1、河南科技大學碩士學位論文 開 題 報 告題 目：叢枝菌根真菌對植物中人工納米顆粒吸收和遷移的影響 年 級： 11 級 姓 名： 王衛(wèi)中 研究方向： 叢枝菌根與污染修復 指導教師： 王發(fā)園（教授） 專 業(yè): 植物營養(yǎng)學 研 究 生 處 制說 明1、 研究生在導師指導下，最遲應與第三學期內根據(jù)研究方向選定論文研究課題。2、 研究生通過系統(tǒng)地查閱國內外文獻資料，在進行實地調查研究的基礎上，詳細認真的填寫報告內容。3、 報告需在開題報告會議上宣讀，廣泛聽取意見，并進行修改，經開題報告評審組同意，學院主管院長批準后方可執(zhí)行。4、 報告一式三份，應與第三學期前 周內填寫完畢，分別交教研室（研究室）、學院、

2、研究生處各一份存查，并作為檢查報告執(zhí)行情況的依據(jù)。5、 本報告存入研究生技術檔案，是學位評定材料之一，要求用鋼筆填寫或以A4紙打印，字跡清楚，如欄內填寫不下，可另加附頁。研究題目：叢枝菌根真菌對植物中人工納米顆粒吸收和遷移的影響課題來源：國家自然科學基金選題依據(jù)（研究的目的意義及實用價值、國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析）一、 選題的理論意義和實用價值1) 叢枝菌根真菌（arbuscular mycorhizal fungi,AM真菌）是自然界中一類能夠與植物形成共生體系的真菌，也是目前已探明的與植物關系最為密切的土壤微生物之一，AM真菌可與陸地上80%以上的植物形成叢枝菌根共生體。AM真菌的分布

3、式世界性的，除了大量存在于農田、森林、菜地土壤意外，還廣泛存在于各種逆境環(huán)境中。AM真菌在改善宿主植物的礦質營養(yǎng)（尤其是磷）方面有突出的作用。AM真菌對于陸地生態(tài)系統(tǒng)意義重大，影響植物的種群豐富程度，甚至還決定著植物生物多樣性以及植物生態(tài)系統(tǒng)的生產力。AM真菌可以提高宿主植物的抗逆性等，對各種毒害物質（重金屬和農藥、石油、多環(huán)芳烴等有機污染物）有一定的抗性。AM真菌不僅可以改善土壤結構、有利于土壤健康，而且可以應用于污染土壤生物修復。近些年，Science、Nature、PNAS等著名期刊以及SB&B、New Phytol、Mycorrhiza、Plant Soil等專業(yè)期刊都對叢枝菌

4、根研究給予大量關注，這反映出本領域十分活躍。2) 人工納米顆粒（Engineered nanoparticles，ENPs）是應用最廣泛的納米材料，隨著納米材料的廣泛應用，其安全性和潛在生態(tài)風險引起國內外廣泛重視。ENPs會隨著納米產品運輸、儲存、泄露、使用及廢物處理等途徑進入水體、大氣和土壤等環(huán)境，并產生溶解/沉淀、分散/聚集、吸附/解析、氧化/還原、生物富集等一系列復雜的過程，對土壤產生毒性，威脅生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且可以被植物吸收，隨食物鏈進行傳遞和富集，具有潛在的環(huán)境和健康風險。近幾年，國內外發(fā)表了大量綜述論文，就ENPs環(huán)境行為和生物效應等進行了總結和展望，但大多數(shù)研究集中在大氣和水體

5、環(huán)境，而在陸地生態(tài)系統(tǒng)和土壤環(huán)境中的報道較少。所以，ENPs對于植物（作物）和土壤微生物的生物效應和遷移、歸趨研究值得重視，開展此領域的研究對于認識ENPs的安全性和土壤生態(tài)系統(tǒng)（尤其是農田）中的安全使用及殘留控制有重要意義。3) 在已有的研究結論中，叢枝菌根可以通過多種機制增加植物對重金屬、農藥等污染物的耐性，而且能影響植物對污染物的吸收和轉運。ENPs作為新興的污染物，叢枝菌根對ENPs很可能也具有解毒效應，提高植物對ENPs的耐性，并影響ENPs在植物中的吸收和轉運。弄清楚叢枝菌根對ENPs的吸收及遷移規(guī)律，對于未來可能發(fā)生的ENPs大面積污染現(xiàn)象，將起到預防作用，因此該研究具有很大的理

6、論意義和實踐應用價值。二、 國內外研究動向及進展近年來ENPs的安全性研究主要涉及人體及模式生物的毒理學研究，以及水生環(huán)境中的微生物、藻類等，不少綜述論文也已經大量關注。這里重點關注ENPs對植物和土壤微生物的效應。1) ENPs的生物效應研究證明了絕大多數(shù)ENPs對植物的抑制作用，其毒性與ENPs種類及性質、暴露時間、植物種類等因素有關。碳納米管可以進入植物細胞，在高劑量時引起植物毒性。單壁碳納米管對某些植物根系伸長有抑制作用，并與其表面特征有關，而不同植物的耐性也存在巨大差異。納米氧化鋅使黑麥草根尖縮窄、表皮和皮層細胞空泡化甚至崩解。與Ag粉和Cu粉等非納米顆粒相比，納米Ag和Cu引起的植

