全 文 ：第 35 卷第 15 期
2015年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.15
Aug.,2015
http: / / www.ecologica.cn
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(2012HASTIT014); 河南省高校青年骨干教师资助计划
(2012GGJS鄄079)
收稿日期:2014鄄01鄄26; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wfy1975@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201401260191
王丽华, 王发园, 景新新, 李帅, 刘雪琴.纳米氧化锌和接种丛枝菌根真菌对大豆生长及营养吸收的影响.生态学报,2015,35(15):5254鄄5261.
Wang L H, Wang F Y, Jing X X, Li S, Liu X Q.Effect of ZnO nanoparticles and inoculation with arbuscular mycorrhizal fungus on growth and nutrient
uptake of soybean.Acta Ecologica Sinica,2015,35(15):5254鄄5261.
纳米氧化锌和接种丛枝菌根真菌对大豆生长及营养吸
收的影响
王丽华1, 王发园1,*, 景新新1, 李摇 帅1, 刘雪琴2,3
1 河南科技大学农学院, 洛阳摇 471003
2 洛阳师范学院生命科学系, 洛阳摇 471022
3 西南大学资源环境学院, 重庆摇 400716
摘要:纳米氧化锌是应用最广的人工纳米颗粒(nanoparticles, NPs)之一,具有一定生物毒性。 丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,
AM)真菌能与陆地上 80%以上的高等植物形成丛枝菌根共生体,并能改善宿主植物矿质营养,提高其抗逆性。 然而纳米 ZnO
与丛枝菌根的关系尚不清楚。 通过温室沙培盆栽试验,研究了施加不同水平纳米 ZnO(0、500、1000、2000、3000 mg / kg)和接种
AM真菌 Acaulospora mellea对大豆生长及营养状况的影响。 结果表明,3000 mg / kg的纳米 ZnO显著抑制大豆植株生长,表现出
植物毒性,在其他水平时没有显著影响。 纳米 ZnO在施加水平 500、1000 mg / kg时没有抑制 AM 真菌对大豆根系的侵染,但是
高施加水平(>2000 mg / kg)时对 AM真菌产生毒害,几乎完全抑制大豆根系菌根侵染。 接种 AM 真菌仅在 500 mg / kg纳米 ZnO
时显著促进大豆生长,增加大豆植株对 P、K、N的吸收,降低根系 Zn含量。 纳米 ZnO可能会持续释放锌离子,并抑制大豆根系
对矿质营养元素的吸收,从而产生生物毒性,而 AM真菌与大豆根系的共生可起到有益作用。
关键词:人工纳米颗粒; 纳米 ZnO; 丛枝菌根真菌; 大豆; 营养状况
Effect of ZnO nanoparticles and inoculation with arbuscular mycorrhizal fungus
on growth and nutrient uptake of soybean
WANG Lihua1, WANG Fayuan1,*, JING Xinxin1, LI Shuai1, LIU Xueqin2,3
1 Agricultural College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China
2 Life Science Department, Luoyang Normal University, Luoyang 471022, China
3 College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China
Abstract: ZnO nanoparticles (NPs) are widely used in cosmetics, personal care products, paints, electronic devices,
catalysts, anti鄄microbial agents, etc. These compounds enter aquatic and terrestrial environments and the atmosphere
through direct application, accidental release, contaminated soil / sediments, or atmospheric fallouts. Increasing attention
has been directed toward their environmental fate and behavior, and especially their biological effects on crops and
microorganisms in agricultural ecosystems. Recent studies have shown that, when in excess, ZnO NPs can cause
phytotoxicity and declines in soil quality, reduce plant biomass and yields, result in excess Zn accumulation in plants,
especially in edible parts of food crops, and subsequently enter human bodies through the food chain, posing a health risk.
