马尾松外生菌根菌群落对锰污染的响应与适应机制

Manganese (Mn) mine activities have caused severe ecological and environmental problems. Because the growth and survival of major tree species largely depend on ectomycorrhizal fungi, the ecological responses of ectomycorrhizal fungi to higher soil Mn could affect the establishment and survival of trees under Mn stresses. In this study, a Seedling Bioassay method will be used to hook the ectomycorrhizal fungal communities associated with Masson pine (Pinus massoniana Lamb.) from the Xiangtan Mn mine wasteland and an adjacent unpolluted forest land. Mn stress experiment will be carreied out on these seedlings in greenhouse by addition of MnSO4 solution. The change patterns of the two typles of ectomycorrhizal communities response to different level of Mn addition will be revealed. The seeldings performance will be also analyzed. Those dominant ectomycorrhizal fungal species prefer to high or low Mn conditions will be isolated, and its difference in Mn-tolerance under symbiotic conditions with Masson pine will be determined. In addition, seedling biomass, nitrogen, phosphorus and Mn contents in shoots and roots will be determined, respectively. The distribution pattern of Mn element in ectomycorrhizal root tips will be analyzed by Transmission Electron Microscopy with X-ray microanalysis, to elucidate the mechanism of the ectomycorrhizal symbiosis modulating Mn uptake of host plant. Taken together, we will reveal the ecological mechanism of the ectomycorrhizal fungal community in response to Mn pollution, and then screen out the Mn-tolerance ectomycorrhizal fungal species/isolates, which will contribute to ecological restoration and phytoremediation of Mn mine wastelands using ectomycorrhizal stragtegy.

锰矿开采引起的锰等重金属污染已造成矿区生态系统的退化。由于主要森林树木的生长和生存依赖于外生菌根菌的互惠共生关系，外生菌根菌群落对锰污染的生态响应也将影响到矿区森林生态系统的稳定和重建。本研究拟采用马尾松幼苗检测法，获取锰矿污染区及无污染区外生菌根菌群落，对其进行锰胁迫试验，研究菌根群落和马尾松幼苗对锰胁迫的响应规律及其在群落间的差异；同时分离优势菌株并鉴定其与马尾松共生苗的锰耐性，以期研究菌根耐锰性与锰胁迫引起的菌根群落结构变化规律的关系。此外，通过测定植株生物量以及氮、磷和锰的含量，利用透射电镜耦合能谱仪测定菌根中锰元素的亚细胞定位，阐明菌根促进马尾松抵御锰毒害的生理机制。通过本研究，旨在揭示外生菌根菌群落对锰污染的适应机制，并筛选出能显著提高马尾松抵御锰毒害的外生菌根菌株，为利用耐锰外生菌根菌强化植物修复锰矿区废弃地提供技术支持和理论依据。

锰矿开采引起的锰等重金属污染会造成矿区生态系统的严重退化。由于主要森林树木的生长和生存依赖于外生菌根菌的互惠共生关系，外生菌根菌群落对锰污染的生态响应也将影响到矿区森林生态系统的稳定和重建。① 本研究采用马尾松幼苗检测法，获取了锰矿污染区及无污染区外生菌根菌群落，利用ITS-PCR和测序技术鉴定了16个外生菌根菌OTUs（污染土：11 OTUs，非污染土：14 OTUs，共有9个），两个群落在菌根菌丰富度和优势菌种上并无显著差异，说明锰矿废弃物对马尾松林地外生菌根菌群落影响较小。② 利用离体液体培养和添加锰的方法，测试10个外生菌根菌株的锰抗性。研究发现在2000 mg l-1 Mn浓度水平下，所有菌株生长均未受到显著抑制，说明锰对菌根菌的毒性较小；当锰的浓度增至3000mg l-1浓度水平时，各菌株的生长抗性存在差异；筛选出Pisolithus tinctorius 2, P. tinctorius 104 和Boletus reticulatus三个菌株耐性菌株。透射电镜观察显示，锰元素在菌丝的液泡和细胞质中存贮并未造成细菌丝的损伤，也证实了菌根菌对锰的敏感性低。③ 采用盆栽控制试验和添加不同浓度的锰评估菌根化和非菌根马尾松幼苗植株的锰抗性。结果显示，浇灌含有1.25mM的Hogland营养液对幼苗均有毒害效果，当锰浓度达到5mM，非菌根化幼苗有显著的抑制症状，菌根苗显示有相对较强的耐锰能力。元素分析显示，菌根幼苗根系积累更多的锰，而地上部则吸收较少的锰，说明菌根共生具有阻碍过量锰元素向植株地上部转运的机制，从而提高了植株的耐锰能力。④ 基于Illumina Hiseq2000测序平台，进行了锰矿污染林地和非污染地环境中的马尾松菌根的比较转录组分析，结果显示锰矿污染土和非污染对照地菌根真菌差异表达的基因数量仅有700多个，说明锰矿污染对马尾松菌根真菌群落组成影响较小。对差异表达的基因进行分析，发现这些基因中很多涉及胁迫保护酶系统、跨膜运输蛋白等的基因。说明菌根通过加强养分运输和抗氧化系统的能力来提高宿主及菌根群落的抗性来响应土壤中的锰矿污染。综上所述，本研究揭示了锰矿污染对马尾松菌根群落的影响较小，菌根菌对锰的毒性敏感性较低，污染土壤中菌根通过上调表达营养转运相关蛋白和抗氧化系统的基因表达以适应锰污染胁迫，最终也证实了外生菌根植物在矿区修复中的应用潜力。