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柳枝稷(Panicum virgatum)是最主要纤维素类能源草之一,可通过一定方式产生生物能源,进而代替化石燃料。丛枝菌根真菌(AMF)能与地球上80%植物形成共生关系,促进植物养分吸收,影响植物体内重金属的富集和转移,进而提高植物对重金属的耐受性。为获得优质生物质材料,同时修复重金属Cd污染的土壤。本研究通过对接种AMF后柳枝稷生物量、Cd含量和提取量及能源草品质相关因素进行分析,筛选出适合修复Cd污染土壤的柳枝稷品种,明确接种AMF后柳枝稷在生理生化和转录组水平下的Cd耐受机理,并通过接种AMF+其他援助措施,促进高浓度Cd胁迫下柳枝稷的生长特性。主要结果如下:(1)接种AMF显著提高5个柳枝稷品种的地上和根系生物量及P含量。虽然接种AMF对低浓度(Omg/kg)和高浓度(10mg/kg)Cd处理下各品种Cd含量无显著影响,但对中等浓度(1 mg/kg)Cd处理下的各品种Cd含量影响各异:降低了 Alamo全株和Kanlow根系Cd含量;提高了 Blackwell和performer根系和Summer全株Cd含量。AMF处理对低地型Cd提取量无显著影响,但品种间差异较大:Blackwell的Cd提取量最高,主要富集在根系;Alamo次之,在Cd浓度1mg/kg时地上部提取量达32%;Summer最低。AMF接种显著影响了柳枝稷总碳、总氮、C/N、净热值和碱金属(Na、Ca、Mg),对柳枝稷的灰分、半纤维素、纤维素和K含量无显著影响。在3个Cd浓度处理下,AMF共生降低了 Alamo中的木质素含量及Summer中的C/N,提高了 Summer中总碳和净能值含量。接种AMF后,Bw对Cd的固定能力最强;Ala具有较强的Cd提取能力和较优的能源品质。(2)不同Cd浓度下(0-40 mg/kg),接种AMF提高了柳枝稷(Alamo)的株高、叶片长度、叶宽、分蘖数、主茎粗,叶绿素a含量及叶绿体中的淀粉粒数,地上和根系生物量和P含量,保持了叶绿体细胞结构的稳定。虽然AMF共生显著降低了柳枝稷地上和根系Cd含量,但极显著地提高Cd提取量。AMF接种显著提高了地上部WSC、淀粉和可溶性蛋白含量,但降低了根系淀粉含量。虽然AMF共生降低了柳枝稷地上部中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,但降低了地上部过氧化氢(H202)含量,提高了地上部的抗超氧阴离子自由基含量(ASAFR)及增强了根系的POD和CAT活性。PCA分析发现AMF通过调控更多的矿质元素、渗透调节物质、抗氧化酶活性等因子来提高柳枝稷的Cd耐受性。(3)利用RNA-seq技术测定Cd胁迫下接种AMF的柳枝稷根系转录组,发现表明:接种AM上调了无机磷和其他矿质离子运载体、糖合成和转运、菌根侵染相关的次级代谢物合成酶和内切酶和热激蛋白等相关基因。Cd添加上调了接种AMF的柳枝稷中包括离子运输、抗氧化酶、无机磷转运、糖及多羟基化合物的运输合成的基因。与NM处理相比,Cd胁迫下接种AMF中柳枝稷上调了抗氧化酶、矿质离子运输及氨基酸合成等酶基因。AM和NM处理的差异基因富集在64条代谢通路上,其中涉及磷酸戊糖途径、三羧酸循环、果糖甘露糖代谢、次生化合物代谢等通路上调;AM-Cd和AM处理的差异基因富集在79条代谢通路上,包括次生物代谢、苯丙素代谢、脂肪酸降解、氨基酸和硒化合物代谢等。AM-Cd和NM-Cd处理差异基因富集在27条代谢通路上,包括次生代谢物的合成、氮代谢、氨基酸代谢、谷胱甘肽代谢、蔗糖淀粉代谢、角质、小檗碱和蜡的生物合成等。(4)为进一步提高高Cd浓度下(20mg/kg)接种AMF柳枝稷的Cd耐受性,本试验将AMF与其他外援措施结合,其中包括:生物碳添加(B)、磷添加(P)、B+P、间作(IC),结果表明:AMF+P显著提高了柳枝稷根系侵染率。AMF结合其他外援措施均显著提高了柳枝稷的叶绿素相对含量(SPAD)、地上和根系生物量及生长速率;但与AMF+CK相比,除了 AMF+B添加显著提高了柳枝稷的SPAD外,其他外援措施对接菌后柳枝稷的生物量和生长速率无显著影响。AMF+B和AMF+B+P处理显著提高了柳枝稷全株P含量及根系Cd含量,而AMF+B和AMF+IC处理提高了其地上Cd含量。接种AMF提高了 B+P处理中土壤pH值,降低了其土壤酸性磷酸酶活性。B和B+P添加降低了土壤酸性提取态Cd含量;而接菌处理后二者的残渣态Cd含量均升高,但与相比,AMF+B处理土壤中残渣态Cd含量显著降低,AMF+B+P无显著变化。由此可见,接种AMF+B处理可能通过将残渣态Cd转化为酸性态,促进柳枝稷地上部和根系对Cd的吸收;AMF+B+P可能通过提高土壤pH值降低土壤中Cd的生物活性。