升S-ACP、S-NP、S-ALP、S-UE、S-CAT、S-SC活性。例如，U+FM+GE使S-ACP增加151.4%，S-CAT增加160.1%，S-SC增加110.5%，表明AMF通过刺激酶活性改善养分循环和抗氧化能力。

3.7 铀形态：采用Tessier连续提取法分析，AMF处理降低根际土壤总U含量（19.9%~33.7%），同时增加可交换态U（3.1%~64.5%）和碳酸盐结合态U（11.5%~22.5%），减少Fe/Mn氧化物结合态、有机质结合态和残渣态U，说明AMF促进了U向更易利用形态转化。

3.8 铀积累与转移因子：测定各组织U浓度，AMF处理显著降低叶片和茎中U含量（叶片降低23.1%~40.4%），增加根部U积累（U+FM+GE达535.7 mg·kg^?1 DW，比对照高129%），并提高BCF（92.1%~133.9%）和降低TF（53.7%~63.4%），表明AMF将U固定于根部，限制其向地上部分转运。

3.9 相关性与主成分分析：Pearson相关分析显示总生物量与Tr、Φ_PSII正相关，与Ci、qP负相关；定殖率与SMBC正相关。PCA显示PC1和PC2分别解释76.3%和13.5%方差，F_v/F_m、SRR、Pn、S-ALP和定殖率是PC1主要载荷，S-NP、Ci、DOC主要载荷PC2，确认这些参数是AMF调控的核心指标。

讨论部分总结了AMF促进向日葵生长和光合的机制，包括改善气孔行为和光化学效率；通过增加碳输入（如DOC、SMBC）和微生物活性改善根际生化性质与酶功能；并促使U向可交换态转化但利用根部固定机制限制转运，实现植物稳定化。共接种在某些指标（如根部U积累、S-ACP、S-CAT、S-SC）上表现出协同效应，但单接种G. etunicatum在生长和光合上更优，反映了AMF菌株间的竞争与互补动态。由于菌株未预适应U环境，未来需筛选U适应菌株并优化组合以提升修复效率。

研究结论：总之，该研究证明AMF接种显著增强了向日葵对U的植物稳定化潜力。首先，AMF定殖促进了U胁迫下的植株生长和生理性能，改善了光合作用和气体交换。其次，在根际，AMF提高了呼吸速率、有机质、可溶性有机碳和微生物生物量，增强了关键土壤酶活性。第三，AMF改变了U形态，增加了不稳定的可交换态和碳酸盐结合态，同时减少了稳定的残渣态。这种形态转变与U向地上部分转运的显著降低及根部U滞留的增强相耦合，表明AMF促进了U在根区的固定。因此，根际激活与根部固定相结合证实了植物稳定化是主要修复策略。这些发现对于在高U地区应用AMF进行植物稳定化具有重要意义，通过增强植物耐受性并限制U向地上组织转运，AMF可在有效的植物稳定化策略中发挥关键作用，为管理重金属污染同时减少地上积累的生态风险提供可持续解决方案。