环境科学  2014, Vol. 35 Issue (8): 3135-3141   PDF    
引用本文
王卫中, 王发园, 李帅, 刘雪琴. 丛枝菌根影响纳米ZnO对玉米的生物效应[J]. 环境科学, 2014, 35(8): 3135-3141.
WANG Wei-zhong, WANG Fa-yuan, LI Shuai, LIU Xue-qin. Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis Influences the Biological Effects of Nano-ZnO on Maize[J]. Environmental Science, 2014, 35(8): 3135-3141.
丛枝菌根影响纳米ZnO对玉米的生物效应
王卫中1, 王发园1 , 李帅1, 刘雪琴2,3    
1. 河南科技大学农学院, 洛阳 471003;
2. 洛阳师范学院生命科学系, 洛阳 471022;
3. 西南大学资源环境学院, 重庆 400716
收稿日期: 2014-1-3; 修订日期: 2014-3-21.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41171369）；河南省高校科技创新人才支持计划项目（2012HASTIT014）；河南省高校青年骨干教师计划项目（2012GGJS-079）
作者简介：王卫中（1988~），男，硕士研究生，主要研究方向为丛枝菌根与植物营养学，E-mail：wangweizhonggood@163.com
通讯联系人,E-mail:wfy1975@163.com
摘要：人工纳米颗粒（engineered nanoparticles， ENPs）能被植物吸收、 积累，随食物链进入人体而引起健康风险.丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal， AM）真菌可与陆地生态系统中绝大多数高等植物互惠共生，可能影响ENPs的生物效应.在温室土壤盆栽条件下研究了施加不同水平纳米ZnO（0、 500、 1000、 2000、 3000 mg·kg-1）和接种AM真菌Acaulospora mellea对玉米生长和营养状况的影响.结果表明，随土壤中纳米ZnO施加水平的增加，菌根侵染率和玉米生物量均呈降低趋势，根系总长、 总表面积及总体积降低，植株体内Zn含量和吸收量逐渐增加，地上部分P、 N、 K、 Fe、 Cu吸收量逐渐降低.与对照相比，接种AM真菌均促进玉米的生长，改善P、 N、 K营养，根系总长、 总表面积及总体积增加，并在施加纳米ZnO时增加Zn在玉米根系中的分配比例.本结果首次表明，土壤中纳米ZnO对丛枝菌根具有一定毒性，而接种AM真菌能够减轻其毒性，对宿主植物起到保护作用.
关键词： 纳米颗粒     丛枝菌根真菌     植物毒性     纳米毒性     纳米污染    
Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis Influences the Biological Effects of Nano-ZnO on Maize
WANG Wei-zhong1, WANG Fa-yuan1 , LI Shuai1, LIU Xue-qin2,3    
1. School of Agriculture College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;
2. Department of Life Science, Luoyang Normal University, Luoyang 471022, China;
3. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China
Abstract: Engineered nanoparticles (ENPs) can be taken up and accumulated in plants, then enter human bodies via food chain, and thus cause potential health risk. Arbuscular mycorrhizal fungi form mutualistic symbioses with the majority of higher plants in terrestrial ecosystems, and potentially influence the biological effects of ENPs. The present greenhouse pot culture experiment studied the effects of inoculation with or without arbuscular mycorrhizal fungus Acaulospora mellea on growth and nutritional status of maize under different nano-ZnO levels (0, 500, 1000, 2000 and 3000 mg·kg-1) artificially added into soil. Results showed that with the increasing nano-ZnO levels in soil, mycorrhizal colonization rate and biomass of maize plants showed a decreasing trend, total root length, total surface area and total volume reduced, while Zn concentration and uptake in plants gradually increased, and P, N, K, Fe, and Cu uptake in shoots all decreased. Compared with the controls, arbuscular mycorrhizal inoculation improved the growth and P, N and K nutrition of maize, enhanced total root length, total surface area and total volume, and increased Zn allocation to roots when nano-ZnO was added. Our results firstly show that nano-ZnO in soil induces toxicity to arbuscular mycorrhizae, while arbuscular mycorrhizal inoculation can alleviate its toxicity and play a protective role in plants.
Key words: nanoparticles     arbuscular mycorrhizal fungi     phytotoxicity     nanotoxicity     nanopollution    

