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Effects of copper stress on the function of arbuscular mycorrhizal fungi community.

铜胁迫对丛枝菌根真菌群落功能的影响


过去20年来,对不同来源丛枝菌根真菌(AMF)的功能开展了大量研究,但多数基于对单个AMF功能的比较,群落水平的研究较少,且很多研究混淆了AMF来源和群落结构对其功能的影响,忽略了宿主的重要作用. 本研究通过两个短期温室盆栽试验,分析了铜胁迫对AMF群落结构的影响,比较了不同AMF群落的功能差异. 结果表明: 铜胁迫显著改变了AMF群落的孢子丰度和组成. 以根内球囊霉和幼套球囊霉为优势种的AMF群落有效减缓了铜胁迫对玉米生长和部分生理特性的抑制作用.
 

The functional differences of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) isolates from different sources have been extensively investigated in the last two decades. However, previous studies were mostly based on individual AMF species and the community level comparison was not addressed properly. Furthermore, many studies did not distinguish the difference between the effects of AMF source and community structure on their function, let alone concerned the significance of host plant. This study evaluated the effects of copper (Cu) stress on AMF community structure and compared the differences of AMF communities from Cu contaminated and uncontaminated substrates on performance of Zea mays  through two shortterm greenhouse pot culture experiments. The results showed that spore abundance and  composition of AMF communities were changed dramatically under Cu stress compared with the control. The communities dominated by Rhizophagus intraradices and Claroideoglomus etunicatum from Cu contaminated soils conferred more benefits on Z. mays in terms of plant growth and physiological properties relative to that from control governed by Funneliformis mosseae.
 


全 文 :铜胁迫对丛枝菌根真菌群落功能的影响∗
杨如意∗∗  昝树婷  李  静  苏楠楠  孙雯雯  郭富裕  周  刚
(安徽师范大学环境科学与工程学院, 安徽芜湖 241003)
摘  要  过去 20年来,对不同来源丛枝菌根真菌(AMF)的功能开展了大量研究,但多数基于
对单个 AMF功能的比较,群落水平的研究较少,且很多研究混淆了 AMF 来源和群落结构对
其功能的影响,忽略了宿主的重要作用. 本研究通过两个短期温室盆栽试验,分析了铜胁迫对
AMF群落结构的影响,比较了不同 AMF群落的功能差异. 结果表明: 铜胁迫显著改变了 AMF
群落的孢子丰度和组成. 以根内球囊霉和幼套球囊霉为优势种的 AMF 群落有效减缓了铜胁
迫对玉米生长和部分生理特性的抑制作用.
关键词  丛枝菌根真菌; 重金属; 耐性; 功能差异
文章编号  1001-9332(2015)05-1563-08  中图分类号  X171.5  文献标识码  A
Effects of copper stress on the function of arbuscular mycorrhizal fungi community. YANG
Ru⁃yi, ZAN Shu⁃ting, LI Jing, SU Nan⁃nan, SUN Wen⁃wen, GUO Fu⁃yu, ZHOU Gang (College
of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241003, Anhui, Chi⁃
na) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(5): 1563-1570.
Abstract: The functional differences of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) isolates from different
sources have been extensively investigated in the last two decades. However, previous studies were
mostly based on individual AMF species and the community level comparison was not addressed
properly. Furthermore, many studies did not distinguish the difference between the effects of AMF
source and community structure on their function, let alone concerned the significance of host plant.
This study evaluated the effects of copper (Cu) stress on AMF community structure and compared
the differences of AMF communities from Cu contaminated and uncontaminated substrates on per⁃
formance of Zea mays through two short⁃term greenhouse pot culture experiments. The results
showed that spore abundance and composition of AMF communities were changed dramatically un⁃
der Cu stress compared with the control. The communities dominated by Rhizophagus intraradices
and Claroideoglomus etunicatum from Cu contaminated soils conferred more benefits on Z. mays in
terms of plant growth and physiological properties relative to that from control governed by Funneli⁃
formis mosseae.
Key words: arbuscular mycorrhizal fungi; heavy metal; tolerance; functional difference.
∗国家自然科学基金项目(41001368)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: yangruyi@ mail.ahnu.edu.cn
2014⁃10⁃15收稿,2015⁃02⁃06接受.
    丛枝菌根真菌 ( arbuscular mycorrhizal fungi,
AMF)起源于约 4.6亿年前,是植物从水生环境成功
登陆的重要伴生物种之一,能够与 80%以上的陆生
植物形成共生体———菌根[1] . AMF是一种分布十分
广泛的微生物,包括干热河谷、盐碱地、重金属尾矿
等极端条件下的陆地生态系统[2-4],在滨海红树林、
湿地等水生生态系统也发现了 AMF 对宿主的侵
染[5-6] . AMF 能够显著促进宿主植物对矿质营养
(尤其是磷)的吸收,调节植物间的相互作用,减缓
胁迫环境的毒害,改善土壤性状,抑制土传病原菌
等,具有十分重要的生态功能[1,7-8] .
