随着我国城镇化的快速推进和人们对环境质量要求的提高，城市景观美化和环境污染治理需求越来越大. 湿生植物兼具景观绿化、 美化和环境污染净化的多重作用，因此，应用量急剧增加. 然而，由于土壤或水体污染、 土壤质地差(如建筑垃圾、 贫瘠土壤)、 病虫害等问题^{[1, 2]}，湿生植物应用过程中经常遇到长势差、 外观差、 功能差等问题，不但增加使用和养护成本而且难以达到预期目的. 如何增强湿生植物对上述环境的适应和耐受能力成为有效发挥湿生植物功能和作用的关键.

众所周知，丛枝菌根(AM)真菌可促进陆生宿主植物的生长，增强宿主植物的抗逆和耐污染胁迫能力，并在贫瘠土壤植被恢复、 污染土壤修复等方面显示出良好应用前景^{[3, 4, 5]}. 近几年的调查发现，湿生环境中不仅有丰富的AM真菌孢子，而且可侵染多种湿生植物根系形成AM共生结构^{[6, 7, 8]}，但该AM是否具有类似陆生植物AM的功能还不清楚. 目前，有少量湿生植物AM功能的研究主要集中在对植物生长和矿质养分吸收两个方面，但还没有一致的结论，如对植物生长无影响^{[6, 9]}、 抑制^[10]或促进^{[11, 12]}； 对湿生植物吸收磷素有促进作用^{[9, 13, 14]}，但对吸收氮素却有促进^[15]或抑制^[16]的报道. 也有少许研究关注了AM对湿生植物水污染净化、 耐污染胁迫等的影响^{[8, 17, 18]}，但由于数量有限，还难以得出有价值的结论，无法评估AM对湿生植物抗耐环境污染胁迫的影响. 基于增强湿生植物抗污染能力的巨大需求，很有必要开展AM对湿生植物耐环境污染胁迫影响的研究.

镉(Cd)是污染环境中最常见的重金属之一，对生物毒害作用较大. 本研究以幼套球囊霉(Glomus etunicatum)为供试AM真菌，以香蒲(Typha latifolia)为宿主植物，以Cd为目标污染物，考察水培条件下AM对香蒲生长和重金属吸收等的影响，以期为评估菌根技术能否增强湿生植物抗耐环境污染胁迫的能力提供参考.

香蒲(Typha latifolia)幼苗取自北京冬夏园艺场(通州区宋家庄镇)湿生植物苗木基地. 选取大小接近的香蒲苗(15 cm左右)，先将其根状茎剪成大小接近的三角形，每个三角形根状茎上保留2个约4 cm长的小根，以减少土著AM真菌对根系侵染的影响，然后将修理过的香蒲苗栽种到装有灭菌河沙、 淹水10 cm的塑料盆(直径50 cm)，生长适应2周后，再次从中选取大小接近、 长势良好的香蒲苗作为实验用苗，在河沙中完成AM真菌侵染过程.

根据之前的实验结果^[7]，选用幼套球囊霉(Glomus etunicatum)为供试AM真菌，菌剂为外生菌丝、 孢子和根段组成的复合体. 将筛选出来的香蒲苗接种AM真菌，AM菌剂接种量为基质重量的7%，混合方式接种，不接种对照加等量的灭菌菌剂. 沙培时间为30 d.

Cd²⁺浓度为0、 2.5、 5.0 mg ·L^-1(以Cd²⁺计，以CdCl₂ ·2.5H₂O形态加入). 将目标质量的CdCl₂ ·2.5H₂O加入修正后的Hogland营养液(磷浓度降低50%，其它成分浓度不变)，充分混匀后倒入2 L带盖塑料盆中，将香蒲移入培养液中，放在自然光照环境下生长，持续时间为30 d. 期间每天补充损失的营养液，每周更换一次含Cd²⁺新营养液.

