氧化石墨烯对菌根共生体系及菌根网络生态传输功能的影响与作用机制

Most studies on the ecological effects of the environmental input of graphene oxide (GO) emphasize on individuals of animals, plants and microorganisms and the characteristics of some biological communities. However, the effects of GO input on mycorrhizal symbiosis and common mycorrhizal networks (CMNs) and the mechanism have not been reported in the literature. In the present study, gramineous Festuca arundinacea and leguminous Medicago sativa are taken as the objects, and the experimental techniques of the combination of inoculation and inactivation, the establishment of mycorrhizal symbiotic system and CMNs with chambered donor and receptor are adopted. From the perspective of the symbiotic relationship between the host plant and the arbuscular mycorrhizal fungi, and the association between plant and plant through CMNs, laboratory and field trials will be conducted to study the effects of GO input on mycorrhizal symbiosis and CMNs and the mechanism on the ecological scale of root rhizosphere. Especially, study on signal substances of receptor from donor host through CMNs and their synthetic gene expression will be invaluable in revealing the effects and mechanism of GO on the function of mycorrhizal symbiosis and CMNs in material circulation, energy flow and information transmission. In addition, the results will also provide new ideas and method for the ecological effects of other exogenous substances input.

氧化石墨烯环境输入生态效应研究，大多局限于对动植物、微生物个体及某生物群落特征等方面，而对菌根共生及菌根网络体系的影响及机制研究尚无文献报道。本项目以禾本科植物高羊茅及豆科植物苜蓿为对象，通过实验室与田间相结合、接种与灭活并用，菌根共生体系、供体与受体分室菌根网络体系构建等实验控制技术，从个体宿主植物与菌根菌共生关系、到植物与植物通过菌根网络相关联的视角，在地下根围生态尺度层面，研究氧化石墨烯输入土壤环境对菌根共生、菌根网络体系构建及其生态传输功能的影响与机制。尤其是，通过从受体捕获来自菌根网络供体宿主根信号物质及其合成基因表达的研究，可了解氧化石墨烯对菌根共生及其菌根网络体系在生态系统物质循环、能量流动及信息传输中的功能影响及机制。此外，这一方法也为其它外源物质环境输入生态效应研究，提供新的思路及方法。

氧化石墨烯（GO）环境输入生态效应研究，大多局限于对动植物、微生物个体及生物群落特征等方面，而对菌根共生及菌根网络体系的影响及作用机制研究尚无文献报道。本项目以典型禾本科植物及豆科植物为对象，通过接种与灭活并用，构建菌根共生体系、供体与受体分室菌根网络体系等实验控制技术展开研究，获得重要结果为：GO显著增加了菌根共生宿主植物MDA含量和抗氧化酶活性，高剂量GO会引起严重的氧化胁迫。GO使两种豆科植物根系活力最高下降了72.26%和64.59%；GO处理根周皮厚度、导管直径和数量、周皮细胞层数显著降低；0.4%和0.6%GO处理根木栓层厚度显著降低。随着GO用量升高，根瘤数、结瘤率、根瘤干重及根瘤体积均显著减小；根瘤皮层变薄、入侵线变浅、细胞空洞增大、含菌细胞和类菌体数量减少；根瘤固氮能力降低；根瘤菌存活率降低，根瘤菌活性减弱。GO处理改变了种子内生真菌群落的组成和结构，子囊菌门相对丰度降低，担子菌门丰度增加。在属水平上优势属主要是由链格孢属组成，高浓度GO处理链格孢属相对丰度较对照降低了37.36%。通过建立丛枝菌根网络三室根箱体系，菌根侵染率随着GO添加量增加而降低，最高剂量下各室分别较对照组降低了7.7%、9.78%和30.1%。与供体室相比，GO显著提高了根内氮和磷转运基因表达，3%GO处理GiNT提高1.83倍，5%GO处理GintPT提高1.26倍。差异表达基因主要富集在淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、磷酸戊糖途径、糖酵解和糖异生等相关通路中。该研究的科学意义在于：从个体宿主植物与菌根菌共生关系到植物与植物相关联的视角，研究GO输入土壤环境对菌根共生、菌根网络体系构建及其生态传输功能的影响与机制。通过从受体捕获来自菌根网络体系宿主根基因表达的研究，可了解GO对菌根共生及其菌根网络体系在物质循环、能量流动及信息传输中的功能影响及作用机制。