AMF对宿主的作用决定于环境因子、特定的
AMF与植物组合,以及双方的来源[9-11] . 过去 20 年
来,对不同来源 AMF 菌株的功能开展了大量研
究[12-14] . 通常,恶劣生境下的本地 AMF对环境的适
应能力更强,比外来的 AMF 生长发育状况好,对宿
主的促生作用也更显著,但也有相反的研究结
果[15] . 目前,对于 AMF来源和功能的研究还有几个
关键问题没有解决. 首先,前人的研究多数建立在
单个 AMF 物种而不是 AMF 群落的基础上,但是
应 用 生 态 学 报  2015年 5月  第 26卷  第 5期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2015, 26(5): 1563-1570
AMF在自然界中是以群落的形式存在的. 由于不同
AMF之间存在功能互补、协同或竞争作用,因此不
同 AMF的组合与单一 AMF之间在行为和功能上均
有很大差异[16-18] . 从群落水平上对不同来源的
AMF功能进行研究更贴近现实环境,而且同时接触
多种 AMF有利于宿主与 AMF 实现最佳组合. 自然
界中 AMF 群落的组成是由生物和非生物因子共同
决定的,如土壤环境的时空异质性,外来植物的引入
等[19-21] .研究发现,入侵植物加拿大一枝黄花(Soli⁃
dago canadensis)能够通过宿主对 AMF 的偏好性改
变本地 AMF群落的组成,降低本地相邻植物的竞争
能力,从而对其随后的入侵产生正反馈作用[22] . 其
次,部分研究混淆了 AMF 来源和不同的 AMF 群落
组成对其功能的影响. 如 Ji 等[18]通过移栽试验发
现,本地 AMF 群落对宿主的促生作用强于非本地
AMF群落,但是该研究结果并不能说明来源是影响
AMF功能的唯一原因,因为不同 AMF 群落在组成
上就存在差异. 此外,在对比不同来源的 AMF 功能
时几乎没有人关注宿主对 AMF 的影响. 研究表明,
宿主的更替会造成 AMF 的基因型和表型迅速发生
变化,从而提高对环境的适应能力[23-24],甚至邻近
的其他植物也会对宿主根际的 AMF 群落造成影
响[25] . 因此,研究 AMF的来源对其功能的生态学意
义不仅要考虑非生物环境的差异,生物环境的影响
同样不可忽视.
本研究用 5种常见的 AMF 构建了一个人工群
落,设置了 0(对照)、200 和 400 mg·kg-1等 3 个铜
浓度梯度,通过两个温室盆栽试验研究了铜胁迫对
AMF群落结构的影响,比较了不同的 AMF 群落对
宿主的促生作用和在缓解铜胁迫方面的功能差异.
本研究从群落水平上探讨了铜胁迫对 AMF 功能的
影响,将有助于更好地认识 AMF适应于特定土壤和
宿主环境的机制.
1  材料与方法
1􀆰 1  供试土壤、AMF接种体和植物
试验用土(0~15 cm)取自安徽省芜湖市一处水
稻田(31°17′ N,118°23′ E). 该区域属亚热带季风
性气候,年均气温 15 ~ 16 ℃,年均降水量约 1200
mm. 土壤为冲积壤土(相当于美国农业部土壤分
类系统中的 Fluvents) . 土壤 pH 为 6. 32 (2. 5 ∶ 1,
KCl水溶液 ∶ 土, V / V),砂粒、粉粒和粘粒分别
占 14􀆰 6%、23. 4% 和 52. 0%. 土壤有机质 29􀆰 00
g·kg-1,总氮 5􀆰 40 g·kg-1,总磷 583.50 mg·kg-1,
总钾 4􀆰 16 g·kg-1,Olsen 磷 25. 47 mg·kg-1,有效
氮 43􀆰 20 mg·kg-1,总铜 20.11 mg·kg-1,总铬 0􀆰 42
mg·kg-1,总铅 21.34 mg·kg-1[26] . 土壤自然风干后
过 5 mm土筛,并与石英砂按 3 ∶ 1(M / M)的比例混
匀. 混合好的土壤采用高压蒸汽灭菌,使用前稳定
一周.
本研究所用 AMF 菌种购自北京市农林科学院
植物营养与资源研究所“中国丛枝菌根真菌种质资
源库”. 所有 AMF菌种均以玉米为宿主在石英砂中
培养 10代. 前期研究发现,铜矿废弃地上侵染先锋
植物海州香薷(Elsholtzia splendens)根部的 AMF 全
部属于球囊霉属(Glomus) [4] . 因此,本研究选择 5
种常见的球囊霉属 AMF人工构建了 AMF群落作为
接种体. 这 5 种 AMF 分别是摩西球囊霉(Glomus
mosseae, BGC XJ02, 新分类系统中名称为 Funneli⁃
formis mosseae, 本研究均采用新名称,下同)、根内
球囊霉(Glomus intraradices BGC BJ09, Rhizophagus
intraradices)、透光球囊霉(Glomus diaphanum, BGC
GZ01C, Rhizophagus diaphanus)、扭形球囊霉(Glo⁃
mus tortuosum, BGC NM03A)和幼套球囊霉(Glomus
etunicatum, BGC XJ03C, Claroideoglomus etunica⁃
tum). 采用湿筛法分离 AMF 孢子[27],并计数. 人
工群落中每种 AMF 的孢子密度保持一致,为 40
个·g-1).
本研究中所用的宿主植物为玉米掖单 2 号,该
品种对重金属敏感[28] .
