社会经济的快速发展造成土壤重金属污染日益严重，尤其以Cd污染最为突出^[1].稻类作物是我国第一大粮食作物，其安全性受到广泛关注^[2].由于稻类作物易于吸收积累 Cd,严重威胁人体健康^[3],深入探讨控制作物吸收积累 Cd 的理论和技术手段已迫在眉睫^[4]。

丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）可与高等植物根系形成互惠共生体，促进高等植物对氮素等营养物质的吸收利用^{[5, 6]},提高其对盐碱、洪涝、干旱等逆境胁迫的抗性^{[6, 7]},并显着影响其对重金属的吸收积累^{[8, 9]}.土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂，其活性高低是表征土壤代谢程度、土壤肥力及土壤环境质量的重要指标^[10].土壤酶活性（如脲酶、蔗糖酶等）对于重金属污染也有重要的指示作用^{[11, 12]}。

旱稻是水稻的变异型品种，适于旱地种植栽培^[13].为适应我国水资源紧张的现状，旱稻种植面积正日益扩大，其安全性问题不容忽视^[14].为此，本文以典型丛枝菌根真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae,GM）为研究对象，通过盆栽实验，研究其对旱稻生长、吸收积累 Cd 及土壤酶活性的影响，以期为控制稻类作物Cd吸收积累提供基础数据。

供试土壤采自华南农业大学水稻试验基地表层0~20 cm,风干后，磨碎过2 mm筛备用，其总Cd、pH值、总氮、总磷、总钾及有机质分别为0.10 mg·kg^-1、5.83、1.13 g·kg^-1、0.72 g·kg^-1、28.72 g·kg^-1及2.24 g·kg^-1。

供试旱稻（Oryza Sativa L.）品种为广泛种植于华南地区的旱优8号，种子购自广东省农业科学院水稻研究所，发芽率在95%以上。

供试丛枝菌根真菌为摩西球囊霉Glomus mosseae（GM,菌种编号：BGC NM03D）,购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所。前期实验表明，该菌种存在于土壤时，可有效侵染供试旱稻。

将CdCl₂·2H₂O溶液加入土壤，制备不同Cd添加浓度包括0、2、10 mg·kg^-1的污染土壤，平衡3个月后备用。为消除土着微生物对接种丛枝菌根真菌的影响，供试土壤于121 ℃下蒸汽灭菌2 h^[15].将丛枝菌根真菌 GM 菌剂加入供试土壤中，每千克土壤添加11.8 g菌剂并搅拌均匀，记作 GM 处理，同时以加入经灭菌处理（121℃下蒸汽灭菌2 h）的 GM 菌剂作为对照CK（11.8 g·kg^-1土壤）。

选取籽粒饱满的旱稻种子于10%（V/V）H₂O₂中消毒10 min,洗净后用饱和硫酸钙溶液于恒温培养箱（25 ℃）浸种。种子根伸长至20 mm时，用1/4霍格兰氏（Hoagland）营养液^[15]水培育苗，每3 d更换1次营养液。待旱稻幼苗长至约15 cm高时，移栽到盛有供试土壤的塑料盆（内径16 cm,高14 cm）中开始盆栽实验，每处理设置3个重复。每个塑料盆装土量为1.7 kg,种植2株旱稻幼苗。盆栽周期为180 d,其间采用称重-浇水法维持土壤水分含量为田间最大持水量的70%.每周施加1次霍格兰氏（Hoagland）完全营养液（400 mL·盆^-1）,以保证旱稻营养供应充足。盆栽实验在暨南大学环境学院玻璃温室中完成，实验期间温度为25±3 ℃。

盆栽实验结束后，分别收获旱稻的根系、地上部及籽粒。收获根系时，取粘附于根系表面的土壤（即根际土壤^[16],自然风干后磨碎过1 mm筛）用于脲酶和蔗糖酶活性的测定，然后依次用自来水和去离子水洗净，并将其放入Na₂-EDTA液（20 mmol·L^-1）中浸泡15 min,以去除其表面粘附的 Cd 离子，再用去离子水冲洗干净后，拭干水分。取1 g新鲜根样，用曲利苯蓝-直线截获法测定菌根侵染率^[17].植物各部分烘干至恒重后，测定 Cd 含量。

称取 0.2 g植物干样，以硝酸为消解液，于微波消解仪（MARS型，美国CEM）中消解至澄清液后定容，并用原子吸收分光光度计（AA7700型，日本岛津）测定 Cd 含量。为控制测定质量，每隔10个样品分别测定1次空白加标样和1次样品加标样，实验过程中二者的回收率均大于95%.

