丛枝菌根对铬的迁移转化和耐性机制研究

It has been well documented that to uncover the mechanisms of heavy metal transformation and tolerance in mycorrhiza is very important to alleviate the phytotoxicity of host plant under heavy metal stresses by inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), and also for remediation of heavy metal-contaminated soil with mycorrhizal techniques. Chromium (Cr) is regarded as one of the highly toxic heavy metals in the environment, but the related researches about the significance of AMF in shaping rhizosphere dynamics of Cr are very rare. Furthermore, up to date most of the relevant studies focused on the mycorrhizal effects on Cr uptake, accumulation and distrubution by host plants but overlooked the mechanisms of Cr tolerance in mycorrhiza. Therefore, based on our previous work, this project aims to reveal the underlying mechanisms of Cr transference, transformation and tolerance in mycorrhiza via chemical spectra analysis and molecular biological method. On the one hand, the transference and transformation of Cr in arbuscular mycorrhizal symbiont (focusing on AMF and mycorrhizal interface) will be investigated by synchrotron radiation analysis, scanning electron microscope (SEM) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR); on the other hand, Cr tolerance related genes from AMF themselves will be explored by using suppression subtractive hybridization techniques (SSH) and key functional genes in Cr transformation,chromium reductase gene (chrR) will be cloned and characterized in order to uncover the molecular mechanisms of Cr tolerance of AMF. The project is expected to provide a deeper insight into Cr transformation and tolerance by mycorrhiza and promote the potential use of mycorrhizal techniques in bioremediation of Cr contaminated environments.

大量研究表明认识菌根对重金属的转化和耐性机制对于利用菌根真菌减轻植物重金属毒害及修复污染土壤具有重要意义。然而，铬作为一种毒性较高的环境污染元素，丛枝菌根对铬的适应和耐受性影响研究却鲜有报道，仅有的研究也多限于考察菌根植物对铬的吸收累积和分配，缺乏菌根共生体对铬耐性机制的系统研究。基于前期工作基础，本研究拟通过化学光谱表征和分子生物学手段两方面深入探究菌根共生体对铬的迁移转化和耐性机制：一是结合同步辐射X射线谱学技术、电镜以及红外光谱分析技术研究铬在菌根共生体（着眼于丛枝菌根真菌和菌根共生界面）中的微观界面行为过程及机制；二是通过消减抑制杂交技术寻找铬胁迫下菌根真菌的差异表达基因，并在此基础上，对菌根真菌中铬酸盐还原基因进行克隆和功能验证从而认识菌根真菌适应和耐受铬胁迫的分子机制。研究工作力图从不同角度阐释菌根共生体对铬的迁移转化和耐受机制，从而为应用菌根技术修复铬污染土壤奠定理论基础。

研究菌根对重金属的吸收、代谢及耐受机理，对于利用菌根真菌减轻植物受重金属毒害，以及污染土壤生物修复均具有重要意义。然而，铬作为一种毒性较高的环境污染元素，丛枝菌根对铬的适应和耐受性影响研究却鲜有报道，仅有的研究也多限于考察菌根植物对铬的吸收累积和分配，缺乏菌根共生体对铬耐性机制的系统研究。基于前期工作基础,本研究通过化学光谱表征和分子生物学手段两方面深入研究了菌根共生体对铬的迁移转化和耐性机制。项目顺利完成了研究目标，取得以下主要研究成果：利用同步辐射X射线谱学等技术明确了铬在菌根真菌菌丝体以及菌根共生界面的组织，细胞甚至亚细胞层次上的微区分布、赋存形态及固持机制，即AM真菌能够直接影响Cr在土壤-植物系统中的迁移转化，能将Cr(VI)还原成Cr(III)，并以磷酸铬类似物及组氨酸结合态的形式固持在菌根际、根外菌丝以及根内特有的真菌结构中（如丛枝、泡囊、根内菌丝等），从而阻止Cr进入植物细胞，减轻其对植物的毒害；通过分子生物学手段发现菌根通过上调植物根部高亲和的S转运基因（如MtSULTR1.1, MtSULTR1.2）来促进植物对营养元素S的吸收，增加植物生物量，从而稀释植物体内的Cr（“生长稀释”效应），同时菌根通过改变植物体内的半胱氨酸（Cys）、谷胱甘肽（GSH）以及植络素（PC）的含量来提高植物对Cr毒害的耐受性。研究分别从直接和间接作用两个方面明确回答了菌根共生体对铬的迁移转化以及提高植物铬耐性的分子机制。.此外，研究工作结合现实的环境问题和社会需求将研究内容向应用层面进行了扩展，利用菌根与其他外部因子（如辅以非生物因子生物炭、添加生物因子根际促生菌或是改变土壤酸碱性）等联合施用技术处理铬胁迫下的植物，均表现出植物铬耐性提高、土壤中铬累积量降低的良好效果。该部分研究对于利用菌根技术修复铬污染土壤，提高植物铬耐性方面具有理论价值和实践指导意义。.基于本项目研究工作，目前已发表研究论文10篇（其中SCI收录4篇），申请专利3项，培养博士生1名，硕士生3名。