1􀆰 2  铜胁迫对 AMF群落结构的影响试验
将 CuSO4·5H2O配制成水溶液,添加到灭菌后
的土壤,充分混匀,并设置 0 (对照)、 200 和 400
mg Cu·kg-1干土 3 个处理(分别记为 Cu0、Cu200和
Cu400). 根据我国 《土壤质量标准》 ( GB 15618—
1995) [29]中的土壤铜浓度限值,本研究所设的最低
和最高铜浓度分别用以模拟土壤铜背景值和限制植
物生长的铜浓度水平.
将 50 g AMF 接种体(含有 AMF 孢子的石英
砂)与 2 kg 土壤充分混匀,待风干后装入塑料盆
(直径17.0 cm, 高 14.5 cm). 玉米种子用 0.5%的
NaClO表面灭菌,然后用蒸馏水冲洗两次,每盆播种
6粒种子. 种子萌发后进行间苗,每盆保留 4 株幼
苗. 塑料盆按照完全随机区组试验进行摆放,每个
处理 4 次重复. 温室中的气温保持在 18 ~ 32 ℃,光
照为自然光. 植物每天浇水,土壤湿度保持在田间
持水量的 70%. 生长期间添加两次 Hoagland营养液
维持玉米的正常生长,营养液中 P 的浓度减半以确
4651 应  用  生  态  学  报                                      26卷
保 AMF较高的侵染率[30] .
玉米培养 4 个月后收获(生长期为 5—8 月).
土壤中的孢子通过湿筛法进行分离,各种孢子根据
“中国丛枝菌根真菌种质资源库”和 INVAM 网站
(http: / / invam.caf.wvu.edu)提供的形态特征进行分
类计数. 其余土壤 4 ℃保存,用于后续试验.
1􀆰 3  铜胁迫对 AMF功能的影响试验
本试验为双因子交叉设计,包括铜浓度和 AMF
处理 2 个因子. 第一轮盆栽试验结束后,将含有
AMF群落的土壤作为第二轮培养试验的接种体,分
别记为 M0、M200和 M400(表示 AMF 接种体分别来源
于第一轮试验中的 Gu0、Cu200和 Cu400处理). 培养基
质的处理方法与第一轮试验相同,将砂土灭菌后加
入 CuSO4·5H2O配制的水溶液,设 0(对照)、200和
400 mg Cu·kg-1干土 3个处理. 每塑料盆装入 2 kg
土壤,分别与 20 g 接种体充分混匀. 本试验包括 3
个铜浓度水平和 3种 AMF处理,每个处理设 4 次重
复(n= 3×3×4). 本试验将接种体减少到 20 g,主要
是为弱化接种体 M200和 M400中所残余的铜对结果的
影响. 宿主、试验日常管理和取样方法均与第一轮
盆栽试验相同. 玉米收获后进行拍照,部分新鲜叶
片和根分别用于叶绿素、抗氧化酶、脂质过氧化和侵
染率测定. 剩余样品将全株分为根部和地上部分,
105 ℃杀青 30 min,65 ℃烘干至恒量,测定其生
物量.
1􀆰 4  测定项目与方法
1􀆰 4􀆰 1叶绿素(chlorophyll, CHL)含量测定  将部分
新鲜的玉米叶片剪成碎片,总 CHL通过丙酮和乙醇
混合物(1 ∶ 1,V / V)在黑暗中提取 24 h,利用紫外可
见分光光度计测定(UV757CRT, 上海精密科学仪器
有限公司).
1􀆰 4􀆰 2抗氧化酶和脂质过氧化  将 0.5 g 新鲜叶片
与 4 mL浓度为 50 mmol·L-1的预冷磷酸钠缓冲液
(pH 7.0)进行匀浆,缓冲液含有 1.0 mmol·L-1的
EDTA⁃Na2和 2%(M / V)的聚乙烯吡喀烷酮(PVP).
匀浆液在 4 ℃下 12000×g 离心 15 min,上清液用于
过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化物
岐化酶(SOD)活性测定[31-33] .
通过硫代巴比妥酸法 ( thiobarbituric acid,
TBA),以丙二醛(MDA)产生量评价脂质过氧化水
平. 取 0.2 g新鲜玉米叶片,用 5.0 mL含 20%三氯乙
酸和 0.5% TBA的溶液制成匀浆. 混合液 95 ℃水浴
30 min,随后迅速转入冰浴. 预冷的混合物室温下
5000×g离心 10 min,上清液用于测定 MDA含量[34] .
1􀆰 4􀆰 3植株中磷和铜浓度的测定  地上部分样品烘
干后研成粉末,通过 0.5 mol·L-1的 H2 SO4进行消
解,磷浓度通过钼锑抗比色法(UV757CRT, 上海精
密科学仪器有限公司)测定[35] . 地上部分磷吸收量
通过磷浓度和生物量进行计算.
植物样品烘干后研成粉末,600 ℃灰化 2 h. 通
过 1 mol·L-1HCl 提取[26],铜浓度通过火焰原子吸
收法测定(AA6800, Shimadzu, Japan).
1􀆰 4􀆰 4 AMF侵染率和玉米生物量的测定  部分根部
样品通过十字交叉法在立体显微镜(×40)下测定侵
染率[36],每个重复检测 200个根段.
玉米总生物量根据剩余样品鲜质量、干质量以
及总鲜质量进行计算.
