金属型纳米颗粒与重金属的交互作用对丛枝菌根的毒性效应及其吸收和转运

As the most widely distributed mutualistic symbiosis between plants and fungi in nature, arbuscular mycorrhizae play important roles in improving mineral nutrition and resistance of host plants, contributing to nutrient cycling of carbon, nitrogen, phosphorus and other elements, and maintaining soil health and plant community stability and productivity. The biological effects of metal-based nanoparticles (MNPs) and heavy metal pollutants have attracted wide attention, but little is known on their interaction and the relationship with arbuscular mycorrhizae. Using high-throughput proteomics and PCR-DGGE techniques, the present project aims to focus on MNPs, heavy metals and arbuscular mycorrhizae, and will deeply study: (1) interactive biological effects of MNPs and heavy metals to arbuscular mycorrhizae and toxicity mechanisms; (2) interaction of MNPs and heavy metals on their uptake and transport in mycorrhizal plants and the detoxification mechanisms; and (3) interaction of MNPs and heavy metals on their forms and distribution characters in plants and extraradical mycelia. Our aims are to reveal the interactive toxicity of MNPs and heavy metals to arbuscular mycorrhizae and their detoxification mechanisms, and to elucidate the uptake, transport and accumulation of MNPs and heavy metals in arbuscular mycorrhizae. The results will help deeply recognize and understand the biological effects and safety of MNPs in soil ecosystem, and provide theoretical basis for bioremediation and improving the security of agricultural products.

丛枝菌根是自然界中普遍存在的植物-真菌共生体，对于改善宿主植物的矿质营养和抗逆性、参与碳、氮、磷等元素循环、维持土壤健康和植物群落的稳定性及生产力有重要作用。金属型纳米颗粒（MNPs）和重金属污染物的生物效应均受到广泛关注，但是二者交互作用与丛枝菌根之间的关系尚缺乏研究。本课题围绕MNPs、重金属和丛枝菌根，利用高通量蛋白组学技术、PCR-DGGE等深入研究（1）MNPs和重金属交互作用对丛枝菌根的生物效应及毒性机理；（2）MNPs和重金属交互作用条件下菌根植物的吸收、转运及解毒机制；（3）MNPs和重金属交互作用条件下其在植物和根外菌丝内的形态和分布特征。研究目标是揭示MNPs与重金属交互作用的菌根毒性及丛枝菌根的解毒机制，阐明MNPs、重金属在丛枝菌根中的吸收、转运和积累规律。研究结果将加深对土壤生态系统中MNPs生物效应和安全性的认识和理解，为生物修复和改善农产品安全提供理论依据。

人工纳米颗粒的广泛应用于农业、生物技术、环境生态等多个领域，其生物毒性及环境风险受到广泛重视。目前含有金属元素的金属型纳米颗粒（Metal-based nanoparticles, MNPs）应用最为广泛。MNPs会释放金属元素进入环境中，与重金属共存时可能存在复杂的交互作用。丛枝菌根（AM）是自然界中普遍存在的植物-真菌共生体，对于植物生长、土壤健康和生态系统的稳定性及生产力有重要作用。MNPs、重金属之间的相互作用对丛枝菌根的生物毒性值得深入研究。本课题利用MNPs（纳米ZnO、纳米银）、重金属（镉、锌、银）、AM真菌（Funneliformis mosseae、Rhizophagus intraradices等）、作物（玉米、苜蓿、甜高粱等）等为试验材料，进行了离体培养试验、隔网分室试验、土壤和沙培盆栽试验，研究MNPs和重金属单一或复合处理时对丛枝菌根的毒性效应。研究发现：（1）纳米银、纳米ZnO等MNPs及重金属均对AM真菌具有一定真菌毒性，抑制AM真菌孢子萌发和菌丝生长，降低AM真菌群落多样性，但是与剂量和种类有关，如低浓度的纳米ZnO和硫酸锌表现出积极作用；多数情况下，MNPs和重金属复合处理时其毒性要强于单一处理。（2）MNPs、重金属单一或复合处理低浓度时对菌根侵染和植物促生效应的不利影响较小，纳米ZnO、硝酸银、硫酸锌等处理甚至促进菌根侵染和植物生长，但是在高浓度时均显示出毒性效应。（3）总体上看，MNPs和重金属的交互作用对丛枝菌根的影响比较复杂，纳米ZnO、纳米银降低硝酸镉的毒性，但是增加了硫酸锌、硝酸银的不利影响。（4）MNPs、重金属在沙培条件下比土壤栽培条件的菌根毒性强。（5）AM真菌根外菌丝能够吸收一定量的MNPs和重金属并转运给植物，但是多数积累于根系中。（6）AM真菌能够促进植物生长，降低植物体内尤其是地上部分MNPs、重金属含量，缓解其植物毒性，主要机制有改善植物营养，根外菌丝、分泌球囊霉素相关土壤蛋白等固持MNPs和重金属，上调植物中重金属胁迫相关基因的表达，某些耐性相关的蛋白质含量增加。总之，MNPs和重金属之间存在复杂的环境行为和交互作用，其菌根毒性与剂量、种类和基质条件密切相关，但菌根植物能够通过多种机制减轻其毒害。结果有助于认识MNPs、重金属的生态毒性和环境风险，并为污染土壤的菌根植物修复提供依据。