人工纳米颗粒(engineered nanoparticles,ENPs)在被广泛应用的同时,会随纳米产品的运输、 储存、 泄露、 使用及废物处理等途径进入水体、 大气和土壤等环境,并对各生态系统和健康产生潜在的影响.ENPs进入土壤环境后会进行迁移和转化,不仅影响植物和土壤生物,而且能够被植物吸收、 富集和累积,从而随食物链进入人畜体内,产生健康风险[1, 2, 3, 4, 5].因此,ENPs对于植物(尤其是农作物)的生物效应、 吸收和累积值得重视.

纳米ZnO是用途最广泛的ENPs之一,有研究发现它对萝卜、 油菜、 黑麦草[6,7]、 拟南芥[8]、 绿豆芽[9]等均表现出一定的植物毒性,同时可能对洋葱[10]具有致畸变特性、 基因毒性和细胞毒性,甚至使大豆不能产生籽粒[11],并引起Zn在大豆叶片、 籽粒等器官中的积累[12].因此,其生物效应也受到广泛关注[2, 13, 14].

丛枝菌根是自然界中分布最广的一类菌根,大量存在于农田、 森林、 菜地土壤以及各种逆境环境中,能与陆地上绝大多数的高等植物共生,能够增强宿主植物的抗逆性,缓解环境胁迫,利于植物的生存[15].同时,丛枝菌根能够影响植物对污染物的吸收、 积累和运输,对农产品质量安全具有重要意义[16].有研究发现丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌有助于芦苇和黄菖蒲在根土界面形成Cu纳米颗粒[17],这意味着AM真菌可能对植物的解毒机制有重要影响.Feng等[18]首次发现纳米FeO和纳米银影响三叶草的菌根侵染和促生效应,但显然,ENPs作为潜在的污染物,其与丛枝菌根之间的关系值得深入研究.本试验的目的是在温室盆栽条件下模拟不同水平纳米ZnO污染土壤,研究接种AM真菌和施加纳米ZnO对玉米生长和营养状况的影响. 1 材料与方法 1.1 试验材料

供试植物为玉米(Zea mays L.),品种为郑单17.供试AM真菌为Acaulospora mellea ZZ,宿主植物为玉米、 苏丹草等,基质为河沙.去掉植物地上部分,把根剪碎,以含有真菌孢子、 菌丝、 侵染根段等繁殖体和根际土壤的菌剂为接种物.纳米ZnO粒径为90 nm±10 nm.土壤采自河南科技大学新区农场,过2 mm筛,基本理化性质如下,pH 8.12,有机质2.08%,全氮0.12%,全磷0.22%,全钾2.27%,碱解氮79.2 mg ·kg-1,速效磷8.29 mg ·kg-1,速效钾304.29 mg ·kg-1,全Zn 53.3 mg ·kg-1,DTPA-Zn 0.52 mg ·kg-1. 1.2 试验设计

试验设置5个纳米ZnO施加水平(0、 500、 1000、 2000、 3000 mg ·kg-1),每个水平下设置接种AM真菌(M)和不接菌(N)处理,每个处理重复4次,共40盆.土壤经过高压蒸汽灭菌,混合均匀,风干备用.使用A:260型塑料花盆,每盆装入3 kg土壤,按150 mg ·kg-1施入N肥(NH4NO3),使用逐级混匀法施加纳米ZnO.接菌处理每盆施加180 g菌剂,与土壤混匀,不接菌处理加入等量灭菌菌剂,并浇上菌剂滤液,使其它微生物群落尽量一致.

