丛枝菌根真菌对冬小麦硒吸收转运和根际土壤硒形态的影响及机制

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hzuns
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硒(Se)是人类不可或缺的微量元素之一,其摄入量多少对人体健康至关重要。小麦(Triticum aestivum L.)是我国四大粮食作物之一,也是人体重要的食物硒源。小麦硒生物强化是一种安全、经济、高效的提高人体硒摄入量方法。丛枝菌根真菌(AMF)广泛存在于土壤中,能与冬小麦形成互惠共生体,促进其生长及对磷、锌、硒等矿质元素的吸收。然而,AMF侵染对冬小麦吸收硒酸盐、亚硒酸盐及根际土壤硒形态变化的影响及机制尚缺乏系统研究。本研究以我国陕西关中主栽冬小麦品种小偃22为对象,以陕西省杨凌塿土为供试土壤,开展盆栽试验。首先研究不同浓度硒酸盐条件下接种AMF对冬小麦根系硫酸盐转运蛋白表达的影响,探讨菌根吸收途径对冬小麦硒吸收的贡献,筛选出适宜冬小麦和AMF共生的硒酸盐浓度;其次阐明接种AMF对冬小麦吸收硒酸盐和亚硒酸盐和根际土壤硒生物有效性的影响;再其次通过全生育期盆栽试验,研究不同施硒时期条件下,接种AMF对冬小麦体内硒分布与积累特征的影响;最后,研究不同供磷水平条件下菌根小麦根系磷酸盐转运蛋白基因表达和根际土壤细菌群落结构的变化特征及AMF对冬小麦亚硒酸盐吸收和积累的影响及机制,主要得出如下研究结果:(1)采用苗期盆栽试验研究了不同浓度硒酸盐条件下接种AMF对冬小麦吸收硒的影响。结果表明,在低浓度硒酸盐条件下(≤5.0 mg·kg-1),接种摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae,F.m)分别使冬小麦地上部和根系硒浓度显著增加了11.41-42.46%和15.78-34.12%(p<0.05),而在高浓度硒酸盐条件下(15、20 mg·kg-1)接种处理未增加其硒浓度。在硒酸盐浓度≤5.0 mg·kg-1条件下,菌根小麦根系硫酸盐转运蛋白基因(Tae Sultr1;1和Tae Sultr1;3)相对表达量分别显著上调了3.06-5.53倍和0.63-5.12倍(p<0.05),而在硒酸盐浓度>5.0 mg·kg-1条件下,其相对表达量达到稳定,表明AMF对冬小麦硒吸收的效应主要受土壤中硒酸盐浓度影响。偏最小二乘路径分析(PLS-PM)结果表明:土壤有效硒含量和根系硫酸盐转运蛋白基因表达量是影响冬小麦对硒酸盐吸收的重要因素。另外,外源硒酸盐浓度为2.5 mg·kg-1时,菌根侵染率、冬小麦硒利用率及菌根硒吸收途径的贡献均达到最大值,表明在该施硒浓度下,接种AMF最有利于冬小麦富硒。(2)外源添加2.5 mg·kg-1硒酸盐和亚硒酸盐处理下,接种F.m或地表球囊霉(Glomus versiforme,G.v)分别显著增加根际土壤有效硒浓度30.21-189.19%或12.03-76.35%(p<0.05),且接种F.m的效果优于G.v。菌根冬小麦硒吸收量分别显著增加了24.11-56.06%和20.27-56.49%(p<0.05)。相关性分析结果表明:土壤p H、可溶性有机碳(DOC)、易提取球囊霉素相关土壤蛋白(EE-GRSP)及微生物数量是影响根际土壤有效硒浓度的主要因子。冬小麦地上部器官和根系硒吸收量与根际土壤有效硒浓度呈显著(p<0.01)正相关关系,这表明AMF通过影响根际土壤硒生物有效性进而促进冬小麦对硒的吸收。(3)在不同生育期施用硒酸盐条件下,接种F.m或幼套球囊霉(Glomus etunicatum,G.e)使冬小麦籽粒硒浓度显著增加了5.93-42.62%或4.14-18.10%(p<0.05),但降低了根系硒浓度。接种AMF分别提高了冬小麦硒从根系到茎叶的转运系数(TF茎叶/根系)和根系到籽粒的转运系数(TF籽粒/根系)1.30-2.02倍和1.10-1.81倍,表明接种AMF可以通过提高根系中硒向茎叶和籽粒的转运增加冬小麦籽粒硒浓度。抽穗期添加硒酸盐处理冬小麦籽粒硒浓度和硒利用率均显著高于种植前或拔节期处理。抽穗期添加硒酸盐处理下,冬小麦的TF茎叶/根系和TF籽粒/根系显著高于种植前或拔节期处理相应TF值(p<0.05),表明冬小麦生殖阶段施硒比在生育前期施硒更易从根部向地上部转运。(4)在供磷水平≤100 mg·kg-1条件下,接种AMF显著上调了冬小麦根系AMF特异诱导的磷酸盐转运蛋白基因(TRIae;Pht1;10和TRIae;Pht1;11)的相对表达。菌根处理冬小麦根系中TRIae;Pht1;10和TRIae;Pht1;11的相对表达量最高,远高于Ta PT4和Ta PHT1.2。另外,接种AMF提高了根际土壤变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和厚壁菌门的相对丰度和细菌群落物种多样性,相关性分析表明,这四种细菌门与可溶态硒(SOL-Se)和可交换态及碳酸盐结合态硒(EXC-Se)呈显著正相关关系,而与有机结合态硒(OM-Se)呈显著负相关关系,表明该四种细菌门有利于促进土壤中有机结合态硒(OM-Se)转化为有效硒。PLS-PM分析结果表明:AMF诱导的根系磷酸盐转运蛋白基因(TRIae;Pht1;10和TRIae;Pht1;11)表达上调和根际土壤硒生物有效性的提高均有助于增加冬小麦硒浓度。(5)扬花期和成熟期冬小麦根系菌根侵染率均随供磷水平增加呈现先增加后降低趋势。磷酸盐浓度为50 mg·kg-1时,根系菌根侵染率达到最大值,表明该供磷水平最有利于AMF侵染。在磷酸盐浓度≤100 mg·kg-1处理下,接种AMF可以提高冬小麦籽粒硒吸收量和硒利用率。当供磷水平从80.62 mg·kg-1降低到48.76 mg·kg-1时,接种F.m或G.v使籽粒硒浓度分别显著提高了16.90%或12.53%。研究表明,接种AMF可以达到降低磷肥施用和增加冬小麦籽粒硒浓度的效果。综上所述,AMF通过改善冬小麦磷营养、提高冬小麦生物量、促进根际土壤中有机结合态硒转化为有效态硒、上调根系磷酸盐转运蛋白和硫酸盐转运蛋白表达等机制,促进冬小麦对土壤中硒的吸收,提高了土壤硒利用率。本研究将菌根技术与冬小麦富硒联系起来,初步阐明了菌根技术调控冬小麦硒吸收的分子机制,对于提高冬小麦籽粒硒浓度、生产富硒小麦具有指导意义。
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