三七根內生真菌重金屬耐性菌株篩選及分類學鑒定

曹冠華 ，張 雪，陳 迪，李 莉，張兆傳，顧 雯，王希付，賀 森*

（1.云南中醫藥大學中藥學院，云南 昆明 650500；2.云南大學，云南省生物資源開發與利用國家重點實驗室，云南 昆明 650591；3.道地藥材國家重點實驗室培育基地，中國中醫科學院中藥資源中心，北京 100700）

三七Panax notoginseng（Burk.）F.H.Chen，又名田七、參三七，為五加科人參屬多年生草本植物，是我國傳統的名貴中草藥，主要以根部入藥，具有止血、散瘀、消腫、定痛等功效，可用于治療心腦血管、中樞神經系統、代謝系統等疾病［1-2］。

近年來調查顯示，三七藥材砷、鉛超標問題嚴重，且主要污染途徑為土壤污染。閻秀蘭［3］、張文斌等［4］對文山州及外延區三七主要種植地土壤樣本進行分析，發現總砷質量濃度分別為6.9～242.0、8.38～81.34 mg/kg，遠超土壤三級標準As 要求（≤30 mg/kg）；祖艷群等［5］調查發現，文山主要三七種植區中土壤Pb 含有量平均為55.56%，超標率為6.67%。三七重金屬超標已成為三七種植業急需解決的問題之一。

植物內生真菌在促進宿主生長、增強脅迫抗性等方面發揮著重要作用［6-8］。內生真菌主要包括不可純培養的叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）和可純培養的深色有隔內生真菌（dark septate endophytes，DSE）兩大類。目前對三七內生真菌功能的研究較少，張玉潔等［9］對108 株三七內生真菌進行病原菌抑菌效果測試，篩選得到14 株效果菌；劉凱［10］、楊芳芳［11］對三七源內生真菌次生代謝產物及抗菌活性進行研究。本實驗擬對分離自三七根27 株內生真菌行重金屬（As、Pb）耐性評價，并采用分子手段對功能菌株進行分類學地位鑒定，以期為三七種植As、Pb 污染的生態治理提供數據支持和理論依據。

1 材料

本實驗所用菌株為實驗室前期分離自3 年生健康三七須根內生真菌，共27 株，編號Pn-1～Pn-27。

2 方法

2.1 菌株重金屬耐性評價

2.1.1 耐性菌株初篩 將27 株處于生長對數期的三七內生真菌，用打孔器沿菌落外緣部位打孔取樣，取4 片分別接種至終質量濃度為400 mg/L As5+或200 mg/L Pb2+MMN培養基［葡萄糖15 g、MgSO40.15 g、NaCl 0.025 g、CaCl20.05 g、1% FeCl31.2 mL、KH2PO40.5 g、（NH4）2HPO40.25 g、Vitamin B1 100 μg，加純凈水至1 000 mL，調整pH至5.8，121 ℃、20 min 高溫高壓滅菌］中；30 ℃，120 r/min搖床培養7 d；抽濾，0.01% EDTA 清洗3～4 次，純凈水沖洗5～6 次；45 ℃烘干，稱定質量［12-13］。

2.1.2 目標菌株重金屬耐性評價 設置砷質量濃度梯度為0、200、400、800、1 600 mg/L；鉛質量濃度梯度為0、100、200、400、800 mg/L；按上述接種方式進行接種和處理，稱定菌絲干重，并測定菌絲重金屬含有量。

2.1.3 砷測定 采用氫化物發生原子熒光光譜法進行測定，具體參考《食品中總砷及無機砷的測定》（GB 5009.11—2014），得回歸方程Y＝283.24X+36.966（r＝0.997 7）。

2.1.4 鉛測定 采用火焰原子吸收法進行測定，具體參考《食品中鉛的測定》（GB 5009.12—2017），得回歸方程Y＝0.02X-0.001 7（r＝0.997 6）。

