印度梨形孢对Cd胁迫下三种牧草生长和生理的影响

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高丹草(Sorghum Hybrid Sudangrass)、苜蓿(Medicago sativa)和354苜蓿(354Medicago sativa)作为一年生和多年生的草本植物,具有生长快、再生能力强且生物量大、基数大、植物地下根茎和根系发达的特点,不仅对Cd具有较强的抗性,在Cd污染土壤的修复方面也具有一定的作用效果。Cd污染是我国污染面积最大,污染最严重的重金属污染形式。菌根真菌能够促进寄主植物根系对Cd的吸收和累积,抑制重金属向地上部分的转移,减轻Cd胁迫对寄主植物的毒害,提高其耐性。基于此,本研究以高丹草、苜蓿、354苜蓿为实验材料,通过水培实验,研究Cd胁迫7d后不同Cd浓度(0、5、10、30、50、100 mg/L)下接种印度梨形孢(Piriformospora indica,简称P)对3种牧草生长状况、气体交换参数、叶绿素荧光参数、渗透调节物质、抗氧化酶活性、叶绿素、丙二醛含量以及重金属Cd在植物体内转运、富集和分布特征的影响。阐明P菌对3种牧草耐Cd性的作用效果,筛选出抗逆性较强的草种,为印度梨形孢广泛应用于植物抗逆性的研究提供参考,同时对重金属污染环境下的生态恢复也具有重要意义。研究结果如下:(1)印度梨形孢能够有效降低Cd对3种牧草生长的抑制作用和毒性损伤。低浓度(5mg/L)的Cd对高丹草、苜蓿、354苜蓿3种牧草的生长具有促进作用,随着Cd浓度的增加,3种牧草的株高、叶片数减少、生物量降低,黄叶数增加,生长受到抑制,接种P菌后能够降低Cd对3种牧草生长的抑制作用,促进生物量的积累,缓解叶片发黄现象,改善生长状况。(2)印度梨形孢能够提高3种牧草Cd胁迫下的气体交换能力和光能利用效率。在低Cd浓度(5mg/L)下,高丹草Pn、Tr、WUE、CUE、Fv/Fm、ΦPSII、NPQ、叶绿素含量出现不同程度的增加,Cd对高丹草的光合作用有一定的促进作用;苜蓿和354苜蓿气体交换参数未出现增加的趋势,但Fv/Fm、Fv/Fo、NPQ出现少量上升,低浓度下Cd对两种苜蓿的促进作用不显著。随着Cd浓度的增加,3种牧草的叶绿素含量、Pn、Tr、Gs、CUE、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII逐渐下降,NPQ逐渐上升,Ci先下降后上升。接种P菌后3种牧草在不同Cd浓度下叶绿素含量、Pn、Tr、Ci、Gs、CUE、WUE、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII、NPQ不同程度上升,Ls降低。Cd对3种牧草的的PSII反应中心,光合生理造成严重伤害。印度梨形孢与3种牧草的共生增强了PSII反应中心的开放程度,改善了3种牧草的光合作用,增强高丹草、苜蓿、354苜蓿的光能利用效率和净光合速率。在不同Cd浓度下,影响3种牧草光合作用降低的因素不同,在低、中Cd浓度下,Ci随着Gs降低而降低,此时光合速率降低主要受气孔限制因素的影响,在高Cd浓度下,Ci随着Gs降低而升高,3种牧草叶绿体的结构和功能受到严重破坏,此时光合速率降低主要受非气孔限制因素的影响。(3)接菌提高了3种牧草在Cd胁迫下的耐Cd性生化指标含量。3种牧草对Cd胁迫的生化反应不同,随着Cd浓度的增加,高丹草的SOD、CAT酶活性先升后降,POD酶活性逐渐降低;苜蓿和354苜蓿SOD、POD酶活性先升后降,CAT酶活性逐渐上升。苜蓿和354苜蓿通过调节3种酶活性来增强抗氧化防御系统,高丹草则主要通过SOD、CAT酶活性来抵御。3种牧草的MDA、可溶性糖、脯氨酸含量随着Cd浓度的增加逐渐增加,可溶性蛋白含量先增加后降低,接种印度梨形孢提高了脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量以及酶活性,降低了丙二醛含量。印度梨形孢通过减轻膜过氧化损伤,调节渗透调节物质和提高抗氧化酶活性来抵御3种牧草在Cd胁迫下的伤害。(4)印度梨形孢可促进植物根系对Cd的吸收,减少了Cd从地下部分向地上部分的转移,减轻Cd对植物的毒性损伤。不同Cd浓度条件下,3种牧草体内Cd含量呈根>叶>茎的分布,且含量随着Cd浓度增加而增加,接种P菌后3种牧草的转移系数降低,地下部分Cd含量增加,地上部分Cd含量降低,接菌将大部分Cd离子固定在植物的根部,减少了Cd从地下部分向地上部分的转移,减轻了Cd对地上部分的毒害。(5)通过对不同Cd浓度下3种牧草六个不同处理的28个指标进行主成分分析,3种牧草接种P菌和未接种处理下各主成分分析的综合值进行排序为:CP+>BP+>CP->BP->AP+>AP-,3种牧草接种P菌后的综合值大于未接菌处理,说明接种P菌能够提高3种牧草的耐Cd能力,且三种牧草中354苜蓿的耐性最强,其次为苜蓿,高丹草的耐Cd性最差。
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