東南景天促生菌提高植物萃取鎘效率及其機理研究.pdf

1、通過植物根系吸收和在地上部超量積累重金屬，從而以收獲植物地上部的方式清除或降低環(huán)境中重金屬含量的植物萃取修復是一種有效、安全、環(huán)境友好的土壤修復技術(shù)。植物促生菌是指從根際土壤或植物體內(nèi)分離的，具有多種促生特性的有益微生物。由于某些具有重金屬耐性的植物促生菌能夠促進植物對重金屬的吸收、提高植物對重金屬的耐性和植物萃取效率而引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，植物促生菌對不同植物系統(tǒng)中重金屬萃取效率的影響和機理仍不清楚。本文以我國原生鎘(Cd)超

2、積累植物東南景天和鎘超富集植物油菜為研究材料，通過盆栽試驗、溶液培養(yǎng)試驗，綜合利用植物生理學、基因組學、蛋白組學等分析方法，采用高通量測序、Real-Time PCR(RT-PCR)、熒光原位雜交(Fluorescencein situ hybridization，F(xiàn)ISH)、綠色熒光蛋白(Green fluorescent protein, GFP)標記、同位素標記相對和絕對定量（isobaric tags for relative

3、and absolute quantitation，iTRAQ）等技術(shù)，探究植物促生細菌促進植物生長、提高植物對鎘的吸收及積累的作用及其調(diào)控機理。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1)采用盆栽試驗，結(jié)合高通量測序分析技術(shù)，研究了不同鎘水平人工污染的我國4種代表性土壤中，東南景天生長和內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):土壤性質(zhì)和鎘污染水平均顯著影響東南景天的生長和內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)。在pH較低的酸性紅壤中，東南景天生長較差、鎘積累濃度較高，微

4、生物群落結(jié)構(gòu)趨向簡單，以不動桿菌、柄桿菌為主。而在堿性黑土中，東南景天生長較好、生物量大、鎘積累濃度相對較低、微生物群落結(jié)構(gòu)較復雜，以假單胞菌、不動桿菌占優(yōu)。同一土壤不同鎘處理下，內(nèi)生菌的菌落結(jié)構(gòu)也不同。在黑土與潮土中，低Cd處理下內(nèi)生細菌的豐富度更高，而在水稻土與紅壤中，高Cd處理下內(nèi)生細菌菌落具有更高的豐富度。表明土壤性質(zhì)和重金屬濃度對超積累植物內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)均有較強的選擇性。
　　2)分離鑒定了東南景天根際土壤和植物體內(nèi)的促

5、生菌，通過盆栽試驗，比較了2種根際促生菌與2種內(nèi)生促生菌對鎘富集植物油菜生長和鎘提取效率的影響。通過FISH和GFP技術(shù)，證明東南景天內(nèi)生菌可以成功定殖到非宿主植物油菜中。接種上述促生菌，均能促進油菜的生長和對Cd的吸收，提高油菜Cd提取修復效率;然而內(nèi)生菌的作用效果要優(yōu)于根際菌，且不同種類內(nèi)生菌的作用效應存在明顯差異。本研究中，內(nèi)生菌SaMR12不僅顯著提高油菜對Cd的積累量（提高42.2％），而且不會增加種子中Cd的含量，降低了Cd

6、通過油菜籽進入食物鏈的風險，因此被選為后續(xù)研究的重要菌株。
　　3)采用盆栽試驗，研究了東南景天-油菜輪作系統(tǒng)與SaMR12對黑土、水稻土、潮土中鎘萃取修復的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東南景天-油菜對鎘的萃取量為63.4-477.6μg，以水稻土最高（477.6μg）;接種SaMR12可進一步提高植物對鎘的積累量和修復效率（提高6-55％），以黑土提高效果最優(yōu)（提高55％），并且顯著提高了東南景天根際細菌群落多樣性，而對油菜根際土壤細菌群落

7、結(jié)構(gòu)的影響不顯著。說明植物促生菌是東南景天/油菜輪作系統(tǒng)萃取修復的有效調(diào)控手段。
　　4)通過溶液培養(yǎng)試驗，研究了在不同Cd濃度處理下，SaMR12對東南景天根系抗氧化系統(tǒng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未接菌的對照相比，SaMR12能夠顯著提高Cd脅迫下東南景天對Cd的積累量，但對根系抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性沒有顯著影響，這可能與東南景天抗氧化酶的活性對Cd水平的變化不敏感有關(guān)。然而，Cd處理水平和SaMR12能夠顯著影響根部

8、MDA、ROS、GSH濃度和PER1、ATPS、GS和GSH1等相關(guān)基因的表達。表明SaMR12通過增加GSH濃度和相關(guān)基因表達，降低H2O2的濃度和根部損傷，緩解植物氧化脅迫，從而提高植物對Cd的吸收和積累。
　　5)通過溶液培養(yǎng)試驗，研究了在不同濃度Cd處理下，SaMR12對東南景天金屬離子吸收和三種相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白家族基因表達的影響。結(jié)果表明，在低濃度的Cd處理時，SaMR12能夠增加植物地上部Fe、Zn和Cd的含量，提高SaI

9、RT1、SaHMA2和SaNRAMP3在地上部的表達水平，提高SaHMA2，SaNARMP1在根部的表達水平;在高濃度Cd處理下，SaMR12能夠增加葉片葉綠素的濃度和地上部Fe、Mg的含量，提高SaIRT1、SaZIP3、SaHMA2、SaHMA3和SaNRAMP6在地上部的表達水平，以及SaIRT1、SaZIP3、SaHMA3、SaNARMP6在根部的表達水平。說明在無Cd脅迫的條件下，SaMR12能夠提高一些轉(zhuǎn)運基因的表達從而增加

10、植物對必需元素和Cd的吸收;而當植物處于Cd脅迫時，SaMR12可通過促進植物吸收Fe和Mg，調(diào)控金屬轉(zhuǎn)運基因的表達來促進植物生長，提高植物對Cd的吸收積累。
　　6)通過盆栽實驗，利用iTRAQ技術(shù)研究了促生菌劑對東南景天地上部蛋白質(zhì)組的變化。在對照和接種促生菌劑組篩選到67個差異蛋白，其中上調(diào)40個，下調(diào)27個;在對照與原生態(tài)東南景天組篩選到230個差異蛋白，其中上調(diào)113個，下調(diào)117個，兩組共同的上調(diào)蛋白15個，下調(diào)蛋白1