1􀆰 5  数据处理
所有试验数据均使用 SPSS 20.0 统计分析软件
处理. 第一轮盆栽试验中的 AMF孢子密度进行单因
素方差分析(one⁃way ANOVA). 双因子试验中各个
因变量(总生物量、叶绿素含量、MDA 含量、磷吸收
量、铜吸收量和菌根侵染率)执行一般线性模型
(GLM)中的双因素方差分析( two⁃way ANOVA). 不
同处理均值的多重比较在 5%的置信水平上进行最
小显著差检验(LSD). 方差分析前先进行正态分布
和方差齐性检验. 玉米地上部分与根部铜浓度的比
值以及根部 AMF侵染率先进行反正弦平方根转化,
再进行统计分析.
2  结果与分析
2􀆰 1  孢子密度和组成
由图1可以看出,第一轮盆栽试验结束时,各处
图 1  AMF孢子密度和组成
Fig.1  AMF spore density and composition (n= 12).
不同字母表示差异显著(P < 0. 05) Different letters meant significant
difference at 0.05 level. Cu0: 对照 Control; Cu200: 200 mg Cu· kg-1;
Cu400: 400 mg Cu·kg-1 . 下同 The same below. Ce: 幼套球囊霉 Clar⁃
oideoglomus etunicatum; Gt: 扭形球囊霉 Glomus tortuosum; Rd: 透光
球囊霉 Rhizophagus diaphanus; Ri: 根内球囊霉 Rhizophagus intraradi⁃
ces; Fm: 摩西球囊霉 Funneliformis mosseae.
56515期                          杨如意等: 铜胁迫对丛枝菌根真菌群落功能的影响           
理中 5 种 AMF 的孢子密度随着铜浓度的提高趋于
下降,尤其是在铜浓度较高的处理中更加明显. 而
且,土壤中 AMF的孢子组成也发生了显著变化. 摩
西球囊霉在 Cu0 处理中是优势种,占 50.7%,但在
Cu200和 Cu400处理中分别下降到 36.1%和 29.9%. 相
反,根内球囊霉和幼套球囊霉的比例则从 Cu0中的
13.6%、20.1%分别增加到 Cu200和 Cu400中的 24.3%、
19.9%和 32.1%、48.6%. 扭形球囊霉对铜胁迫最为
敏感,在 Cu400处理中未发现该物种的孢子.
2􀆰 2  铜胁迫对植物生长及 AMF群落功能的影响
2􀆰 2􀆰 1对玉米生长的影响  从双因子试验的结果可
以看出,无论接种哪一种 AMF,玉米根部的伸长均
受到 2个铜胁迫处理的显著抑制(图 2). 与 Cu0相
比,铜胁迫处理中玉米的根部较短、发生肿胀且高度
分枝,受抑制的程度随铜浓度增加而升高. 铜胁迫
处理使玉米地上部分生物量和总生物量显著下降
(图 3、表 1), 但根部生物量并无显著变化(图 3).
在 Cu200胁迫下,与 M0相比,M400能够显著缓解铜对
玉米根部生长和总生物量的不利影响(图 3 和表
1). 而且,接种 AMF能够显著缓解高水平铜胁迫对
玉米根部形态的影响. Cu400胁迫下,接种 M400的玉
米根长显著高于 M0和 M200处理,分枝也显著减少
(图 2 和图 4). 相反,M0在没有铜胁迫的对照处理
中对玉米根部的伸长更有利(图 4).
2􀆰 2􀆰 2对玉米生理指标的影响  过量的铜导致玉米
叶片黄化、叶尖卷曲,总 CHL显著下降(图 5). 施加
铜引起叶片中 MDA 含量显著增加,表明叶片脂质
过氧化水平提高,造成严重的生物膜损伤,且损伤程
度随着铜浓度增加而显著提高(图5) .铜处理对抗
图 2  不同 AMF处理的玉米根部
Fig.2  Roots of Zea mays inoculated by various AMF inocula.
a) Cu400处理中接种 M0的玉米根部,主根较短,有大量侧根 Zea mays
in Cu400 treatment inoculated by M0 with shorter main roots and more
branch roots; b) 从左至右分别是 Cu400、Cu200和 Cu0处理中接种 M0
的玉米根部 Roots of Z. mays were inoculated by M0 in Cu400, Cu200 and
Cu0 treatments from left to right; c) 从左至右分别是 Cu400处理中接种
M400、 M200和M0的玉米根部 Roots of Z. mays were inoculated by M400,
M200 and M0 in Cu400 treatment from left to right.
图 3  不同 AMF和铜处理下玉米地上和地下部分生物量
Fig.3   Shoot and root biomasses of Zea mays under different
AMF and Cu treatments (n= 36).
M0、M200、M400分别表示来自 Cu0、Cu200、Cu400处理的 AMF 接种体
M0, M200 and M400 indicated AMF inocula from Cu0, Cu200 and Cu400,
respectively. 不同小写字母表示同一 Cu 处理不同 AMF 处理间差异
显著,不同大写字母表示同一 AMF处理不同 Cu处理间差异显著(P
<0.05) Different small letters indicated significant difference among dif⁃
ferent AMF treatments in the same Cu treatment, and different capital let⁃
ters indicated significant difference among different Cu treatments in the
same AMF treatment at 0.05 level. 下同 The same below.
