STOTEN西南科大董发勤：NMT发现接种AMF促根吸Cd且与跨膜钙流耦合为AMF缓解Cd毒并增强黑麦草Cd修复潜力提供证据

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

基本信息

主题：NMT发现接种AMF促根吸Cd且与跨膜钙流耦合为AMF缓解Cd毒并增强黑麦草Cd修复潜力提供证据

期刊：Scienceof the Total Environment

影响因子：7.963

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Unraveling the effects of arbuscular mycorrhizal fungi on cadmium uptake and detoxification mechanisms in perennial ryegrass (Lolium perenne)

作者：西南科技大学董发勤、韩颖，莱里达大学Víctor Resco de Dios、Obey Kudakwashe Zveushe

检测离子/分子指标

Cd²⁺、Ca²⁺

检测样品

黑麦草根（非接种植物距根尖600 μm，接种植物距根尖800 μm）

中文摘要

镉（Cd）是一种主要的环境污染物，也是环境中毒性最强的金属之一。丛枝菌根真菌（AMF）辅助植物修复可用于去除污染土壤中的Cd，但AMF在Cd积累和耐受中的作用尚不清楚。本研究用两种不同的AMF物种（幼套球囊霉Glomus etunicatum和摩西球囊霉Glomus mosseae）接种在黑麦草（Lolium perenne）上。将有菌根的黑麦草和无菌根的对照组暴露在Cd胁迫下，研究检测了AMF菌根化对Cd吸收和随后的耐受性的影响，以及基本机制。菌根侵染增加了根系对Cd²⁺的吸收，研究还观察到净Cd²⁺内流与净Ca²⁺内流耦合。Ca²⁺转运通道的失活使非接种根对Cd²⁺的吸收量较接种根有大幅度降低，说明AMF激活了额外的离子转运通道。因此，与未接种的对照相比，接种的植株在根和地上部都表现出较高的镉积累。然而，AMF接种的植物在Cd条件下表现出更高的叶绿素浓度、光合作用和生长，表明尽管AMF接种的植物对Cd的吸收增加，但Cd的毒性仍然较低。研究观察到，接种AMF的植物有利于把Cd分隔在细胞壁和液泡内，根部的超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽浓度比未接种的植物高，从而减少了Cd暴露带来的胁迫。本研究结果揭示了AMF在重金属污染环境中增强黑麦草的修复潜力和机制。

离子/分子流实验处理方法

①60 mg kg^-1 Cd+no AMF inoculation（60+0）, 60 mg kg^-1 Cd+G. etunicatum（60+GE），60 mg kg^-1 Cd+G. mosseae（60+GM）处理60 d。

②60+0、60+GE、60+GM处理60 d后，20 μM verapamil处理25 min。

离子/分子流实验结果

非损伤微测技术（NMT）分析表明，Cd²⁺内流在接种根和未接种根的根尖区域不同（图1a）。最大离子流出现在距根尖600（未接种根）和800 μm处（接种根），随后急剧下降。最大Cd流速出现在pH为6时（图1a）。

为了评估测试液中不同浓度的Ca²⁺是否影响Cd²⁺的吸收，在测量液中Ca²⁺浓度分别为0.01、0.1和1 mM的情况下，分别在距根尖600（未接种）和800 μm（接种）处实时测量Cd²⁺净流速和平均流速。Ca²⁺浓度对净Cd²⁺影响显著（图1b），在0.01、0.1和1 mM时，实时净Cd²⁺流速分别为-0.87±0.3、-1.7±0.1和-0.5±0.3 pmol cm^-2 s^-1。同样，本研究结果表明，AMF植物的实时Cd²⁺流速在0.1 mM Ca²⁺时最高，在1 mM Ca²⁺时最低（图1b）。

图1. 不同根区、不同测试液Ca²⁺浓度和不同测试液pH下，黑麦草根部Cd²⁺流速。负值代表Cd²⁺吸收。

研究观察到接种根的实时净Cd²⁺和Ca²⁺流速明显高于未接种根。更具体地说，在幼套球囊霉和摩西球囊霉中，Cd²⁺的净流入量和平均内流速率分别比未接种的根大402%和486%（图2a, c）。

在幼套球囊霉和摩西球囊霉中，Ca²⁺内流速率分别比未接种的根大600%和785%（图2a, c）。用verapamil阻断/失活Ca²⁺转运体通道可分别显著抑制60+0、60+GE和60+GM中的Cd²⁺净内流速率和平均速率98%、51%和33%（图2b, d）。