Therefore, techniques to reduce the potential toxcity and risk caused by ZnO NPs need to be explored. Arbuscular
mycorrhizal (AM) fungi represent a group of soil microorganisms widely associated with plant roots, forming a mutualistic
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symbiosis with more than 80% of higher plants in terrestrial ecosystems. They play important roles in improving mineral
nutrition and resistance of host plants to environmental stress, contribute to nutrient cycling of C, N, P, and other
elements, and maintain soil health and plant community stability and productivity. AM fungi have positive effects on the
tolerance of host plants to heavy metal stress through direct and indirect mechanisms. Therefore, arbuscular mycorrhizae
could putatively contribute to reducing phytoxicity induced by metal or metal oxide NPs. However, the interactions between
NPs and arbuscular mycorrhizae remain unclear. A sand culture pot experiment was conducted to study the effects of
inoculation with or without the AM fungus Acaulospora mellea on growth and nutritional status of soybean plants under
different ZnO NPs addition levels (0, 500, 1000, 2000, and 3000 mg / kg) . Shoots and roots were harvested separately
after 12 weeks of growth in a greenhouse. Mycorrhizal colonization, plant dry weights, P, K, N, and Zn concentrations and
uptake were determined. Results showed that ZnO NPs at 3000 mg / kg addition level significantly inhibited the growth of
soybean plants, displaying a substantial phytotoxicity but had no significant effect at other addition levels. AM colonization
in soybean roots was not inhibited by ZnO NPs at the 500 and 1000 mg / kg addition levels, but it was almost completely
inhibited at the 2000 mg / kg addition levels and higher, indicating a marked toxicity of ZnO NPs to AM fungi. Addition of
ZnO NPs led to significant Zn accumulation in plant tissues, especially in roots. Compared to non鄄inoculation control, AM
fungal inoculation significantly promoted soybean growth only at the 500 mg / kg addition level. Inoculation also increased P,
K, and N uptake, and reduced root Zn concentration at low ZnO NPs addition levels. ZnO NPs could continually release