2.2 菌株分子鑒定 采用真菌通用引物對核糖體18 s 進行擴增，引物為3NDF，5′-GGCAAGTCTGGTGCCAG-′；V4R，5′-ACGGTATCTAGATCAGTCTTCG-3′。菌株DNA 的提取參考天根基因組DNA 提取試劑盒（貨號DP302-02）說明書；PCR 擴增程序為預變性，94 ℃4 min；變性94 ℃30 s，退火53 ℃40 s；延伸，72 ℃1 min，35 個循環；后延伸，72 ℃7 min；4 ℃保存。PCR 酶為2×Pfu PCR MasterMix（貨號KP201-02）。PCR 產物測序由云南濤擎生物科技有限公司完成。采用Mega 4 構建系統發育樹。

2.3 數據處理 數據分析采用軟件SPSS 21.0；當因子≥3，采用單因素方差分析中的Turkey HSD 檢驗進行差異顯著性分析；當分析2 個因子差異時，采用獨立樣本T檢驗。采用軟件Sigmaplot 11.0 進行作圖。

3 結果與分析

3.1 三七根內生真菌重金屬耐性菌株初篩分析 由圖1 可知，內生真菌在相同濃度砷或鉛脅迫下，其生物量（菌絲干重）差異較大。在400 mg/L As5+脅迫下，菌株Pn-6、Pn-7、Pn-11、Pn-17 和Pn-18 不能生長，而菌株Pn-12、Pn-13 和Pn-21 則生長較好，菌絲干重分別為0.25、0.24、0.24 g（見圖1A）。在200 mg/L Pb2+脅迫下，菌株Pn-2、Pn-4、Pn-10、Pn-11 和Pn-17 不能生長；菌株Pn-13、Pn-25 和Pn-12 生物量相對較高，分別為0.27、0.21、0.20 g（見圖1B）。綜合As5+、Pb2+脅迫下內生真菌菌絲干重測定結果，選擇菌株Pn-12 和Pn-13 進行下一步研究。

圖1 不同重金屬處理對三七根內生真菌菌株生長的影響

3.2 不同重金屬濃度對耐性菌株生物量及重金屬含有量積累的影響 由圖2 可知，隨著As5+或Pb2+處理濃度的升高，菌株Pn-12、Pn-13 生物量（菌絲干重）逐漸降低。截止As5+濃度達到800 mg/L，菌株Pn-12 菌絲干重與無重金屬處理比較，無顯著差異，但在1 600 mg/L·As5+處理下，Pn-12 菌絲干重下降明顯，與前4 個處理濃度比較，差異顯著。菌株Pn-13 菌絲干重則在800 mg/L 脅迫下下降明顯，與前3 個處理濃度比較，差異顯著，但與1 600 mg/LAs5+無顯著差異。在不同Pb2+脅迫下，菌株Pn-12、Pn-13 菌絲干重變化規律同As5+脅迫下的變化規律基本一致，在0～400 mg/L范圍內，菌株Pn-12 菌絲干重下降平緩，無顯著差異，但與800 mg/L 比較，差異顯著；而在0～200 mg/L范圍內，菌株Pn-13 菌絲干重之間無差異顯著，但與400、800 mg/L 脅迫下菌絲干重比較，呈顯著差異。菌株Pn-12與Pn-13 菌絲干重在高濃度As5+（800、1 600 mg/L）和Pb2+（400 mg/L）脅迫下差異顯著，表明菌株Pn-12 砷、鉛耐性強于Pn-13。

圖2 不同As5+、Pb2+處理濃度對菌絲干重的影響

由圖3 可知，隨著As5+、Pb2+濃度的增加，菌絲中的重金屬含有量快速增加，且在0～800 mg/L Pb2+或400～1 600 mg/L As5+脅迫下，菌株Pn-12、Pn-13 菌絲重金屬含有量在每兩濃度之間差異顯著。在200～1 600 mg/L As5+處理下，菌株Pn-12、Pn-13 菌絲重金屬含有量分別從1.87、2.52 mg/kg 增至33.40、21.62 mg/kg，分別增加了17.86、8.58 倍。由此可知，菌株Pn-12 在砷積累能力方面強于Pn-13，且在1 600 mg/L 處理下呈顯著差異。在100～800 mg/L Pb2+處理下，菌株Pn-12、Pn-13 菌絲重金屬含有量分別從15.47、12.34 mg/kg 增至204.35、112.32 mg/kg，分別增加了13.21、9.10 倍，并看出菌株Pn-12 在Pb 積累能力方面同樣優于Pn-13，且在4 個處理濃度下，均差異顯著。總體來看，砷、鉛在菌株Pn-12、Pn-13 菌絲中的積累狀況呈現砷低鉛高現象。

