随着人类活动的日益频繁,大量的重金属进入到土壤环境中。Cd作为生物非必需重金属元素,会通过食物链的富集作用威胁人类的健康。植物——微生物联合修复技术被认为是一种安全有效的修复重金属污染土壤的手段。外生菌根真菌(Ectomycorrhizal Fungi,EMF)作为其中主要的参与者之一,阐明其对重金属的响应机制对于更好的利用EMF修复重金属污染土壤极为重要。为了研究外生菌根真菌对重金属Cd的积累与分布特征,分别从重金属污染区和非污染区采集了 150余种子实体和菌根,并从中纯化出32种真菌。利用rDNA-ITS分析鉴定到了 15种EMF。经过不同浓度Cd处理,筛选出Cd高耐性菌株Hebeloma vinosophyllum(Hv)及低耐性菌株 Laccaria laccata(L1)。在 0,0.2,2 mg L-1的 Cd处理下,随着Cd处理浓度的增加,L1和Hv的生物量逐渐降低,但L1生物量受抑制程度显著高于Hv。此外,L1菌丝中营养元素的浓度逐渐减少(P先升高后降低),而Hv逐渐增加。随着Cd处理浓度的增加,菌丝内的Cd浓度也逐渐增加。相同浓度Cd处理下,L1菌丝内的Cd浓度显著高于Hv菌丝。两种菌菌丝内的Cd主要分布于细胞壁部分和可溶部分。随着Cd浓度的增加,L1菌丝中的Cd分布的主要位置从可溶部分向细胞壁改变,而Hv中规律相反。在两种菌的菌丝中,Cd的化学形态主要为水提取态(Fw)、氯化钠提取态(FNaCl)和醋酸提取态(FHAC)。随着Cd处理浓度的增加,L1菌丝中的氯化钠提取态的Cd增加,醋酸提取态的Cd减少;而Hv中趋势相反。L1和Hv菌丝中的水提取态的Cd随着Cd处理浓度的增加而增加,并且同浓度下L1中水提取态的Cd含量和比例均明显高于Hv。为了阐明外生菌根真菌耐Cd的分子机制,对3个不同浓度Cd(0,0.2,2 mg L-1)处理下的L1和Hv菌进行转录组高通量测序和分析。转录组差异表达分析结果显示在0.2 mg L-1 Cd处理下,L1和Hv中分别有338和1242个基因差异表达,分别占各自总基因的1.62%和3.82%;在2 mg L-1 Cd处理下,L1和Hv中分别有605和1582个基因差异表达,分别占各自总基因的2.89%和4.87%,表明高耐性菌株Hv在转录水平可能会通过更多的途径来应对Cd胁迫。通过差异表达基因GO富集分析,结果显示催化、代谢和结合相关功能显著富集,可能参与外生菌根真菌耐镉过程。进一步分析发现,细胞色素 P450 基因、MFS(Major Facilitator Superfamily transporters)转运蛋白家族以及冷激蛋白基因在Hv中显著差异表达,ABC转运蛋白、液泡蛋白及MOP(multidrug/Oligosaccharidyl-lipid/Polysaccharide flippase)转运蛋白家族积极的参与Cd的外排与向液泡内的转运。这些发现初步揭示了外生菌根真菌耐Cd的分子机制,为将EMF更好的应用到重金属污染土壤的植物-微生物联合修复中提供了理论基础。在根袋试验中,外延菌丝主动进入Cu/Cd非根际污染土壤中,将Cu、Cd吸收和转运至宿主植物根际,并进一步运输到宿主植物体内甚至地上部分。对于非菌根化黑松,接种EMF同样促进了宿主植物对营养的吸收,从而提高了其生物量及Cu/Cd耐性。并且接种的EMF对Cu/Cd的耐性越高,越有利于提高植物提取和植物固定的效率。在短期暴露试验中,在一次性浇灌3000 mg kg-1 Cu或150 mg kg-1 Cd后的12 h内,接种EMF加速了宿主植物对重金属Cu和Cd的吸收。因此,外生菌根真菌并不能充当屏障作用抑制宿主植物对重金属的吸收,而是表现出促进宿主植物吸收重金属的效应,并且通过改善植物营养状况,促进宿主植物生长从而稀释富集到植物体内的重金属,从而降低植物受到的毒害。这些表明外生菌根真菌可以同时起到促进植物固定和植物提取的效应。为了研究EMF对矿区污染土壤的修复效应,选择了两个Cd、Pb、Zn矿区的复合污染土壤,分别在其中种植非菌根化和接种L1及Hv的黑松,通过比较植株生长、营养状况及对重金属的积累。此外,对修复前后土壤重金属有效态、土壤微生物丰富度及土壤酶活的变化进行了分析。结果显示,接种EMF能够提高种植在矿区土壤中的黑松的存活率,促进宿主植物对重金属Cd、Zn、Pb的积累,改善植株营养状况。种植菌根黑松后,显著增加了土壤细菌的丰富度,并且提高了土壤脲酶和酸性磷酸酶的活性。表明EMF可以提高宿主植物对重金属污染土壤的修复效应,改善污染土壤的理化性质,提高土壤质量。为将EMF应用到Cd污染土壤的原位修复提供了进一步的理论支持。