zinc ions with toxic effects and inhibit the uptake of mineral nutrients by soybean roots, which may be one of the main
toxicity mechanisms of ZnO NPs. Our results reveal that AM symbiosis can attenuate ZnO NPs鄄induced toxicity in plants and
symbiotic fungi, which will aid in understanding of the interactions of engineered nanomaterials with plants and soil
microorganisms in terrestrial ecosystems.
Key Words: engineered nanoparticle; ZnO nanoparticle; arbuscular mycorrhizal fungi; soybean; nutritional status
人工纳米颗粒(Nanoparticles, NPs)因为其小尺寸效应、大比表面积等特殊性质被广泛应用,但 NPs 会通
过种种途径进入生态环境中,对生态系统产生潜在危害,因此其生物效应受到广泛关注[1鄄3]。 纳米氧化锌
(ZnO)是应用最广泛的 NPs之一,被广泛使用于个人护理产品、化妆品、涂料、抗微生物制剂、电子设备及催化
剂等产品中[4鄄5]。 纳米 ZnO 能随产品的使用、运输、储存、泄露及废物处理等途径进入水体和土壤等环境[4]。
近期有研究发现,纳米 ZnO会产生植物毒性[6鄄7]、降低小麦生物量[8],造成 Zn在黄瓜植株体内的过量积累[9],
也可对大豆产生基因毒性[10],甚至不能产生大豆籽粒[11],并引起 Zn 在大豆叶片、籽粒等器官中的积累[12]。
因此,其生物效应和毒性受到广泛重视[13鄄15]。
丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)真菌能够与陆地上 80%以上的高等植物形成共生体系,是与植物
关系最密切的土壤微生物之一[16]。 AM真菌除大量存在于农田等土壤中外,还存在于各逆境环境中,能够提
高宿主植物的抗逆性,改善宿主植物的矿质营养(尤其是磷) [16鄄17]。 纳米 ZnO作为潜在的污染物,其与丛枝菌
根的相互关系及其对植物生长和营养状况的影响值得深入研究,然而目前尚不清楚。 基于此,本试验以常见
作物大豆为供试植物,在温室盆栽条件下研究施加不同水平纳米 ZnO 和接种 AM 真菌对大豆生长和营养状
况的影响,为了解纳米 ZnO和丛枝菌根的相互关系提供一些支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验材料
供试植物为大豆(品种为国审郑 196),选用大小形状一致的种子,播种前用温水置于 25毅C恒温培养箱中
浸泡 8h。 供试 AM真菌为 Acaulospora mellea ZZ,菌剂基质为河沙,使用前去除宿主植物地上部分,将根剪碎,
与含有真菌孢子的基质混匀,风干后作为接种所用菌剂。 供试材料为纳米 ZnO(粒径(90依10) nm,纯度
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99.9%)。 供试基质为普通河沙,使用前过 20 目筛,用高温高压蒸汽灭菌法(121毅C,1.05kPa)连续灭菌 3h 后
风干备用。
1.2摇 试验设计
试验设置不接菌处理(-M)和接菌处理(+M),每个处理分别施加不同水平纳米 ZnO(0、500、1000、2000、
3000 mg / kg),共 10个处理,每个处理重复 3次。 选用 230号塑料花盆(上口直径 18cm,高 12cm),每盆装 2kg
河沙,基质分装采用逐级混匀的方法施加纳米 ZnO。 接菌处理每盆按照混施法接种风干菌剂 200 克,不接菌
处理加入等量灭菌菌剂,并浇 100 mL过 500目筛的菌剂滤液,以保证不接菌处理与接菌处理在其它微生物区
系尽量一致。
2013年 3月 28日播种,每盆均匀播种 6 颗大豆,深度约 2cm,播种后每盆浇 500mL 水,出苗一周后开始
浇 1 / 3强度的 Hoagland营养液(其中磷含量为正常含量的 50%),之后每 7d 浇 1 次,每次 100 mL /盆,生长期
间按照正常栽培管理措施管理,12周后收获。
1.3摇 测定指标及方法
大豆植株收获后将植株地上部分和根部分开,先后用自来水、去离子水清洗干净,用吸水纸擦干,再用不
锈钢剪刀剪碎后装入信封置烘箱中,105 毅C杀青 30min后 70 毅C烘干至恒重,用万分之一电子天平称取干重。
选取新鲜毛细根段,用 KOH溶液脱色、酸性品红染色,然后用方格交差法测定菌根侵染率。 剩余植物样经烘
干、研钵磨细、过 0.5 mm筛后用 H2SO4鄄H2O2法消煮,用凯氏定氮仪测定 N,钼锑抗比色法测 P,原子吸收分光