圖3 不同As5+、Pb2+處理濃度對菌絲重金屬積累的影響

3.3 重金屬耐性菌株分類學地位鑒定 分別以菌株Pn-12、Pn-13 擴增序列進行BLAST 比對，收集一致性較高的其他物種序列構建NJ 系統發育樹文本，并以鰻弧菌Vibrio anguillarum作為外群構建系統發育樹。結果顯示，菌株Pn-12與球孢枝孢霉Cladosporium sphaerospermum聚為一枝，同源性100%。菌株Pn-13 與支孢樣支孢霉C.cladosporioid聚為一枝，同源性亦為100%，初步判定菌株Pn-12、Pn-13 分別為球孢枝孢霉C.sphaerospermum、支孢樣支孢霉C.cladosporioid。見圖4。

圖4 基于核糖體18 s 氨基酸序列菌株Pn-12 和Pn-13系統進化樹

4 討論

目前對農業土壤重金屬污染的治理多采用農藝措施，如減少含砷農藥的使用、規范化種植、使用土壤改良劑、合理施肥等［14］，而利用綠色、高效、無污染的生物手段治理或緩解土壤重金屬污染則是眾多研究人員關注的焦點，尤其是利用與植物關系密切的內生菌［15］。諸多研究發現，AMF 與宿主植物的重金屬耐性密切相關，在Cd、Pb 等重金屬脅迫下，接種AMF 至酸漿果、茄子、扁豆根部，可明顯提高宿主抗氧化能力、生物量和產量［16-18］。而DSE 在提高宿主植物重金屬耐性方面同樣發揮著重要作用，有研究發現，DSE 可通過將重金屬（Cd）固定在菌絲或須根細胞內，從而提高玉米的重金屬耐性，但DSE 提高宿主重金屬耐性的調控機制仍不明確［19-21］。DSE 等根系優勢的共生真菌可以通過分泌小分子有機酸等多種途徑強化宿主植物的植物鈍化效應，從而阻止植物重金屬的吸收和積累［22］；也有部分研究表明，DSE 菌株可通過外排機制將重金屬離子排出根系，從而提高宿主重金屬耐性［23］。目前尚未見將DSE 應用于三七重金屬污染治理的報道，本研究發現，分離自三七根部的DSE 菌株具有一定的重金屬耐性，部分菌株（Pn-12、Pn-13）對As5+、Pb2+具有超高耐性，且重金屬在菌絲中的積累存有一定的差異（砷低鉛高），證明菌株Pn-12、Pn-13 對As5+、Pb2+的耐性機制不同，推測菌株Pn-12、Pn-13 主要通過金屬離子外排機制來提高As 耐性，而通過金屬離子菌絲積累機制（如將金屬離子絡合物儲存在液泡中）增強Pb 耐性，但需進一步研究明確。待明確其作用機制后，則可將其制成接種菌劑，回接至三七須根部位，通過形成菌根體系，利用菌株外排或積累作用，從而減輕As、Pb 在三七根部的積累，進而保障三七的品質質量。本研究結果在解決三七及其他中藥材種植過程中的重金屬污染問題方面具有廣闊的應用前景，同時也可為發展中藥材生態種植業提供理論依據和數據支持。

5 結論

分離自三七根DSE 菌株Pn-12，Pn-13 具有較高的砷、鉛耐性，且菌株Pn-12 砷、鉛耐性強于Pn-13；但二者菌絲中砷、鉛含有量差異較大，存在砷低鉛高的現象，表明菌株Pn-12，Pn-13 對砷、鉛的耐性機制存有一定的差異。初步鑒定菌株Pn-12、Pn-13 分別為球孢枝孢霉、支孢樣支孢霉。