表 1  双因素方差分析中不同因子和因子组合对各变量影
响的显著性水平
Table 1  Significance level of effects of different factors and
factor interactions on variables based on two⁃way analyses
of variance (ANOVA)
变量
Variable

Cu
接种体
Inocula
铜×接种体
Cu×inocula
总生物量 Total biomass ∗∗ ∗ ∗
CHL含量 CHL content ∗∗ ∗ ∗∗
MDA含量 MDA content ∗∗ ∗∗ ∗
SOD活性 SOD activity ns ns ∗
CAT活性 CAT activity ∗ ns ns
POD活性 POD activity ∗∗ ns ns
P 浓度 P concentration ∗∗ ns ns
P 吸收量 P uptake ∗∗ ns ns
地上部分铜浓度
Shoot Cu concentration
∗∗ ns ns
根部铜浓度
Root Cu concentration
∗∗ ∗∗ ∗
地上与根部铜浓度比值
Shoot to root ratio of Cu concentration
∗∗ ∗ ∗
菌根侵染率
Mycorrhizal colonization
∗∗ ns ns
∗P<0.05; ∗∗P<0.01; ns: P>0.05.
氧化酶活性的影响不一致,对 SOD的活性无明显影
响,但显著抑制 CAT和 POD活性(表 1, 图 5).
    双因素方差分析结果表明,AMF 接种体以及
铜×接种体的交互作用均对 CHL 和 MDA 含量有显
著 影响 (表1 ) .但只有在Cu0处理中M400对叶片
6651 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 4  不同 AMF和铜处理下玉米的根长
Fig.4  Root length of Zea mays under different AMF and Cu
treatments (n= 36).
图 5  不同 AMF和铜处理下玉米的生理特性
Fig. 5   Physiological properties of Zea mays under different
AMF and Cu treatments (n= 36).
CHL含量有显著促进作用(图 5). 同样,M400还能够
减少 MDA 的产生,且其缓解效果要显著强于对
CHL含量的影响. 接种 AMF 对 3 种抗氧化酶的活
性均无显著影响(表 1).
2􀆰 2􀆰 3玉米体内磷浓度与磷吸收量  从图 6 可以看
出,Cu0处理中玉米地上部分的磷浓度与 Cu200处理
接近,两者均显著低于 Cu400处理. 根据玉米的磷浓
度和生物量,可以计算出玉米的磷吸收量. Cu0和
Cu400处理中玉米地上部分的磷吸收量高于 Cu200处
理. 不同 AMF处理中,无论地上部分磷浓度还是吸
收量均无显著差异.
2􀆰 2􀆰 4铜浓度和铜吸收量  铜处理中玉米地上部分
和根部的铜浓度显著高于对照. 但与对照相比,两
个铜处理中铜从根部向地上部分的运输量趋于下降
(图6 ) . M200和M400分别增加了Cu200和Cu400处理
图 6  不同 AMF与铜处理下玉米对磷和铜的吸收与积累
Fig.6  Shoot and root P or Cu accumulations of Zea mays under
different AMF and Cu treatments (n= 36).
76515期                          杨如意等: 铜胁迫对丛枝菌根真菌群落功能的影响           
中玉米根部的铜浓度;但在 Cu0处理中,两者与 M0
相比均降低了铜从玉米根部向地上部分的运输(图
6). 绝大部分铜积累在玉米根部,地上和根部铜吸
收量最大的分别是 Cu400和 Cu200处理. 接种 AMF 对
铜的吸收量无显著影响.
2􀆰 2􀆰 5菌根侵染率   与 Cu0和 Cu200处理相比,Cu400
处理显著降低了 AMF的侵染率(表 1). 尽管土壤中
AMF群落结构发生了显著变化,但 3 种接种体中
AMF对玉米的侵染率均无明显差异.
3  讨    论
近年来,生态学家逐渐认识到从群落水平上对
不同来源 AMF 的功能开展研究具有更加重要的意
义[15,18] . 但是,从生态学的角度上看,一直没有完全
弄清 AMF群落如何适应于本地的宿主与土壤环境.
本研究表明,铜胁迫显著改变了玉米根际土壤中
AMF的孢子密度和组成,这与 Ji 等[18]的发现是一
致的. 当暴露于过量重金属环境时,AMF 孢子密度
显著下降是一种常见现象,主要原因可能是由于重
金属对孢子活力和产孢能力的强烈抑制[37-38] . 至于
AMF孢子组成的变化,可能是由于不同 AMF 对铜
胁迫的耐性水平不同造成的,比如摩西球囊霉、根内
球囊霉和幼套球囊霉对铜胁迫的反应就刚好相反
(图 1). 许多研究也证明,某些 AMF(孢子或序列)
在相对较宽的重金属环境下丰富度都很高,而有些
则只能在轻度或中度污染环境中出现[4,39-42] . 此外,
众所周知,不同的宿主植物根际的 AMF群落有显著
差异,当周围出现其他邻体植物时其群落结构也会
发生相应变化[19,22,43] . 本研究中所用的宿主全部为
玉米,因此宿主对 AMF群落的影响可以忽略. 然而,
植物与 AMF之间的关系(相互之间的偏好性)是否
会随着不同的环境条件而发生变化尚不清楚,对这
种变化的生态学意义也所知甚少. 最近有研究表
明,玉米根际的 AMF群落结构会随着土壤质地的梯
度变化而改变[44],这表明考虑环境对 AMF 群落的
影响是十分必要的. 因此,本研究在分析 AMF 群落
组成的变化时应该充分考虑铜胁迫下玉米对 AMF
的偏好性可能也会有所变化. 如果铜胁迫下玉米倾
向于选择根内球囊霉和幼套球囊霉作为最佳共生
菌, 在应对铜胁迫时由这两个物种作为优势种的
AMF群落(即 M200和 M400)将比以摩西球囊霉为优
势种的 AMF群落(M0)对玉米产生更大的益处.