2013年3月17日播种,每盆播种催芽玉米种子6颗.玉米在日光温室中生长,期间精细管理,经常调整各盆的位置,定期用称重法浇水,使土壤含水量保持在70%左右.玉米生长11周后收获. 1.3 测定项目及方法

玉米收获前用直尺测株高.地上部分与根系分开收获,收获后地上部分用自来水冲洗干净,再用蒸馏水润洗,在烘箱中先在105℃下杀青30 min,再在70℃下烘干至衡重.根系部分洗干净后暂时放入冰箱中冷冻保存,使用Epson-10000XL扫描仪(日本)测定根系总长度、 根系总表面积、 根系总体积及根直径.挑出部分细根,使用KOH消煮后品红染色-加权法[19]测菌根侵染率.其余根系烘干后用百分之一天平称重.地上部分和根系烘干后粉碎,用H2SO4-H2 O2法消煮,然后用凯氏定氮仪测N,用钼锑抗比色法测P,用原子吸收分光光度计(Varian AA240,美国)测K、 Zn、 Cu、 Fe含量.以上方法均参照文献[20]进行,同时用标准物质(灌木枝叶GBW07603,GSV-2)进行质量控制. 1.4 数据分析

数据用Excel 2003和SPSS 17.0进行单因素方差分析,Duncan 多重比较各处理之间的差异显著性,双因素方差分析接种纳米ZnO施加水平和接种AM真菌之间的交互作用.

2 结果与讨论 2.1 菌根侵染率

由表 1可知,不接菌处理玉米根系没有被AM真菌侵染,接菌处理后对玉米侵染较好,菌根侵染率随土壤纳米ZnO施加水平升高呈降低趋势,这说明高施加水平下纳米ZnO对菌根有一定生物毒性.多数ENPs具有一定的真菌毒性[21],纳米Ag/Ti降低向日葵的菌根侵染率[22].但即使在3000 mg ·kg-1纳米ZnO水平下,玉米根系依然能够被侵染,这说明AM真菌对纳米ZnO存在一定耐性.纳米FeO、 纳米Ag没有降低甚至增加了Glomus caledonium对三叶草的菌根侵染率[18],这说明不同种类的ENPs对菌根的毒性不同,可能与ENPs的性质和施用量、 植物和AM真菌种类等有关,尚需深入探讨.

表 1 不同处理下玉米干重、 根冠比、 株高和菌根侵染率 1) Table 1 Dry weight,root/shoot ratio,plant height and mycorrhizal colonization of maize under different treatments
2.2 玉米生物量和根系形态

随着土壤中纳米ZnO施加水平的升高,接菌与不接菌处理的地上部分干重、 根系干重、 株高都呈现下降趋势,而根冠比逐渐增加(表 1),总根长、 总表面积、 总体积逐渐降低,根平均直径无显著变化(表 2).接菌处理的玉米地上部分干重、 根系干重和株高在较低纳米ZnO施加水平下显著高于不接菌处理,而在3000 mg ·kg-1水平下接菌效果不显著.接菌对根冠比没有显著影响.多数纳米ZnO施加水平下接菌处理显著增加总根长、 总表面积和总体积.双因素方差分析显示,纳米ZnO施加水平对地上部分干重、 根系干重、 根冠比、 株高均有显著影响,接菌对地上部分干重、 根系干重和株高有显著影响,纳米ZnO施加水平和接菌处理对地上部分和株高有显著交互作用.

表 2 不同处理下玉米根系总长度、 总表面积、 总体积、 平均直径 Table 2 Root total length,total surface area,total volume and average diameter of maize roots under different treatments

有研究表明,纳米ZnO使黑麦草根尖缩窄,表皮和皮层细胞空泡化甚至崩解,从而降低了生物量[7].纳米ZnO的植物毒性甚至强于同等浓度的Zn2+[8].随着纳米ZnO浓度的升高,洋葱的有丝分裂指数降低、 染色体畸变指数增加、 细胞微核率增加,并伴有膜脂过氧化现象和细胞内化作用[10].本结果也证明纳米ZnO对玉米存在植物毒性,且随施加水平升高而增加.根冠比增加表明纳米ZnO抑制玉米干物质在地上部分的积累.根冠比增加可能是植物适应Zn毒害的一个机制,根系生物量增加有利于植物吸收更多的营养元素(如P)[23].纳米ZnO对接菌处理植株也有显著抑制作用,且随施加水平增加其抑制作用更强,这说明纳米ZnO的植物毒性具有一定的剂量效应.Feng等[18]发现菌根三叶草的生长受到高剂量纳米FeO的抑制,但高剂量纳米Ag反而促进其生长,这说明不同ENPs的毒性与剂量的关系较为复杂,并非单一正相关或负相关. 2.3 玉米地上部分与根系N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量