光度计测定 Zn、K含量。 同时用标准物质以校准测定的准确性。 根据植株干重及其元素含量计算植株对此
元素的吸收量。
1.4摇 数据分析
利用 Excel 2010和 SPSS 16.0等统计软件对数据进行单因素方差分析,Duncun多重比较各处理之间的差
异显著性(P<0.05),双因素方差分析纳米 ZnO施加水平和接种 AM真菌之间的交互作用。
2摇 结果与讨论
摇 图 1摇 不同纳米 ZnO施加水平下大豆菌根侵染率(平均值依标准
偏差)
Fig.1 摇 Mycorrhizal colonization rate (mean 依 SD) of soybean
plants under different ZnO NPs addition levels
a,b不同字母间表示各处理在 P<0.05水平差异显著
2.1摇 菌根侵染率
对照处理大豆根系未被 AM 真菌侵染。 接菌处理
条件下,未施加纳米 ZnO 时,大豆根系侵染良好,施加
500、1000 mg / kg的纳米 ZnO 没有抑制菌根侵染,甚至
略有刺激作用(图 1)。 但在 2000、3000 mg / kg 时,没有
发现菌根侵染或仅有零星侵染(低于 1%)。 这证明纳
米 ZnO 在施加量 500—1000 mg / kg 时没有影响菌根侵
染能力,高施加量则几乎完全抑制菌根侵染。
已经证实纳米 ZnO具有抗真菌活性[18]。 纳米 Ag /
Ti能降低向日葵的菌根侵染率[19]。 本研究则发现,高
浓度的纳米 ZnO对 AM真菌也有一定毒性。 但 NPs 剂
量与菌根毒性之间的关系可能较为复杂,例如土壤中施
加 0.032—3.2 mg / kg 的纳米 FeO、0.01—1 mg / kg 的纳
米 Ag没有降低甚至增加了 Glomus caledonium 对三叶
草的菌根侵染率[20]。 Zn 污染较重时一般会对菌根侵
染产生抑制作用,但只要宿主植物能够生长,一般不会
完全消除菌根侵染,土壤中施加 Zn 的浓度 50—400
mg / kg时没有降低白三叶的菌根侵染率,甚至还随着 Zn 浓度的增加略有升高[21]。 500—1000 mg / kg 的纳米
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ZnO甚至刺激 AM 真菌对大豆根系的侵染,而高剂量的纳米 ZnO 菌根毒性显著,但从图 1 看出,纳米 ZnO 剂
量与菌根侵染率之间的关系并非简单的线性关系,可能存在一个临界值,能够对菌根侵染产生抑制甚至致死
作用。 纳米 ZnO的菌根毒性可能与其自身的性质(如粒径)和剂量、植物和 AM真菌种类等密切有关,尚需深
入探讨。
2.2摇 大豆生物量
表 1显示,与不施加纳米 ZnO相比,500—2000 mg / kg没有影响植株地上部或根系干重(500 mg / kg 接菌
处理除外),3000 mg / kg的纳米 ZnO显著降低植株干重。 有研究证实纳米 ZnO 具有植物毒性,1000 mg / L 的
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,从而降低生物量[7]。 纳米 ZnO的植物毒性与
粒径有关,甚至强于同等浓度的 Zn2+[22]。 随着纳米 ZnO浓度(25—100 滋g / mL)的升高,洋葱有丝分裂指数降
低、染色体畸变指数增加、微核细胞率增加,并伴有膜脂过氧化现象和细胞内化作用[23]。 但土壤中添加 500
mg / kg的纳米 ZnO甚至略促进大豆植株的生长[12],说明在土壤环境中纳米 ZnO对大豆的植物毒性较弱。 本
结果证实,2000 mg / kg以下纳米 ZnO对大豆生长几乎没有抑制作用,3000 mg / kg 时则具有显著植物毒性,但
根冠比无显著变化。
表 1摇 不同处理对大豆干重和根冠比(平均值依标准偏差)的影响
Table 1摇 Dry weight and root / shoot ratio (mean依SD) of soybean plants under different treatments
纳米 ZnO施加
水平 / (mg / kg)
ZnO NPs addition level
接菌处理
Inoculation
treatment
干重 Dry weight / (g /株)
地上部分 Shoot 根系 Root
总干重 / (g /株)
Total dry weight
根冠比
Root / shoot ratio
0 -M 1.03依0.23b 0.24依0.07bc 1.27依0.29bc 0.23依0.02bc
+M 1.21依0.09b 0.30依0.01b 1.51依0.10b 0.24依0.01bc
500 -M 1.05依0.08b 0.29依0.01b 1.34依0.07bc 0.28依0.03a
+M 1.62依0.08a 0.43依0.03a 2.05依0.11a 0.27依0.00ab
1000 -M 1.05依0.15b 0.25依0.04b 1.31依0.19bc 0.24依0.02bc