双因子试验研究了过量铜对玉米的影响,以及
不同 AMF群落对玉米功能的差异. 结果表明,铜胁
迫对玉米的生长、菌根侵染和生理特征均造成了不
利影响,尤其是根部的伸长、总生物量、CHL和 MDA
含量等,但并未显著提高抗氧化酶活性. 抗氧化酶
在保持细胞膜的结构完整性方面具有重要作用[45] .
抗氧化酶活性在整个试验期内可能会发生波动,且
其变化情况与胁迫水平有关,不同的同工酶变化特
征也不相同[46-47] . 从这个意义上讲,应对抗氧化酶
活性进行动态测定,在解释其结果时也应更加慎重.
除了对活性氧(ROS)的清除作用以外,植物在应对
胁迫条件的长期过程中还进化出了其他耐受机制.
本研究发现,玉米地上与根部的铜浓度比值下降,磷
的吸收量增加可能也有助于提高玉米对铜胁迫的耐
性(图 6). 关于不同 AMF 群落的功能,本研究表明
接种体 M400能够缓解铜胁迫对玉米的影响,但是其
作用效果与所测定的生理指标类型和铜胁迫水平有
关. AMF对铜毒害最显著的减缓作用体现在对玉米
生长和生理指数的影响上. 与 M0相比,M400对铜胁
迫下玉米根部的促生作用更明显,增加了根部的生
物量,改变了根部形态(图 3和图 4),减轻了对细胞
膜的损伤(图 5). 相反,M0在对照条件下更有益于
玉米根部的生长(图 4),这表明 AMF在生态功能上
与其所侵染的宿主和接触的土壤环境是相适应的.
许多研究均证实,来自重金属污染环境中的 AMF菌
株能够更加高效地促进宿主对磷的摄取,并且多磷
酸盐可能与重金属的解毒作用有关[15,48] . 但是,我
们并未发现不同 AMF 接种体对玉米的磷浓度和摄
取量产生影响,这可能与其侵染率相同有一定关系
(图 6). 尽管对磷的摄取无显著影响,但 M200和 M400
显著降低了铜从根部向地上部分的运输.
本研究表明,铜胁迫会改变玉米根际的 AMF群
落,而且来自铜胁迫土壤中的 AMF群落在铜胁迫条
件下对玉米更有益. AMF群落结构和功能的变化将
会对宿主植物产生正面或负面的反馈作用;同时,由
于 AMF对植物间的相互作用具有重要的调节功能,
从长远来看,必将改变植物之间相互作用的方向和
强度[7] . 由于本研究属于短期试验,AMF 对铜胁迫
的缓解作用也十分有限. 而且,将来还需要通过单
接种试验验证玉米对不同 AMF的偏好性,证明铜胁
迫下根内球囊霉和幼套球囊霉是否真的比摩西球囊
霉更有益. 基于目前的研究成果可以推测,如果M400
能够在铜污染环境下再连续繁殖几代其对玉米生长
的促生作用会更明显,但如果在无铜胁迫的环境下
进行培养其对铜胁迫的缓解作用可能会迅速丧
失[49-50] .
8651 应  用  生  态  学  报                                      26卷
参考文献
[1]  Smith SE, Read DJ. Mycorrhizal Symbiosis. London:
Academic Press, 2008
[2]  Li LF, Li T, Zhang Y, et al. Molecular diversity of ar⁃
buscular mycorrhizal fungi and their distribution patterns
related to host plants and habitats in a hot and arid eco⁃
system, southwest China. FEMS Microbiology Ecology,
2010, 71: 418-427
[3]  Yang H⁃X (杨海霞), Guo S⁃X (郭绍霞), Liu R⁃J
(刘润进). Characteristics of arbuscular mycorrhizal
fungal diversity and functions in saline⁃alkali land. Chi⁃
nese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2015, 26(1): 311-320 (in Chinese)
[4]  Yang RY, Zan ST, Tang JJ, et al. Variation in commu⁃
nity structure of arbuscular mycorrhizal fungi associated
with a Cu tolerant plant Elsholtzia splendens. Applied Soil
Ecology, 2010, 44: 191-197
[5]  Wang YT, Qiu Q, Yang ZY, et al. Arbuscular mycor⁃
rhizal fungi in two mangroves in South China. Plant and
Soil, 2010, 331: 181-191
[6]  Wang YT, Huang YL, Qiu Q, et al. Flooding greatly
affects the diversity of arbuscular mycorrhizal fungi com⁃
munities in the roots of wetland plants. PLoS ONE,
2011, 6: e24512
[7]  Xie L⁃J (谢丽君), Song Y⁃Y (宋圆圆), Zeng R⁃S
(曾任森), et al. Disease resistance signal transfer be⁃
tween roots of different tomato plants through common
arbuscular mycorrhiza networks. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2012, 23 ( 5):
1145-1152 (in Chinese)
[8]   Meier S, Azcón R, Cartes P, et al. Alleviation of Cu
toxicity in Oenothera picensis by copper⁃adapted arbuscu⁃
lar mycorrhizal fungi and treated agrowaste residue.