在探讨AM真菌对营养和有害元素的作用时,吸收量比含量更能比较接菌与对照的作用,因为其克服了接菌而引起生物量变化而造成的影响[24].由表 3可以看出,随纳米ZnO施加水平的增加,植株地上部分N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量均呈降低趋势.与对照处理相比,纳米ZnO 0水平时,接菌处理地上部分N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量均显著增加; 在500~2000 mg ·kg-1时,地上部分P吸收量显著增加; 在500和1000 mg ·kg-1时,地上部分N、 K吸收量显著增加; 而Fe、 Cu吸收量在施加纳米ZnO时均没有显著变化.双因素方差分析显示,纳米ZnO施加水平对5种元素地上部分吸收量作用显著,接菌对N、 P、 K作用显著,其交互作用对5种元素均作用显著.

表 3 不同处理下玉米地上部分N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量 Table 3 N,P,K,Fe and Cu uptake of maize shoots under different treatments

由表 4可以看出,玉米根系N、 P、 K、 Fe吸收量在纳米ZnO 0水平时最高,但在500~3000 mg ·kg-1范围内没有呈现规律性降低; 而根系Cu吸收量在3000 mg ·kg-1时显著降低. 与对照处理相比,在纳米ZnO 0水平时,接菌处理根系N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量均没有显著变化; 在500~2000 mg ·kg-1水平时,根系P吸收量显著增加; 在500 mg ·kg-1时,根系N、 K吸收量显著增加; 而Fe、 Cu吸收量在所有纳米ZnO水平均没有显著变化. 双因素方差分析显示,纳米ZnO施加水平对5种元素根系吸收量作用显著,接菌对N、 P、 K作用显著,其交互作用对P、 K作用显著.

表 4 不同处理下玉米根系N、 P、 K、 Fe、 Cu吸收量 Table 4 N,P,K,Fe and Cu uptake of maize roots under different treatments

纳米ZnO具有ENPs的通性,粒径小、 比表面积大、 吸附能力强,附着在细胞壁后会聚集在一起,附着在根系表面抑制营养元素吸收,从而影响植物生长[7, 13].本研究再次证实这是纳米ZnO的植物毒性机制之一.值得深入研究的是,纳米ZnO不仅影响根系对营养元素的吸收,而且也影响这些营养元素向地上部分的转运(吸收量根冠比发生变化).此外,ENPs毒性与剂量之间的关系颇为复杂,因为ENPs毒性与表面积密切相关,而在大剂量的情况下,ENPs可能会凝聚成大的颗粒,反而导致其生物有效性和毒性降低,因此ENPs毒性与剂量之间的关系并不总是线性相关[25].但本研究证实纳米ZnO对玉米生长有剂量效应,与他人结果类似[7].

在重金属胁迫条件下,AM真菌对宿主植物的营养改善作用(尤其是P)是AM真菌增加植物生长和耐性的重要机制之一[15].除了P,某些条件下AM真菌对宿主植物的N、 K、 Ca、 Mg、 Fe、 Zn、 Mn、 Cu等营养元素也具有一定的改善作用[26].本研究首次证实,在纳米ZnO胁迫条件下,接菌显著促进玉米生长,并能够改善P、 N、 K等矿质营养,说明AM真菌能够降低ZnO的植物毒性、 增加玉米的耐性.此外,接种AM真菌能够改变抗氧化酶活性、 缓解纳米ZnO产生的氧化胁迫(数据本文未列出),这也是其中一个保护机制. 2.4 玉米地上部分和根系Zn含量、 Zn吸收量