+M 1.11依0.13b 0.28依0.03b 1.40依0.16bc 0.25依0.00abc
2000 -M 1.03依0.15b 0.19依0.03cde 1.22依0.18c 0.18依0.00d
+M 1.07依0.19b 0.23依0.03bcd 1.30依0.21bc 0.22依0.03c
3000 -M 0.74依0.06c 0.18依0.03de 0.92依0.09d 0.24依0.02bc
+M 0.64依0.07c 0.16依0.02e 0.79依0.09d 0.24依0.02bc
接种 AM真菌 AM inoculation 9.418** 16.354** 11.205** 2.419ns
纳米 ZnO施加水平 ZnO NPs addition level 17.853*** 29.466*** 20.458*** 11.239***
纳米 ZnO施加水平伊接菌
ZnO NPs addition level 伊 AM inoculation 5.472
** 4.430* 5.489** 1.562ns
摇 摇 -M和+M分别表示不接种和接种 A. mellea处理; 同列数据后不同字母表示各处理在 P<0.05水平差异显著;双因素方差分析结果为 F 值,
* P<0.05,** P<0.01,*** P<0.001,ns: 差异不显著
接种 AM真菌仅在 500 mg / kg时显著促进植物生长,在其他水平没有显著作用。 胁迫条件下 AM真菌对
宿主植物的保护作用已经被诸多研究证实[17,24],但是在沙培或水培条件下,速效营养物质比较充分,其保护
效应一般并不显著,此时其促生作用往往通过缓解逆境胁迫来实现。 尽管 AM真菌在 1000 mg / kg 侵染良好,
其促生作用并没有体现出来。 双因素方差分析显示,纳米 ZnO 施加水平和接菌处理对植株干重有显著交互
作用。 菌根化三叶草的生长受到高剂量纳米 FeO(3.2 mg / kg)的抑制、但高剂量纳米 Ag(1 mg / kg)反而促进
其生长[20],这说明不同 NPs的毒性与剂量及菌根之间的关系较为复杂,尚需要进一步探讨。
2.3摇 大豆氮、磷、钾含量
在探讨 AM真菌对营养和有害元素的作用时,吸收量比含量更能说明接菌的作用,因为其克服了接菌而
引起生物量不一致而造成的影响[25]。 由表 2可以看出,随着纳米 ZnO施加水平的增加,植株地上部分和根系
N、P、K吸收量在 500 mg / kg时最高,在 3000 mg / kg时最低。 这说明低浓度的纳米 ZnO促进植株对 N、P、K吸
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收,但高施加量时,显著抑制对营养元素的吸收。
纳米 ZnO颗粒具有粒径小、比表面积大、吸附能力强等 NPs的通性,附着在根系表面后聚集在一起,抑制
细胞对营养元素吸收,从而影响植物生长[7,14]。 本结果证实高施加量的纳米 ZnO 抑制了植物营养吸收。 纳
米 ZnO颗粒在黑麦草根部存在吸附并被吸收至内皮层和中柱[7],可能会影响植物对营养物质的运输。 此外,
NPs毒性与剂量之间的关系颇为复杂,因为 NPs毒性与表面积密切相关,而在大剂量的情况下,NPs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 NPs毒性与剂量之间的关系并不总是线性相关[26],
但本研究证实纳米 ZnO对大豆生长的影响较为复杂,并非线性负相关。
表 2摇 不同处理对大豆 N、P、K吸收量(平均值依标准偏差)的影响
Table 2摇 N, P and K uptake (mean依SD) by soybean plants under different treatments
纳米 ZnO
施加水平 / (mg / kg)
ZnO NPs addition level
接菌处理
Inoculation
treatment
N吸收量 / (mg /株)
N uptake
地上部分
Shoot
根系
Root
P 吸收量 / (mg /株)
P uptake
地上部分
Shoot
根系
Root
K吸收量 / (mg /株)
K uptake
地上部分
Shoot
根系
Root
0 -M 27.23依1.56bc 5.50依0.93bc 1.92依0.06cd 0.15依0.02d 10.99依2.52cd 1.38依0..07c
+M 30.94依1.57ab 6.59依0.96ab 2.65依0.56b 0.46依0.01b 15.32依0.96b 1.08依0.06de
500 -M 29.24依2.13bc 6.57依0.68ab 1.96依0.17cd 0.23依0.01c 11.90依0.88cd 2.29依0.13a
+M 35.15依0.86a 7.67依0.92a 3.80依0.09a 0.63依0.00a 21.04依0.38a 1.21依0.03cd
1000 -M 25.14依3.40cd 6.06依0.40bc 1.82依0.17def 0.23依0.01c 10.82依2.05d 2.12依0.13ab