Applied Soil Ecology, 2011, 48: 117-124
[9]  Klironomos JN. Variation in plant response to native and
exotic arbuscular mycorrhizal fungi. Ecology, 2003, 84:
2292-2301
[10]  Sudov􀅡 R, Doubkov􀅡 P, Vos􀅡tka M. Mycorrhizal associ⁃
ation of Agrostis capillaris and Glomus intraradices under
heavy metal stress: Combination of plant clones and fun⁃
gal isolates from contaminated and uncontaminated sub⁃
strates. Applied Soil Ecology, 2008, 40: 19-29
[11]   Yang R⁃Y (杨如意), Guo F⁃Y (郭富裕), Zan S⁃T
(昝树婷), et al. Effects of origin on the functioning of
arbuscular mycorrhizal fungi. Acta Ecologica Sinica (生
态学报), 2014, 34(15): 4142-4150 (in Chinese)
[12]  Tian CY, Feng G, Li XL, et al. Different effects of
arbuscular mycorrhizal fungal isolates from saline or non⁃
saline soil on salinity tolerance of plants. Applied Soil
Ecology, 2004, 26: 143-148
[13]  Redon PO, Béguiristain T, Leyval C. Differential effects
of AM fungal isolates on Medicago truncatula growth and
metal uptake in a multimetallic (Cd, Zn, Pb) contami⁃
nated agricultural soil. Mycorrhiza, 2009, 19: 187-195
[14]  Orlowska E, Godzik B, Turnau K. Effect of different ar⁃
buscular mycorrhizal fungal isolates on growth and arse⁃
nic accumulation in Plantago lanceolata L. Environmen⁃
tal Pollution, 2012, 168: 121-130
[15]  Doubkov􀅡 P, Suda J, Sudov􀅡 R. The symbiosis with ar⁃
buscular mycorrhizal fungi contributes to plant tolerance
to serpentine edaphic stress. Soil Biology and Biochemis⁃
try, 2012, 44: 56-64
[16]  van der Heijden MGG, Klironomos JN, Ursic M, et al.
Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversi⁃
ty, ecosystem variability and productivity. Nature,
1998, 396: 69-72
[17]  Jansa J, Smith FA, Smith SE. Are there benefits of sim⁃
ultaneous root colonization by different arbuscular mycor⁃
rhizal fungi? New Phytologist, 2008, 177: 779-789
[18]  Ji BM, Bentivenga SP, Casper BB. Evidence for ecolog⁃
ical matching of whole AM fungal communities to the
local plant⁃soil environment. Ecology, 2010, 91: 3037-
3046
[19]  Hawkes CV, Belnap J, D’Antonio C, et al. Arbuscular
mycorrhizal assemblages in native plant roots change in
the presence of invasive exotic grasses. Plant and Soil,
2006, 281: 369-380
[20]  Tian H, Drijber RA, Niu XS, et al. Spatio⁃temporal dy⁃
namics of an indigenous arbuscular mycorrhizal fungal
community in an intensively managed maize agroecosys⁃
tem in North China. Applied Soil Ecology, 2011, 47:
141-152
[21]  Davison J, Öpik M, Zobel M, et al. Communities of ar⁃
buscular mycorrhizal fungi detected in forest soil are spa⁃
tially heterogeneous but do not vary throughout the grow⁃
ing season. PLoS ONE, 2012, 7: e41938
[22]   Zhang Q, Yang RY, Tang JJ, et al. Positive feedback
between mycorrhizal fungi and plants influences plant in⁃
vasion success and resistance to invasion. PLoS ONE,
2010, 5: e12380
[23]  Ehinger M, Koch AM, Sanders IR. Changes in arbuscu⁃
lar mycorrhizal fungal phenotypes and genotypes in re⁃
sponse to plant species identity and phosphorus concen⁃
tration. New Phytologist, 2009, 184: 412-423
[24]  Angelard C, Tanner CJ, Fontanillas P, et al. Rapid
genotypic change and plasticity in arbuscular mycorrhizal
fungi is caused by a host shift and enhanced by segrega⁃
tion. The ISME Journal, 2014, 8: 284-294
[25]  Hausmann NT, Hawkes CV. Plant neighborhood control
of arbuscular mycorrhizal community composition. New
Phytologist, 2009, 183: 1188-1200
[26]  Lu R⁃K (鲁如坤). Analysis Methods for Soil and Agro⁃
chemistry. Beijing: Chinese Agricultural Science and
Technology Press, 2000 (in Chinese)
[27]  Gerdemann JW, Nicolson TH. Spores of mycorrhizal en⁃
dogone species extracted from soil by wet sieving and de⁃
canting. Transactions of the British Mycological Society,
1963, 46: 235-244
[28]  Yang RY, Liu L, Zan ST, et al. Plant species coexis⁃
tence alleviates the impacts of lead on Zea mays L. Jour⁃
nal of Environmental Sciences, 2012, 24: 396-401
[29]  Ministry of Environmental Protection of the People’ s
Republic of China (中华人民共和国环境保护部).