实验共设6个处理，即3个Cd²⁺浓度(0、 2.5、 5.0 mg ·L^-1)和2个AM真菌处理(接种和不接种)，每个处理4个重复. 接种AM真菌30 d后，部分香蒲苗根系用于测定菌根侵染率，其他幼苗称量湿重后移入含不同浓度Cd²⁺的Hogland营养液，每盆移入1株香蒲苗. 实验于2013年6月在户外自然光照条件下进行，30 d后结束实验，于实验结束前1 d，测试根系泌氧速率. 收获实验后，先将香蒲根系浸泡在去离子中24 h，并间隔性轻轻摇动和更换去离子水，以除去根系上吸附的Cd²⁺. 然后称量总鲜重，部分根系用于菌根侵染率测定，部分叶子用于叶绿素、 POD活性的测定，剩余的香蒲地上、 地下部烘干用于重金属Cd含量的测定.

菌根侵染率测定采用曲利苯蓝染色-交叉划线法^[19]，根系泌氧速率测定采用柠檬酸钛分光光度法^[20]，POD活性测定采用愈创木酚法^[21]，叶绿素测定采用丙酮提取-分光光度法，植物Cd含量测定采用ICP-OES法.

不同处理间差异的显著性用SPSS 13.0软件进行统计分析，P<0.05表示差异显著.

由图 1可见，接种AM真菌1个月后香蒲根系的菌根侵染率超过30%，表明AM真菌与香蒲建立了良好的共生关系. 但移入溶液1个月后，无论是否存在Cd²⁺污染，菌根侵染率均比移栽前不同程度地下降，最大下降25.5%. Cd²⁺浓度的增加并没有显著影响菌根侵染率，可能与该菌耐Cd胁迫能力较强或Cd²⁺浓度不够高有关. 未接种处理由于部分幼苗根系被土著AM真菌侵染，发现个别根系有较低(<3%)侵染率，但由于侵染率远低于接种处理，故忽略不计.

图 1

Fig. 1

图 1 香蒲菌根侵染率的变化 Fig. 1 Change of mycorrhizal colonization rate in cattail root

由于在沙培中建立AM共生结构期间，菌根化和非菌根化香蒲在生物量上已表现出一些差异，为了准确反映AM对Cd²⁺胁迫下植物生长的影响，选用了鲜重增加量作为评价指标，即实验结束时的植物鲜重与移栽溶液前的鲜重差值. 如图 2所示，未接种AM真菌时，香蒲生物量仅在5.0 mg ·L^-1 Cd²⁺时显著下降，表明该浓度对香蒲生长产生了明显胁迫. 接种AM真菌并没使0和2.5 mg ·L^-1 Cd²⁺时的香蒲生物量显著增加，但却明显促进了5.0 mg ·L^-1 Cd²⁺时香蒲的生长，比不接种增加56.7%，表明Cd²⁺胁迫明显存在时AM可促进宿主植物的生长. 统计分析结果显示，AM和Cd处理间存在交互影响，这与Cd²⁺胁迫导致的生物量下降和AM导致的生物量增加有关.

图 2

Fig. 2

图 2 不同浓度Cd2+溶液中AM对香蒲生物量增加量的影响 Fig. 2 Effects of AM on the increment of cattail biomass in solution with different Cd2+ concentrations

从图 3可以看出，未接种AM真菌时，随Cd²⁺浓度的增加3种叶绿素含量总体呈下降趋势，特别是5 mg ·L^-1 Cd²⁺影响相对较大. 接种AM真菌后，不管是否存在Cd²⁺，与未接种相比3种色素含量都得到了不同程度的提高，虽然只有部分差异达显著水平，但结合香蒲生物量的变化(图 2)，可判断AM对提高湿生植物的光合作用有积极意义.

图 3

Fig. 3

图 3 不同浓度Cd2+溶液中AM对香蒲色素含量的影响 Fig. 3 Effects of AM on pigment contents of cattail in solution with different Cd2+ concentrations

统计分析结果表明，除AM和Cd²⁺对Chl-a有显著交互影响外，其他不存在显著的单因素或交互影响.

