東南景天促生菌提高植物萃取鎘效率及其機(jī)理研究.pdf

1、通過(guò)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(fù)是一種有效、安全、環(huán)境友好的土壤修復(fù)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(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收、提高植物對(duì)重金屬的耐性和植物萃取效率而引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，植物促生菌對(duì)不同植物系統(tǒng)中重金屬萃取效率的影響和機(jī)理仍不清楚。本文以我國(guó)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(guò)盆栽試驗(yàn)、溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，綜合利用植物生理學(xué)、基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等分析方法，采用高通量測(cè)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(biāo)記、同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量（isobaric tags for relative

3、and absolute quantitation，iTRAQ）等技術(shù)，探究植物促生細(xì)菌促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高植物對(duì)鎘的吸收及積累的作用及其調(diào)控機(jī)理。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1)采用盆栽試驗(yàn)，結(jié)合高通量測(cè)序分析技術(shù)，研究了不同鎘水平人工污染的我國(guó)4種代表性土壤中，東南景天生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)較差、鎘積累濃度較高，微

4、生物群落結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單，以不動(dòng)桿菌、柄桿菌為主。而在堿性黑土中，東南景天生長(zhǎng)較好、生物量大、鎘積累濃度相對(duì)較低、微生物群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，以假單胞菌、不動(dòng)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(xì)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(xì)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(duì)超積累植物內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)均有較強(qiáng)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(guò)盆栽試驗(yàn)，比較了2種根際促生菌與2種內(nèi)生促生菌對(duì)鎘富集植物油菜生長(zhǎng)和鎘提取效率的影響。通過(guò)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(jìn)油菜的生長(zhǎng)和對(duì)Cd的吸收，提高油菜Cd提取修復(fù)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(lèi)內(nèi)生菌的作用效應(yīng)存在明顯差異。本研究中，內(nèi)生菌SaMR12不僅顯著提高油菜對(duì)Cd的積累量（提高42.2％），而且不會(huì)增加種子中Cd的含量，降低了Cd

6、通過(guò)油菜籽進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險(xiǎn)，因此被選為后續(xù)研究的重要菌株。
　　3)采用盆栽試驗(yàn)，研究了東南景天-油菜輪作系統(tǒng)與SaMR12對(duì)黑土、水稻土、潮土中鎘萃取修復(fù)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東南景天-油菜對(duì)鎘的萃取量為63.4-477.6μg，以水稻土最高（477.6μg）;接種SaMR12可進(jìn)一步提高植物對(duì)鎘的積累量和修復(fù)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(xì)菌群落多樣性，而對(duì)油菜根際土壤細(xì)菌群落

7、結(jié)構(gòu)的影響不顯著。說(shuō)明植物促生菌是東南景天/油菜輪作系統(tǒng)萃取修復(fù)的有效調(diào)控手段。
　　4)通過(guò)溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了在不同Cd濃度處理下，SaMR12對(duì)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(duì)照相比，SaMR12能夠顯著提高Cd脅迫下東南景天對(duì)Cd的積累量，但對(duì)根系抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性沒(méi)有顯著影響，這可能與東南景天抗氧化酶的活性對(duì)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(dá)。表明SaMR12通過(guò)增加GSH濃度和相關(guān)基因表達(dá)，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(duì)Cd的吸收和積累。
　　5)通過(guò)溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了在不同濃度Cd處理下，SaMR12對(duì)東南景天金屬離子吸收和三種相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因表達(dá)的影響。結(jié)果表明，在低濃度的Cd處理時(shí)，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(dá)水平，提高SaHMA2，SaNARMP1在根部的表達(dá)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(dá)水平，以及SaIRT1、SaZIP3、SaHMA3、SaNARMP6在根部的表達(dá)水平。說(shuō)明在無(wú)Cd脅迫的條件下，SaMR12能夠提高一些轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)從而增加

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