96515期                          杨如意等: 铜胁迫对丛枝菌根真菌群落功能的影响           
Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618 -
1995). Beijing: China Standards Press, 1995 ( in Chi⁃
nese)
[30]   Covacevich F, Echeverría HE, Aguirrezabal LAN. Soil
available phosphorus status determines indigenous my⁃
corrhizal colonization of field and glasshouse⁃grown
spring wheat from Argentina. Applied Soil Ecology,
2007, 35: 1-9
[31]  Beers RF, Sizer IW. A spectrophotometric method for
measuring the breakdown of hydrogen peroxide by cata⁃
lase. Journal of Biological Chemistry, 1952, 195: 133-
140
[32]  Beauchamp C, Fridovich I. Superoxide dismutase: Im⁃
proved assays and an assay applicable to acrylamide
gels. Analytical Biochemistry, 1971, 77: 276-287
[33]   Zhang J, Cui S, Li J, et al. Protoplasmic factors, an⁃
tioxidant responses, and chilling resistance in maize.
Plant Physiology and Biochemistry, 1995, 33: 567-575
[34]   Kosugi H, Kikugawa K. Thiobarbituric acid reaction of
aldehydes and oxidized lipids in glacial acetic acid. Lip⁃
ids, 1985, 20: 915-921
[35]  Murphy J, Riley JP. A modified single solution method
for the determination of phosphate in natural waters.
Analytica Chimica Acta, 1962, 27: 31-36
[36]  Giovannetti M, Mosse B. An evaluation of techniques for
measuring vesicular arbuscular mycorrhizal infection in
roots. New Phytologist, 1980, 84: 489-500
[37]  Zarei M, Saleh⁃Rastin N, Jouzani GS, et al. Arbuscular
mycorrhizal abundance in contaminated soils around a
zinc and lead deposit. European Journal of Soil Biology,
2008, 44: 381-391
[38]  Cornejo P, Pérez⁃Tienda J, Meier S, et al. Copper com⁃
partmentalization in spores as a survival strategy of ar⁃
buscular mycorrhizal fungi in Cu⁃polluted environments.
Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57: 925-928
[39]  Del Val C, Barea JM, Azcón⁃Aguilar C. Diversity of ar⁃
buscular mycorrhizal fungus populations in heavy metal
contaminated soils. Applied and Environmental Microbiol⁃
ogy, 1999, 65: 718-723
[40]  Zarei M, König S, Hempel S, et al. Community struc⁃
ture of arbuscular mycorrhizal fungi associated to Veroni⁃
ca rechingeri at the Anguran zinc and lead mining region.
Environmental Pollution, 2008, 156: 1277-1283
[41]  Zarei M, Hempel S, Wubet T, et al. Molecular diversity
of arbuscular mycorrhizal fungi in relation to soil chemi⁃
cal properties and heavy metal contamination. Environ⁃
mental Pollution, 2010, 158: 2757-2765
[42]  Kivlin SN, Hawkes CV, Treseder KK. Global diversity
and distribution of arbuscular mycorrhizal fungi. Soil
Biology and Biochemistry, 2011, 43: 2294-2303
[43]  Yang HS, Zang YY, Yuan YG, et al. Selectivity by host
plants affects the distribution of arbuscular mycorrhizal
fungi: Evidence from ITS rDNA sequence metadata.
BMC Evolutionary Biology, 2012, 12: 50
[44]  Moebius⁃Clune DJ, Moebius⁃Clune BN, van Es HM, et
al. Arbuscular mycorrhizal fungi associated with a single
agronomic plant host across the landscape: Community
differentiation along a soil textural gradient. Soil Biology
and Biochemistry, 2013, 64: 191-199
[45]  Madejón P, Ramírez⁃Benítez JE, Corrales I, et al. Cop⁃
per⁃induced oxidative damage and enhanced antioxidant
defenses in the root apex of maize cultivars differing in
Cu tolerance. Environmental and Experimental Botany,
2009, 67: 415-420
[46]  Zhang FQ, Wang YS, Lou ZP, et al. Effect of heavy
metal stress on antioxidative enzymes and lipid peroxida⁃
tion in leaves and roots of two mangrove plant seedlings
(Kandelia candel and Bruguiera gymnorrhiza). Chemo⁃
sphere, 2007, 67: 44-50
[47]  Shah K, Nahakpam S. Heat exposure alters the expres⁃
sion of SOD, POD, APX and CAT isozymes and miti⁃
gates low cadmium toxicity in seedlings of sensitive and
tolerant rice cultivars. Plant Physiology and Biochemis⁃
try, 2012, 57: 106-113
[48]  Orell A, Navarro CA, Arancibia R, et al. Life in blue:
Copper resistance mechanisms of bacteria and Archaea
used in industrial biomining of minerals. Biotechnology
Advances, 2010, 28: 839-848
[49]  Malcov􀅡 R, Rydlov􀅡 J, Vos􀅡tka M. Metal⁃free cultiva⁃
tion of Glomus sp. BEG 140 isolated from Mn⁃contamina⁃
ted soil reduces tolerance to Mn. Mycorrhiza, 2003, 13:
151-157
[50]  Rydlov􀅡 J, Vos􀅡tka M. Effect of Glomus intraradices iso⁃
lated from Pb⁃contaminated soil on Pb uptake by Agrostis
capillaris is changed by its cultivation in a metal⁃free
substrate. Folia Geobotanica, 2003, 38: 155-165
作者简介  杨如意,男,1979年生,博士. 主要从事环境污染
与修复等研究. E⁃mail: yangruyi@ mail.ahnu.edu.cn
责任编辑  肖  红
0751 应  用  生  态  学  报                                      26卷