丛枝菌根对纳米颗粒植物生物效应的影响及其调控机制

As nanotechnology enters the large-scale application into agriculture, release of nanomaterials to environment is inevitable with unknown and unexpected environmental influences. Based on the reciprocal characteristics of Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), we therefore, postulate that AMF can influence the nanoparticle effects on plant system. For such a purpose, we will firstly investigate effects of five typical nanoparticles on soil AMF diversity, then compare the mycorrhizal and non-mycorrhizal wheat in sterilized and natural soil under different nanoparticles with content gradients, and finally try to reveal the molecular regulatory mechanisms of AMF influencing nanoparticle effect on plant system by comparative genomics. This information not only is of great help towards a real and comprehensive understanding of nanoparticle effect on plant system, but also guides us for a better application of nanomaterials.

随着纳米材料在农业上的应用日益广泛，纳米颗粒对作物生产和食品安全的影响愈来愈受重视。鉴于土壤生态系统中丛枝菌根真菌（AMF）与宿主植物的共生特性及对宿主植物的调控功能，我们推测AMF会影响纳米颗粒的植物生物效应。本项目拟以玉米为供试宿主材料，研究5种典型纳米颗粒对土壤AMF群落和菌根化玉米的影响，明确纳米颗粒的植物生物效应；进一步通过灭菌、不灭菌土壤种植玉米，比较菌根化和非菌根化玉米在纳米颗粒植物生物效应上的差异，明确AMF对纳米颗粒植物生物效应的影响；最后运用比较基因组学方法，揭示AMF对纳米颗粒植物生物效应的分子调控机制。本项目的实施可为更全面地评价纳米颗粒的植物生物效应提供了理论基础，也为纳米材料的在农业上的应用提供实际指导。

随着纳米科技的快速发展和纳米产品的广泛使用，纳米颗粒的环境生态效应逐渐成为国内外研究的热点。目前的研究大多基于植物或微生物进行，鉴于植物和土壤微生物之间，特别是与共生微生物之间的密切关系，在系统评价纳米颗粒的生态效应时有必要将植物和微生物作为一个整体进行。丛枝菌根（AM）真菌是土壤微生物中一类重要的共生真菌，可与陆地上90%的植物建立互惠共生关系。它能增加植物对矿质营养的吸收，改变植物体内重金属含量，增强植物对污染胁迫的抗性。但AM真菌对纳米颗粒生物效应的影响及对调控机制尚不明确。我们模拟了不同污染水平的土壤，发现AgNPs和Fe3O4NPs分异了AM真菌群落结构，抑制了其生长并破坏了其生态功能，且效应随纳米浓度增大而变大，但是Glomus相对丰度的增加表现出部分物种对该两种纳米材料具有一定抗性。我们进一步通过接种Glomus caledonium 90036，发现菌根化能够影响纳米生物效应。接种AM真菌可缓解AgNPs和Fe3O4NPs对宿主植物的毒害作用，且不同纳米颗粒的作用机制不同。AM真菌减少了玉米植株对AgNPs的吸收，而降低了Fe3O4NPs向玉米植株地上部的转运。此外，接种AM真菌促进了宿主向土壤碳的输入，进而削弱了AgNPs和Fe3O4NPs对土壤微生物的毒性效应，有利于微生物群落结构和功能的恢复。通过RNA-seq和反转录定量PCR，在转录组水平上探讨了AM真菌的调控机制。接种AM真菌诱导了植物的系统抗性，如上调降解变性蛋白的肽酶、金属分室化和囊泡运输和参与不饱和脂肪酸、萜类化合物、类黄酮等合成及柠檬烯和蒎烯降解等相关过程的基因表达，从而提高了玉米系统防御性能。本项目研究表明虽然纳米材料进入土壤后会影响AM真菌群落，但是AM真菌可以通过直接激活宿主防御系统和间接缓解纳米微生物毒性效应两种途径，以达到帮助宿主植物抵抗纳米毒性的效果。该认知有助于全面评价纳米材料对生态系统的影响。