图2. 在黑麦草根尖净Cd²⁺流速（a, b）和平均净Cd²⁺流速（c, d）。负值代表Cd²⁺吸收。

结果还表明，verapamil使钙转运通道失活可分别显著抑制60+0、60+GE和60+GM中的Ca²⁺净内流速率和平均速率100%、53%和48%（图3b, d）。

图3. 在黑麦草根尖净Ca²⁺流速（a, b）和平均净Ca²⁺流速（c, d）。负值代表Ca²⁺吸收。

其他实验结果

与未接种AMF组相比，接种AMF组（60+GE和 60+GM）根和地上部分Cd含量均增加。
Cd胁迫下，非接种植物根系Ca浓度下降，地上部分Ca浓度保持恒定；在Cd胁迫下，AMF植株地上部分和根部Ca含量显著高于未胁迫植株。
对照处理（35 cm）的地上部分长度在Cd胁迫下（24 cm，0+60）下降，但在接种AMF后（37 cm，60+GE和60+GM）恢复到与对照相似的长度。在根长、地上部分和根系生物量方面也观察到类似的变化。
与对照相比，接种幼套球囊霉和摩西球囊霉后，总叶绿素浓度显著增加，随着Cd胁迫的加剧，总叶绿素浓度显著下降。接种与胁迫的交互作用使Cd胁迫植株叶绿素总浓度随着AMFs的存在而恢复到对照水平。
0+GE和0+GM的类胡萝卜素浓度显著高于接种对照。Cd胁迫显著降低了类胡萝卜素浓度，接种AMF部分抵消了这种下降。
0+GE和0+GM处理的光合速率显著增加。未观察到Cd胁迫诱导的光合速率显著下降。
与未接种的植株相比，60+GE和60+GM植株的气孔导度显著增加。在Cd胁迫下接种植株的气孔导度与无Cd胁迫下接种植株的气孔导度没有差异。
AMF植株根细胞壁Cd浓度显著高于其他亚细胞组分。
与0+0和60+0处理植株相比，60+GE和60+GM处理植株的根系F_s（可溶部分）值显著提高。此外，Cd胁迫下接种植株的平均地上部F_s百分比值（60+GE和60+GM）显著高于未接种处理。
AMF植株F_cw（细胞壁）和F_s中Cd含量的相对增加是以细胞器Cd含量的相对增加为代价的，降低了81%。在4个亚细胞组分中，接种植株地上部F_cw中Cd浓度相对于未接种植株下降最为显著，其次是F_co（细胞器）。
Cd胁迫与AMF接种的交互作用显著影响了不同Cd化学形态在根和地上部分的分布。
根中的MDA浓度60+0＞60+GE和60+GM＞0+0处理，地上部分的MDA浓度60+0＞60+GE和60+GM＞0+GE和0+GM；根中的SOD浓度60+GE＞60+0＞0+0处理，地上部分的SOD浓度60+0＞60+GE和60+GM处理；根中的POD浓度60+0＞60+GE＞60+GM处理，地上部分的POD浓度60+0＞60+GE和60+GM处理。
黑麦草根和地上部分中的总GSH水平受AMF接种和Cd胁迫之间的交互作用影响明显。在Cd胁迫下，接种植物的平均GSH水平＞60+0＞0+0处理。

结论

研究发现，Cd和Ca通过根系吸收呈竞争关系。如果Ca²⁺通道被阻断，非菌根植物的Cd内流受到明显抑制，而菌根植物的Cd内流受影响较小，说明AMF为根系吸收Cd提供了额外的运输通道。AMF植株在根部和地上部的Cd积累量均高于非AMF对照植物。然而，AMF植物在Cd胁迫下表现出更高的叶绿素浓度、光合作用和生长，表现出更低的Cd中毒症状。这可能是因为AMF植株在细胞区室（细胞壁和可溶性部分）中分离出更多的Cd，在根和地上部积累更少的MDA，表达更高的SOD和GSH活性，转化更少的Cd在根和地上部的生物有效性。

测试液

0.01/0.1/1 mM CaCl₂, 0.1 mM Cd²⁺, 0.1 mM KCl, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, pH 6.0

NMT仪器信息

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721042959?via%3Dihub

供稿：赵雪琦
编辑：刘兆义

关键词：非损伤微测技术（NMT）；Cd流速；AMF；亚细胞分布；化学形态；黑麦草；植物类

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