7、物毒性更顯著，量子點經光照、氧化或者與生物體接觸后釋放其中的Cd、Zn等重金屬元素引起生物毒性效應。絕大多數(shù)研究證實了ENPs（尤其是汗金屬ENPs）對微生物的抑制作用。多壁碳納米管和納米Ag具有強烈的抗菌活性，富勒烯nC60可以改變微生物的膜質組成、相變溫度和膜流動性，添加TiO2和ZnO均降低了土壤呼吸（SIR）和土壤微生物總DNA，改變了微生物群落結構（T-RFLP），且ZnO毒性要強于TiO2,納米Ag是常用的抗真菌劑，對植物病原真菌立枯絲核菌、菌核病菌和小核菌均具有顯著抑制作用。2) 生物對人工納米顆粒的解毒機制微生物、植物均能用于合成ENPs，因此可以推測生物對ENPs可能有多種解

8、毒機制。研究發(fā)現(xiàn)，生物能響應ENPs脅迫，分泌化合物來改變ENPs的毒性。Cifuentes Z發(fā)現(xiàn)在小麥葉片毛狀體中有ENPs的積累，意味著植物對ENPs可能具有通過分泌作用進行脫毒的機制。Degryse F等人發(fā)現(xiàn)植物能分泌金屬螯合物（如鐵載體），降低ENPs釋放的金屬離子的毒性。Miao AJ和Schwehr K研究得出藻類暴露于ENPs時胞外聚合物會增加，有利于脫毒作用。富勒烯nC60脅迫條件下，惡臭假單胞菌會降低其膜內不飽和脂肪酸含量、增加環(huán)丙烷脂肪酸含量，以保護細胞膜抵抗氧化脅迫。但是目前植物和微生物對ENPs的解毒機制研究不多，急需深入研究。3) ENPs在植物內的吸收、運輸和積

9、累植物細胞壁多孔，直徑多在5-20nm之間，粒徑在此范圍內的ENPs可能直接通過細胞壁，而且ENPs也可能引起細胞壁上新孔形成和孔徑增加，使更大粒徑的ENPs也通過細胞壁，到達細胞膜后可以通過細胞的內吞作用、膜滲透作用、或通過載體蛋白、離子通道等運輸?shù)郊毎麅炔俊NPs也能通過葉片毛狀體活氣孔開閉進入葉片內部，并運輸?shù)街参锲渌M織。大多數(shù)研究證實了ENPs在植物體內的吸收和運輸現(xiàn)象。C70容易被水稻根系吸收并轉運到地上部分，同時C70也能從葉片通過韌皮部向根系運輸。45.5%的納米Fe3O4納米顆粒ENPs是累積在筍瓜根內，僅有0.6%在葉中。碳包覆鐵ENPs能夠通過短距離運輸進入植物各組織。

10、納米Cu能被吸收和累積于綠豆和小麥體內，且植物組織內納米Cu含量與基質（瓊脂）中的納米Cu含量呈線性相關，其在植物組織中的狀態(tài)也受基質含量影響。40nm的納米銀可以被擬南芥根系吸收并轉運到地上部，但大部分是附著在根冠上。膠體溶液中的納米晶體可以被蝴蝶蘭和擬南芥根系吸收并向葉片中運輸，這證實了ENPs可以進入根系中柱，然后進行長距離運輸?shù)竭_地上部分。碳包覆納米顆粒能夠形成生物兼容磁流體，隨木質部導管中的蒸騰流運輸?shù)街参锏厣喜糠帧Ｉ贁?shù)研究發(fā)現(xiàn)ENPs主要吸附在植物根系表面，并沒有被吸收或運輸?shù)狡渌课弧Ｈ?課題研究內容和研究方法1) 內容一、土培條件下研究ENPs與叢枝菌根的相互作用及其遷移規(guī)律

11、研究目的：在土培條件下研究不同ENPs與叢枝菌根的相互作用，查明ENPs對植物和叢枝菌根的生物毒性，叢枝菌根的耐性機制以及ENPs在叢枝菌根中的遷移和歸趨規(guī)律 。供試AM真菌：Glomus caledonium 90036和Acaulospora mellea ZZ 供試植物：玉米、煙草、紫花苜蓿 供試ENPs：多壁碳納米管、納米Ag、納米Cu、納米ZnO 供試土壤：農田土壤，采自河南科技大學農場 測定項目：植物生物量、菌根侵染率、菌絲形態(tài)、ENPs的分布和含量、球囊霉素、土壤微生物群落結構、土壤呼吸。試驗設計：ENPs在水環(huán)境和土壤環(huán)境中的行為不同，土培試驗更能模擬土壤生態(tài)系統(tǒng)，故設計土壤盆