+M 30.14依5.36abc 6.33依0.67b 2.48依0.38bc 0.51依0.06b 12.74依0.31cd 1.02依0.10de
2000 -M 20.46依2.90de 5.96依0.43bc 1.44依0.51def 0.18依0.04cd 11.33依1.69cd 1.97依0.22b
+M 20.92依2.96de 5.01依0.82cd 1.87依0.37de 0.20依0.03cd 13.53依0.92bc 1.13依0.26cd
3000 -M 15.06依0.50f 4.16依0.46de 1.24依0.27f 0.16依0.02d 7.57依0.40e 1.02依0.18de
+M 16.93依1.28ef 3.50依0.27e 1.29依0.00ef 0.18依0.01cd 8.26依1.11e 0.82依0.12e
接种 AM真菌 AM inoculation 12.414** 0.439ns 41.291*** 395.113*** 56.877*** 175.545***
纳米 ZnO施加水平
ZnO NPs addition level 37.786
*** 18.327*** 22.998*** 91.419*** 32.019*** 30.449***
纳米 ZnO施加水平伊接菌
ZnO NPs addition level 伊 AM inoculation 1.074
ns 2.861ns 6.821** 55.249*** 9.463*** 13.030***
不施加纳米 ZnO时,接种 AM真菌显著增加了地上部分和根系 P 吸收量及地上部分 K吸收量,对 N吸收
量没有显著作用(表 2)。 在施加纳米 ZnO时,接种 AM真菌在 500和 1000 mg / kg时显著增加 P 吸收量,但在
2000、3000 mg / kg时没有显著作用。 接种 AM真菌仅在 500 mg / kg时增加地上部分 N、K吸收量,其他多数情
况下降低根系 K吸收量。 双因素方差分析显示,纳米 ZnO施加水平、接种 AM真菌及其交互作用对 P、K作用
较显著,但对 N的影响较弱。
在重金属等环境胁迫条件下或贫瘠土壤中,对宿主植物的营养改善作用(尤其是磷)是 AM 真菌促进植
物生长和提高耐性的重要机制之一[16,24]。 某些条件下 AM真菌对宿主植物的其他必需营养元素也具有一定
的改善作用[27]。 本研究首次证实,在 500 mg / kg纳米 ZnO条件下,接菌显著促进了大豆生长,并能够改善 P、
K、N等矿质营养,而在 1000 mg / kg纳米 ZnO时,接菌虽然没有促生作用,但对 P 的吸收仍有积极作用。 Smith
等[28]认为,即使接种 AM真菌不能促进植物生长,但 AM 真菌磷吸收途径仍对植物磷总量有重要贡献。 在
2000、3000 mg / kg时,纳米 ZnO对 AM真菌毒性显著,这显然是 AM真菌未能发挥显著作用的主要原因。
2.4摇 大豆锌含量与吸收量
由图 2、图 3 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、Zn 吸收量均
呈现显著上升趋势,但从 2000 mg / kg到 3000 mg / kg时,地上部分和根系 Zn 含量不再增加,Zn 吸收量甚至反
而降低。 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),认为纳米 ZnO很难被运输到地上部分[7]。 土壤中添加 500 mg / kg的纳米 ZnO时大
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豆茎、叶片中的 Zn含量分别达 126.23、344.07 mg / kg[12],本结果中大豆地上部分 Zn 含量与之接近,而且在一
定范围内与纳米 ZnO施加水平显著正相关,一种原因可能是纳米 ZnO 易于被大豆植株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+,被大豆吸收并转运,也可能二者兼而有之。 鉴于纳米 ZnO 颗粒
不易在植物体内迁移,地上部分的 Zn很可能是以 Zn2+的形态被吸收,然后被转运到地上部分。 但无论哪种形
态,Zn在大豆植株内尤其是地上部分的积累很可能会进入食物链产生一定健康风险。 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。
图 2摇 不同处理对大豆地上部分和根系 Zn含量(平均值依标准偏差)的影响
Fig.2摇 Zn concentration (mean依SD) in shoots and roots of soybean plants under different treatments
-M和+M分别表示不接种和接种 A. mellea处理;双因素方差分析结果(F值):地上部分 Zn含量,纳米 ZnO F= 4.899*,接菌 F= 89.671***,