土壤脲酶和蔗糖酶的活性分别采用靛酚蓝比色法和3,5-二硝基水杨酸比色法测定^[18],前者以氨态氮含量（NH₃-N,mg·g^-1）表示其活性，后者以3-氨基-5-硝基水杨酸含量（mg·g^-1）表示其活性。

采用Excel 2010进行统计数据及绘制图表，采用SPSS 17.0进行方差分析和相关性分析。实验结果以平均值±标准偏差表示，差异显着水平为P＜0.05.旱稻Cd富集系数、根系-地上部转运系数及地上部-籽粒转运系数分别为根系 Cd 含量与土壤 Cd 含量之比^[15]、地上部 Cd 含量与根系 Cd 含量之比、籽粒中 Cd 含量与地上部 Cd 含量之比。

未接种GM菌处理均未观测到旱稻根系菌根侵染（表 1）.接种GM菌处理旱稻根系菌根侵染率为37%~72%.添加Cd显着降低旱稻根系菌根菌侵染（P＜0.05）,在其添加浓度为2、10 mg·g^-1时，旱稻根系菌根侵染率分别为37%和59%（表 1）.未接种处理，旱稻各部分生物量分别为根系3.7~7.0 g·盆^-1、地上部11.5~17.5 g·盆^-1和籽粒1.1~2.2 g·盆^-1.接种GM菌后，旱稻生物量显着提高（P＜0.05）,各部分提高幅度大小为籽粒（1.31~2.22 倍）＞根系（1.41~1.66倍）＞地上部（1.14~1.42倍）,而且各部分生物量提高幅度均呈现随Cd添加浓度增加而增加的特征。

表 1 不同浓度Cd处理下，接种和未接种条件下旱稻的菌根侵染率和生物量（g·盆^-1） Table 1 Effects of AMF inoculation on mycorrhizal root colonization rates（%） and biomass（g·pot^-1） of upland rice in soils with different Cd levels

表选项

未接种GM菌时，各处理旱稻根系、地上部、籽粒中Cd量分别为1.06~27.82、0.20~5.39、0.021~0.82 mg·kg^-1（表 2）.接种GM菌有利于降低旱稻各部分Cd含量，降低幅度的大小顺序为籽粒（26.8%~57.1%）＞地上部（29.2%~41.6%）＞根系（10.4%~24.3%）,在Cd添加浓度较高（10 mg·kg^-1）时，降低幅度更为显着（P＜0.05）.接种GM菌处理后，旱稻对Cd的富集、转运系数也均有不同程度下降（表 3）,根系富集系数、根系-地上部转运系数及地上部-籽粒转运系数分别为2.11~8.95、0.14~0.19及0.07~0.19,较未接种处理分别下降10.6%~24.2%、5.0%~26.3%和15.8~38.5%。

表 2 不同浓度Cd处理下，接种和未接种条件下旱稻体内各组织Cd的含量（mg·kg^-1） Table 2 Effects of AMF inoculation on Cd concentrations in grains,straws and roots of upland rice grown in soils with different Cd levels（mg·kg^-1）

表选项

表 3 接种和未接种条件下旱稻吸收转运Cd的富集系数和转运系数 Table 3 Effects of AMF inoculation on Cd bioconcentration factor and translocation factor in upland rice grown in soils with different Cd levels

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土壤脲酶及蔗糖酶活性与土壤营养物质转化及土壤肥力密切相关，前者是土壤氮素循环的关键酶，后者是土壤碳素循环的关键酶^[18],二者均易受重金属污染的影响^[19]。图 1显示，各处理土壤根际脲酶及蔗糖酶活性均随土壤Cd污染程度增加而显着降低（P＜0.05），即Cd对土壤脲酶及蔗糖酶活性有显着抑制作用，与前人研究结果一致^{[20, 21]}。除个别处理外，接种GM菌处理旱稻根际脲酶及蔗糖酶活性显着高于对应未接种处理，且蔗糖酶活性的提高幅度（34.2%~44.5%）大于脲酶活性的提高幅度（9.6%~25.3%）。上述结果表明接种GM菌有利于旱稻根际营养物质（碳、氮）的循环，尤其利于碳素的代谢转化。