12、栽試驗。本部分試驗設計基本同研究內容四，但在土壤栽培條件下進行。在溫室中生長3個月，期間觀察植物生長狀況，測定株高、光合速率等指標。培養(yǎng)結束后分開收獲植物根系和地上部分，測定生理生化指標和菌根侵染率。利用光學顯微鏡和電鏡觀察菌絲形態(tài)、觀察細胞膜的完整性，在細胞、亞細胞、器官、組織等水平觀察ENPs在菌根中的分布。測定植物體內Ag、Cu、Zn的含量。測定土壤中球囊霉素的含量。通過測定土壤呼吸、微生物總DNA和PCR-DGGE分析ENPs對土壤微生物量、微生物活性和群落結構的影響。 此外，在土壤栽培條件下，擬選取納米Ag重點研究ENPs劑量、植物種類和土壤有機質等因素的影響。因素分別是（1）濃度：

13、設置低、中、高3個；（2）植物種類：玉米、煙草、紫花苜蓿；（3）有機質含量：添加有機質、未添加有機質。各因素研究分別開展。 2) 內容二、隔網(wǎng)分室系統(tǒng)研究AM真菌吸收、運輸和累積ENPs中的作用 研究目的：研究AM真菌根外菌絲對ENPs的吸收作用及對植物吸收、運輸和積累ENPs中的影響 供試AM真菌：Glomus caledonium 90036 供試植物：玉米、紫花苜蓿 供試ENPs：多壁碳納米管、納米Ag 供試土壤：農田土壤，采自河南科技大學農場 測定項目：植物生物量、菌根侵染率、菌絲形態(tài)、ENPs的分布和含量、植物中Ag的含量 試驗設計：采用雙室培養(yǎng)系統(tǒng)不僅研究根外菌絲對 ENPs 的吸

14、收作用，同時能了解其在植物吸收、運輸和累積 ENPs 等方面的作用（圖 4）。雙室培養(yǎng)系統(tǒng)規(guī)格為 22×12×10cm。根+ 2+-11065室與菌絲室中間用 1 層 30m 尼龍網(wǎng)隔開，植物根系不能進入菌絲室，而 AM 真菌菌絲可以。在菌絲室中距離尼龍網(wǎng) 2cm 處插入 1 個壁上帶孔的 PVC 管(100mL)。在根室和菌絲室裝入適量的滅菌土壤。AM 真菌菌劑（5%的比例）混施于根室，同時對照處理接等量滅菌接種劑并加入去 AM 真菌的菌劑濾液。ENPs 按照一定濃度混勻于土壤，裝于 PVC 管中，同時在對照處理中分別施加相同濃度的微米碳粉與微米銀粉（或 Ag ）。試驗在

15、植物生長室中進行，控制光照、溫度，從根室中定量澆水。植物生長 60 天后收獲，測定菌根侵染率。利用光學顯微鏡和電鏡觀察菌絲形態(tài)、觀察細胞膜的完整性，在細胞、亞細胞、器官、組織等水平觀察 ENPs 在菌根中的分布。測定植物體內 Ag 的含量。課題工作計劃及階段進度：2011.3-2012.6 查閱相關文獻資料，總結文獻資料，并根據(jù)其做出實驗方案。 2012.6-2012.12 做兩次預實驗，熟悉試驗方法。2013.1-2013.3 做隔網(wǎng)分室試驗。2013.3-2013.9 在溫室里土培盆栽煙草、玉米，測定各項指標。2013.9-2013.12 處理分析數(shù)據(jù)，撰寫論文。課題研究工作可能存在的困難

16、和問題：1、 試驗任務比較重，一個人時間精力有限。2、 測定某些指標所要用到一些儀器設備學校沒有。解決方法和措施：1、 讓跟著導師做畢業(yè)設計的本科生幫忙，共同完成。2、 能買的出錢購買，昂貴的到中科院南土所和清華大學，借用他們的實驗室及儀器。預期結果：1、驗證兩種ENPs（納米銀、納米ZnO）在四個濃度梯度下接種不同叢植菌根真菌與不接菌條件下對不同植物 （玉米、煙草、紫花苜蓿）生長的影響以及植物吸收ENPs的影響。2、闡明 ENPs 在叢枝菌根及其宿主植物中的遷移和歸趨規(guī)律及其影響因素。 課題研究具體指導人員：王發(fā)園老師 導師簽名： 年 月 日附：為選題所查閱的文獻資料索引（開題報告中需附中、

17、外文參考文獻。參考文獻篇數(shù)要求為：理、工、農、醫(yī)學科門類不少于40篇；其他學科門類不少于50篇。按文獻發(fā)表時間或引用的先后順序填寫）：序號文獻名稱作者發(fā)表刊物 時間（出版單位） 時間1 Service RF. Nanomaterials show signs of toxicity. Science, 2003, 300: 243 2 Brumfiel G. Nanotechnology: A little knowledge. Nature, 2003, 424: 246248 3 Maynard AD, Aitken RJ, Butz T, et al. Safe handling of

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