POD酶可参与植物光合作用、 呼吸作用等过程，可保护或减轻植物受到的胁迫，对植物抗耐环境胁迫有积极意义. 从图 4可以看出，不管是否存在Cd²⁺，POD活性均在2.5 mg ·L^-1 Cd²⁺时活性最高，这是由于该酶是诱导酶，适当的胁迫可刺激POD的活性，对植物起到保护作用，但当胁迫达到一定强度后，POD活性会急剧下降，所以5.0 mg ·L^-1 Cd²⁺时POD活性反而较低. 不管是否存在Cd²⁺，接种AM真菌都提高了POD活性，虽然仅在2.5 mg ·L^-1 Cd²⁺时达到显著水平，但表明接种AM真菌具有提高湿生植物基础POD酶活性和胁迫存在时POD潜在诱导活性的可能，这对植物抗耐环境胁迫有积极意义. 统计分析结果表明，AM和Cd²⁺对POD活性有显著的单因素和交互影响.

图 4

Fig. 4

图 4 不同浓度Cd2+溶液中AM对香蒲POD酶活性的影响 Fig. 4 Effects of AM on POD activity of cattail in solution with different Cd2+ concentrations

泌氧速率是很多湿生植物的独有特征，对植物适应厌氧或低氧环境有非常重要的作用. 对AM真菌来说，湿生植物的泌氧速率可能更为重要，其将影响AM真菌侵染湿生植物根系所需的氧化还原电位. 从图 5可以看出，未接种AM真菌时，2.5 mg ·L^-1 Cd²⁺对根系泌氧速率没显著影响，但5 mg ·L^-1 Cd²⁺却导致泌氧速率显著下降，这可能与Cd²⁺对植物根系的伤害有关. 不管Cd²⁺是否存在，接种AM真菌都显著提高了香蒲根系的泌氧速率，分别增加25.2%、 13.2%和29.8%，这可能与根系内外生菌丝的存在促进了氧气向外的扩散有关.

图 5

Fig. 5

图 5 AM对不同浓度Cd2+下香蒲根系泌氧速率的影响 Fig. 5 Effects of AM on rate of roots radial oxygen loss of cattail in solution with different Cd2+ concentrations

在未添加Cd²⁺的处理中，没在植物体内检测到Cd的存在. 在添加Cd²⁺的处理中，未接种AM真菌时，香蒲地上和地下部Cd含量并没有随着溶液中Cd²⁺浓度的增加而增加，反而显著下降(2.5 mg ·L^-1)或呈下降趋势(5.0 mg ·L^-1)(图 6)，后者可能是由于5 mg ·L^-1 Cd²⁺导致植物根系受到伤害，吸收能力下降. 接种AM真菌后香蒲地上、 地下部Cd含量均得到不同程度的提高，地上部Cd含量分别增加了3.31%和40.24%，地下部分别增加了56.52%和25.21%，表明即使在根系受损情况下，AM仍具有促进植物吸收Cd的潜力，这对水污染处理有积极意义.

图 6

Fig. 6

图 6 AM对不同浓度Cd2+下香蒲地上及地下Cd2+含量的影响 Fig. 6 Effects of AM on Cd2+ contents in aboveground and underground parts of cattail in solution with different Cd2+ concentrations

AM发挥作用的前提是AM真菌对宿主植物的有效侵染. 对于湿生生境来说，氧含量(或氧化还原电位)和AM真菌与根系的有效接触是两个非常关键的影响因素. 有报道指出，湿生植物根系所处基质氧化还原电位高于250mV才可形成AM结构^[22]，本研究发现香蒲形成AM后根系泌氧速率明显提高(图 5)，这将改善根际氧含量和氧化还原电位，有利于AM真菌的繁殖(菌丝和孢子)和对新生根系的侵染. 由于AM菌丝、 孢子质量较小，在淹水的湿生环境中，与根系有效接触比较困难，尤其对浮水植物来说难度更大，本实验采用侵染好的植物不存在这个问题. 溶液中培养1个月后的侵染率下降，可能与以下原因有关：①新生根系与AM真菌菌丝、 孢子等有效接触不够； ②更换培养液时扰断部分外生菌丝，并使外生菌丝、 孢子随废液流失； ③植物由河沙基质换成营养液，淹水深度增加，氧化还原电位下降，这在笔者之前的研究中已经予以证实^[7].

