西北地区丛枝菌根真菌提高植物耐铅性机制的研究

The environmental pollution caused by heavy metals not only constrains the growth of plants, but also damages the health of human. It is urgent and pivotal to curb the lead contamination, meanwhile, many researches suggested that AMF can chelate heavy metal to enhance the plants'resistance to lead. The project is to investigate the interactions among the plant growth, physiological-biochemical characteristics and AMF under lead stress which is based on our initial research. The goal of the project is to reveal the effect of lead stress on the glomalin secretion of AMF and the mechanism of glomalin chelating heavy metal. The relation between AMF and plant endogenous hormone and the elimination of reactive oxygen species(ROS) in the plant will be studied using biochemical techniques. The distribution and location of lead in the microstructure of the cells in plant's roots will be observed by transmission electron microscopy(TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy(EDXS). Realtime fluorescence quantitative PCR(RT-PCR) will be employed to explore the influence of AMF on the expression of the genes related with lead-tolerance in plant. Therefore, we can elucidate the mechanisms underlying the enhancement of lead tolerance of plant aroused by AMF at both cell and gene levels, in order to provide some theoretical proof for the restoration of the environment contaminated by heavy metals utilizing mycorrhizal biotechnology.

重金属对环境的污染，不仅严重危害植物生长，而且危及人类健康，铅污染的治理具有十分的重要性和紧迫性，同时研究表明丛枝菌根真菌具有螯合重金属，提高植物耐铅的能力。为此，本项目在申请者前期研究的基础上，进一步研究铅胁迫下植物生长、生理生化特性和丛枝菌根真菌（AMF）三者间的关系，揭示铅胁迫对AMF产球囊霉素的影响及球囊霉素螯合重金属的机制；应用生物化学技术研究植物内源激素、抗氧化清除物质代谢与AMF的关系；应用透射电镜（TEM）、X射线能量散布技术（EDXS）研究植物根系细胞超微结构铅的分布与定位；采用实时荧光定量PCR（RT-PCR）技术研究AMF对植物耐铅相关基因表达的影响，从细胞水平和基因水平探讨丛枝菌根真菌提高植物耐重金属的机制，为菌根生物技术在重金属污染地环境修复的应用提供理论依据。

菌根修复作为植物与微生物的联合修复，对重金属污染土壤的环境修复发挥着较单一的植物修复更为有效的作用，引起了国内外学者的高度重视。本项目开展了主要植物AM真菌资源及其提高植物耐铅性的研究，从铅胁迫下刺槐、狼牙刺等主要植物生长、生理生化特性和AM真菌的关系入手，在细胞水平和基因水平揭示AM真菌提高植物耐铅机制。.研究明确了铅锌矿区15种林木对重金属的富集特征和根系AM真菌的定殖特征，确定刺槐、臭椿、黄栌、小叶杨和太白杨5种林木具有修复土壤重金属污染的潜在价值。接种AM真菌Rhizophagus intraradices和/或Funneliformis mosseae可以减少植物体内活性较强的毒性铅形态，增加活性较弱的重金属形态，从而缓解铅的毒害，AM真菌分泌的球囊霉素在土壤中螯合Pb离子是AM真菌提高植物耐Pb的机制之一。阐明了菌根化植物维持叶片光合作用、水分利用效率以及自由基清除系统是AM真菌缓解植物免受重金属Pb毒害的重要机制。AM真菌增加了铅在根及茎中细胞壁的结合，有效降低了叶片各个亚细胞组分的铅含量，从而缓解铅对刺槐的毒害，AM真菌在亚细胞水平上通过将重金属螯合在菌体细胞内从而增加植物的耐Pb能力。研究揭示了AM真菌通过调节植物络合素合酶基因SvPCS1的表达量，将Pb离子螯合在真菌的细胞壁和液泡等结构中，从而降低植物细胞质中的Pb浓度，缓解对狼牙刺的毒害作用。依据Pb胁迫下AMF对植物竞争关系的影响提出了植物互作的重金属联合修复模式。.研究结果在Soil Biology & Biochemistry等刊物发表论文20篇，出版《菌根真菌提高植物抗重金属机制》专著1部，获陕西省科学技术一等奖1项，获批国家发明专利4件。为菌根生物技术提高植物耐重金属的研究和对矿山复垦绿化、植被恢复等的应用提供了理论和技术支撑。