图 1 接种和未接种条件下旱稻根际土壤酶的活性 Figure 1 Enzyme activities in rhizosphere of upland rice grown in soils with different Cd levels inoculated or uninoculated with GM

图选项

丛枝菌根真菌能够与稻类作物根系形成菌根共生体，从而有效促进作物对营养物质的吸收利用^[22],同时提高其对Cd胁迫的适应性^[23],并降低其对Cd的吸收累积^[24].本文研究发现，与未接种GM菌处理相比，接种处理旱稻各部分生物量（根系、地上部和籽粒）及根际土壤脲酶和蔗糖酶活性均显着提高（P＜0.05）,旱稻各部分Cd含量（尤其是籽粒中Cd含量）显着降低（P＜0.05）.相关性分析显示（表 4）,GM菌侵染率、旱稻各部分生物量及根际土壤脲酶活性和蔗糖酶活性两两间均呈显着正相关关系（P＜0.05）,而这些指标均与旱稻各部分Cd含量呈显着负相关关系（P＜0.05）.接种GM菌与旱稻根系形成的菌根对重金属有较强的吸附能力^{[14, 15]},可通过吸附作用将重金属Cd滞留于菌根^{[23, 24]},以此降低旱稻对Cd 的富集和转运能力^[25],从而减少Cd在旱稻体内尤其是籽粒中的积累，并缓解Cd污染造成的毒性，提高旱稻对Cd污染的适应性。同时，接种GM菌与旱稻根系形成的菌根还可促进多种营养元素（如无机离子、低分子量糖、有机酸等）的吸收利用^{[26, 27]},为旱稻根际提供丰富的物质源和能量源，促进其根际微生物的生长增殖和功能发挥，从而显着改善土壤脲酶和蔗糖酶的活性，并促进旱稻根际土壤碳素及氮素循环，有利于旱稻对营养物质的吸收代谢和生物量的提高。旱稻生物量的增加，稀释了其体内Cd的含量，因此其生物量与各部分Cd含量呈显着负相关关系。

表 4 旱稻GM侵染率、生物量、Cd含量以及根际酶活性的相关关系 Table 4 Correlations between mycorrhizal root colonization rates,rice growth,rice Cd accumulation and soil enzyme activity

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需要指出的是，目前关于丛枝菌根真菌对作物吸收积累重金属的影响还有不同认识。如张旭红等研究发现，高Cu污染土壤中接种丛枝菌根真菌可显着提高旱稻根系中Cu的含量^[14],Aloui等研究发现，低Cd污染土壤接种丛枝菌根真菌会提高苜蓿地上部对Cd吸收积累^[28].不同研究结果之间出现差异性的原因是复杂的，总体而言，与供试作物品种、丛枝菌根真菌的品种及其不同组合以及土壤污染程度等因素有关，其机理需要进一步研究。

另外，随着Cd污染浓度的增加，GM菌侵染率显着下降，即Cd污染抑制GM在旱稻根系的侵染。尽管接种GM菌显着降低了旱稻籽粒中Cd的含量，下降幅度为26.8%~57.1%,但在Cd添加浓度为10 mg·g^-1条件下，其籽粒Cd含量（0.60 mg·kg^-1）仍超过我国食品卫生标准限值（0.2 mg·kg^-1）.因此，需要配合水肥调控及其他技术进一步降低其籽粒Cd含量。

丛枝菌根真菌（摩西球囊霉Glomus mosseae）可有效侵染旱稻根系，显着提高Cd污染土壤（2~10 mg·kg^-1）中旱稻根际土壤脲酶及蔗糖酶活性，从而促进根际土壤碳素和氮素循环，并显着增加旱稻各部分（根系、地上部和籽粒）的生物量及其对Cd污染胁迫的适应性。同时，丛枝菌根真菌（GM）可显着降低旱稻各部分尤其是籽粒中的Cd含量，在控制稻类作物吸收积累Cd方面有良好的应用前景。