虽然5 mg ·L^-1 Cd²⁺影响了香蒲的生长(图 2)，但与0 mg ·L^-1和2.5 mg ·L^-1 Cd²⁺比并没有明显降低菌根侵染率，这与之前的一些陆生植物研究结果并不一致，如田野等^[23]发现Cd²⁺浓度明显降低AM真菌Glomus mosseae对黑麦草的侵染. 这可能与该菌对Cd²⁺不敏感或Cd²⁺浓度不够高有关. 有关重金属对菌根侵染率的影响在陆生环境中已经进行了很多研究，证实来源不同的AM真菌对重金属敏感性差异很大^{[4, 24]}.

接种AM真菌后，不管胁迫是否存在，香蒲叶片色素含量(图 3)、 POD酶活性(图 4)都得到了增加，表明AM对提高湿生植物光合作用、 增强植物的耐污染胁迫能力有积极作用，这与AM对陆生植物的影响类似^[4]. 但上述作用并没有促进无Cd²⁺条件下香蒲的生长(图 2)，可能是因为培养液中富含植物生长所需的各种营养元素，AM虽能对植物生理生态产生部分影响，但在生物量上表现不出具体变化. 在Cd²⁺胁迫明显存在时(5.0 mg ·L^-1)，AM对香蒲生长的促进作用较为明显地体现出来，差异达到显著水平，这是因为AM对宿主植物的影响不仅是通过营养状况，还包括基因调控、 次生物质、 污染物吸收调控等，当胁迫存在影响植物对养分的吸收时，AM的功能便得以体现^[4].

AM提高了香蒲地上和地下部的Cd含量，特别是在植物根系受到Cd²⁺伤害的情况下，AM仍能促进植物生长，增加对Cd的吸收，这对重金属污染修复来说有重要意义. AM促进植物对重金属的吸收，又能使植物忍受重金属的毒害，相关影响机制在陆生植物上已得到了较好解析^{[4, 25]}，如菌丝、 细胞壁对重金属的吸附和固定，AM真菌对植物生理生态过程的改变，使菌根化植物有了更强的重金属耐受能力. 此外，李光辉等^[26]发现湿地植物对废水及底泥中重金属的吸收积累能力在相当大的程度上取决于其根系的泌氧能力，而本研究证实AM能显著提高香蒲的泌氧能力，表明这可能也是AM促进香蒲吸收重金属的机制之一. 但本结果与Zheng等^[8]的结果相反，他们发现AM真菌降低了芦苇(Phragmites australis)对重金属的吸收，这可能与宿主植物、 实验基质条件等有关. 除了本研究中涉及的重金属胁迫，曹明竹等^[18]还发现AM可缓解阿特拉津对芦苇生长和生理的胁迫，这些都表明，AM对增强湿生植物的抗污染胁迫能力有很大的潜力. 当然，由于研究数量和深度有限，有关影响因素、 影响机制还不清楚，面对环境中普遍存在的复合污染，这种植物-微生物协同机制是否还能发挥作用，还需要开展更多的研究予以证实.

(1)AM真菌能在淹水条件下完成对香蒲的侵染，侵染率超过30%，但移入培养液后菌根侵染率呈不同程度的下降趋势. 本研究中两个水平的Cd²⁺均没降低侵染率.

(2)AM提高香蒲叶片色素含量和POD酶活性，提高根系泌氧速率，促进Cd²⁺(5.0 mg ·L^-1)胁迫下香蒲的生长，但对无Cd²⁺和低Cd²⁺(2.5 mg ·L^-1)溶液中香蒲没有显著促生长作用.

(3)AM可促进香蒲对Cd的吸收，特别是在香蒲生长受到抑制时仍能促进其对Cd²⁺的吸收.

致谢： 感谢北京冬夏园艺场为本实验提供香蒲和其他湿生植物苗木，并在栽培技术上给予指导.