纳米 ZnO伊接菌 F= 2.010ns;根系 Zn含量,纳米 ZnO F= 42.708***,接菌 F= 978.383***,纳米 ZnO伊接菌 F= 5.711**
图 3摇 不同处理对大豆地上部分和根系 Zn吸收量(平均值依标准偏差)的影响
Fig.3摇 Zn uptake (mean依SD) by shoots and roots of soybean plants under different treatments
双因素方差分析结果(F值):地上部分 Zn吸收量,纳米 ZnO F= 20.104***,接菌 F= 64.188**,纳米 ZnO伊接菌 F= 2.341ns;根系 Zn吸收量,
纳米 ZnO F= 6.350*,接菌 F= 118.386***,纳米 ZnO伊接菌 F= 0.961ns
与对照处理相比,纳米 ZnO 0水平时,接菌对植株 Zn含量和吸收量均没有显著影响,其他施加水平时,接
菌降低了根系 Zn含量,并在 500 mg / kg时增加了地上部分和根系 Zn吸收量。 Zn是植物必需营养元素,但过
多时又能产生毒害作用。 一般认为植物体内 Zn含量高于 400 mg / kg时,就会出现中毒症状。 诸多研究表明,
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[24,29]。
9525摇 15期 摇 摇 摇 王丽华摇 等:纳米氧化锌和接种丛枝菌根真菌对大豆生长及营养吸收的影响 摇
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本研究结果发现,接种 AM真菌降低了根系 Zn含量,但 Zn吸收量反而增加(500 mg / kg),地上部分 Zn分配比
例也没有显著降低。 Jamal等[30]发现接种 AM真菌提高了污染土壤中大豆对 Zn 的吸收,与本试验结果部分
一致。 值得关注的是,在 2000、3000 mg / kg纳米 ZnO时,接种 AM真菌没有侵染根系,但对植株 Zn 含量也有
一定影响,这可能是施加的 AM真菌菌剂自身对纳米 ZnO的化学行为发挥了一定作用,也可能 AM 真菌前期
能与根系共生,但随着时间推移,菌根共生体中的 AM真菌被高剂量纳米 ZnO致死。 因此未来需要研究纳米
ZnO存在时菌根侵染的动态变化。 双因素方差分析显示,纳米 ZnO施加水平和接菌仅对根系 Zn 含量有显著
交互作用,显然纳米 ZnO与 AM真菌的关系较为复杂,尚需深入研究。
释放 Zn2+是纳米 ZnO的生物毒性机制之一[31]。 有研究发现,1000 mg / L 的纳米 ZnO 溶解释放的 Zn2+不
超过 8 mg / L[7]。 纳米 ZnO浓度在 400mg / L 时,释放的 Zn2+浓度为 14.6 mg / L,在 4000 mg / L 时 Zn2+浓度为
96.9 mg / L[22]。 纳米 ZnO的植物毒性甚至强于同等浓度的 Zn2+ [22],因此推测纳米 ZnO 的毒性机制可能有多
种。 沙培条件下基质中的矿质元素多为自由移动状态,跟水溶液类似。 我们把沙培试验中一系列相同含量的
纳米 ZnO施加于水后,发现其水相中的 Zn含量在 6 mg / L左右,这证明本试验中的纳米 ZnO在水相中具有一
定的溶解性,但溶解度较低,而且在 500—3000 mg / L浓度范围内并没有显著增加。 显然这个 Zn 含量不可能
对植物或 AM真菌产生太强的毒害,也不大可能产生急性毒性,纳米 ZnO 的菌根毒性可能是一个缓慢过程。
但纳米 ZnO很可能作为 Zn2+“源冶而存在,一旦基质中的 Zn2+减少(如被植物吸收或者菌根固定),纳米 ZnO
与 Zn2+间的平衡被打破,继而向环境中释放 Zn2+。 由于纳米 ZnO易于附着在根系表面,结合大豆植株营养状
况,推测纳米 ZnO抑制根系营养吸收是其对大豆植株和菌根产生毒性的另一个机制。 综合当前的研究,NPs
对丛枝菌根的宏观、微观影响研究均很少,两方面的作用机制认识都不很透彻,均需要加强研究。
3摇 结论
(1) 纳米 ZnO 在 500—1000 mg / kg 施加水平时没有影响 AM 真菌对大豆的侵染能力,但是高施加水平
(>2000 mg / kg)时对 AM真菌具有一定毒性,几乎完全抑制大豆根系的菌根侵染。
(2) 纳米 ZnO在 3000 mg / kg显著抑制大豆植株生长,表现出植物毒性,在其他施加水平时没有影响植物
生长。
(3) 接种 AM真菌仅在 500 mg / kg纳米 ZnO施加水平时显著促进大豆生长,在其他施加水平下没有显著
作用。
(4) 在施加纳米 ZnO时,接种 AM真菌可以增加大豆对 P、K的吸收量,降低根系 Zn 含量,这可能是 AM
真菌发挥有益作用的机制之一。
(5) 纳米 ZnO 可能会持续向外释放 Zn2+对大豆产生毒害作用,并聚集在根系表面抑制其对营养元素的
吸收,进而影响大豆植株营养状况和生长。
致谢: 哈佛大学 Cat Adams帮助润色英文摘要,特此感谢。
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