由表 5可知,随着纳米ZnO施加水平的升高,所有处理植株地上部分和根系Zn含量均呈现显著上升趋势,但从2000~3000 mg ·kg-1时,根系Zn含量不再增加.由生物量和Zn含量可计算得知,在施加纳米ZnO时,根系Zn吸收量呈增加趋势(除最高水平时),而地上部分Zn吸收量则没有显著变化.有研究发现,水培条件下黑麦草根系Zn含量随纳米ZnO浓度升高而增加,但是地上部分Zn含量很低(仅0.25~1.36 mg ·kg-1),认为纳米ZnO很难被运输到地上部分[7].但在土培条件下,笔者发现玉米地上部分Zn含量很高,且与纳米ZnO施加水平显著相关,一种原因可能是纳米ZnO颗粒易于被玉米吸收并转运到地上部分,另一种可能是纳米ZnO易于释放出Zn2+,被玉米吸收并转运,也可能二者兼而有之,需要利用同位素等试验进一步明确植物体内Zn的形态和来源.此外,土壤栽培与水培条件不同,土壤pH、 有机质、 矿物、 微生物等均可能影响到纳米ZnO的形态、 吸收和运输.

表 5 不同处理下玉米地上部分和根系Zn含量 Table 5 Zn concentration in shoots and roots of maize under different treatments

与对照处理相比,纳米ZnO 0水平时,接菌处理地上部分Zn含量没有显著变化,地上部分Zn吸收量显著增加,而根系Zn含量和Zn吸收量均没有显著变化.在其他施加水平时,接菌处理地上部分Zn含量显著降低,Zn吸收量没有显著变化,根系Zn含量没有显著变化,但Zn吸收量在500 mg ·kg-1、 1000 mg ·kg-1时显著增加.双因素方差分析显示,纳米ZnO施加水平和接菌对地上部分和根系Zn含量有显著交互作用.

一般认为植物体内正常Zn含量在8~400 mg ·kg-1之间,高于400 mg ·kg-1时植物就会出现中毒症状[27].在施加纳米ZnO条件下,除500 mg ·kg-1接菌处理,其他处理中的植物Zn含量均已经超过400 mg ·kg-1,结合生物量等指标,说明纳米ZnO已经引起植物毒害.释放Zn2+是纳米ZnO的生物毒性机制之一[28],因此纳米ZnO可能会造成Zn胁迫.诸多研究表明,接种AM真菌在缺Zn土壤中能够改善植物Zn营养,但在Zn毒害条件下,能够降低植物中Zn含量以减轻其毒害作用,而且往往增加Zn在根系中的分配比例[15, 23, 29].本研究结果类似,土壤中不施加纳米ZnO时,接菌对玉米地上部分Zn营养有改善作用(地上部分吸收量增加),而在土壤中施加纳米ZnO时,接菌能增加Zn在根系中的分配比例(表 5),降低Zn向玉米地上部分的转运,从而减轻Zn胁迫.其原因可能是Zn积累于AM真菌组织结构中,并降低其在植物体内的移动性[15,30].同时,生物量增加而引起的“生物稀释效应”也减轻了Zn的毒害作用.

3 结论

(1)纳米ZnO具有一定的菌根毒性,施加水平越高,越不利于菌根侵染,同时AM真菌对纳米ZnO具有一定的耐性,在3000 mg ·kg-1纳米ZnO水平时依然能够侵染玉米根系.

(2)土壤中施加纳米ZnO对玉米有植物毒性,且有一定的剂量效应.

(3)纳米ZnO抑制玉米对N、 P、 K、 Fe、 Cu等营养元素的吸收,这是其引起植物毒性的重要机制之一.

(4)AM真菌改善玉米P、 N、 K矿质营养,增加Zn在根系中的分配比例、 降低Zn向玉米地上部分的转运,是AM真菌增加玉米抵御纳米ZnO毒害的一个重要机制.

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