莧菜超積累鎘的生理機(jī)制研究.pdf

1、土壤鎘污染對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類(lèi)健康所造成的潛在危害已引起日益廣泛的關(guān)注.植物修復(fù)作為一種新興、高效的綠色修復(fù)技術(shù)是鎘污染土壤治理的重要手段.現(xiàn)有鎘超積累植物或由于生物量小而應(yīng)用受限,或由于地域性強(qiáng),生長(zhǎng)受環(huán)境條件限制,發(fā)掘適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件的用于鎘污染修復(fù)的植物資源已成為各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn).莧菜在我國(guó)的分布很廣,品種資源豐富,生長(zhǎng)快且生物量大,適于作為植物修復(fù)資源加以發(fā)掘.本研究在篩選鎘超積累莧菜品種基礎(chǔ)上,研究根系分泌有機(jī)酸以及外加有機(jī)

2、酸對(duì)莧菜鎘吸收和積累的影響,莧菜根系鎘吸收和運(yùn)輸特性及相關(guān)分子機(jī)制. 1.采用溶液培養(yǎng)方法,從23個(gè)莧菜品種(Amaranthus mangostanus L.)中篩選鎘富集能力強(qiáng)的品種.結(jié)果顯示,莧菜品種天星米在加鎘水平3 mg/L條件下,總吸鎘量、地上部吸鎘量在所有供試晶種中均最高,地上部鎘濃度為260 mg/Kg.采用土壤培養(yǎng)試驗(yàn)方法,研究鎘污染的赤紅壤、黃棕壤和菜園十天星米生長(zhǎng)及修復(fù)效果.結(jié)果表明,在土壤Cd濃度25 m

3、g/kg條件下,其地上部鎘濃度最大,達(dá)到212 mg/kg,富集系數(shù)最人為8.5,地上部?jī)艋首畲鬄?.8﹪.各加鎘水平下天星米總生物量和地上部生物量均未顯著降低,具備了鎘超積累植物的特征. 2.采用溶液培養(yǎng)方法,研究低鎘積累型莧菜紫背莧和高鎘積累型莧菜天星米在鎘脅迫下低分子量有機(jī)酸分泌特征及其與莧菜鎘生物積累的關(guān)系.結(jié)果表明,隨供鎘濃度增加,紫背莧根、莖和葉生物量顯著降低,而天星米生物量未發(fā)生明顯改變.不同供鎘濃度條件下,莧菜

4、分泌的有機(jī)酸總量表現(xiàn)為天星米遠(yuǎn)高于紫背莧,有機(jī)酸含量均表現(xiàn)為檸檬酸>蘋(píng)果酸>乙酸>丙酸>丁酸,且以檸檬酸和蘋(píng)果酸為主.兩品種各有機(jī)酸數(shù)量占有機(jī)酸總量的比例基本一致.隨供鎘濃度增加,兩個(gè)莧菜品種根分泌的各有機(jī)酸量增加,各有機(jī)酸分泌量的增幅均表現(xiàn)為天星米大大高于紫背莧,植株根、莖和葉鎘濃度與積累量也相應(yīng)表現(xiàn)為天星米大大高于紫背莧.莧菜鎘的生物積累與有機(jī)酸種類(lèi)沒(méi)有特異性關(guān)系,但與有機(jī)酸的總量有關(guān).鎘脅迫誘導(dǎo)根系分泌有機(jī)酸的數(shù)量,在引起兩品種對(duì)

5、鎘吸收的差異方面起重要作用. 3.采用盆栽試驗(yàn)及土壤培養(yǎng)等方法,研究添加蘋(píng)果酸、檸檬酸對(duì)赤紅壤和黃棕壤中鎘的形態(tài)轉(zhuǎn)化以及莧菜天星米鎘生物積累的影響.結(jié)果表明,與Cd 25mg/kg處理比較,Cd 25mg/kg+蘋(píng)果酸、Cd 25mg/kg+檸檬酸處理對(duì)莧菜生物量未產(chǎn)生影響,但顯著增加莧菜根系及地上部鎘含量;添加蘋(píng)果酸以及檸檬酸處理顯著降低土壤專(zhuān)性吸附態(tài)Cd含量,卻顯著增加了交換態(tài)Cd、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd含量.說(shuō)明

6、添加蘋(píng)果酸以及檸檬酸能夠通過(guò)影響土壤鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化而促進(jìn)莧菜對(duì)鎘的積累. 4.采用<'109>Cd示蹤方法,研究Cd<'2+>吸收動(dòng)力學(xué)特征以及缺鐵對(duì)莧菜根系Cd<'2+>吸收和運(yùn)輸?shù)挠绊?結(jié)果表明,[Cd<'2+>]小于13μmol/L下,根系Cd<'2+>的吸收動(dòng)力學(xué)符合Michaelis-Menten飽和動(dòng)力學(xué)模型;[Cd<'2+>]大于13μmol/L下,根系Cd<'2+>吸收線(xiàn)性增加.加鐵和缺鐵條件下根系Cd<'2+>吸收

7、K<,m>分別為2.0μmol/L和1.5μmol/L,最大吸收速率V<,max>分別為45和130 nmol/g(DW)h,說(shuō)明莧菜根系Cd<'2+>吸收受缺鐵誘導(dǎo)而增強(qiáng).研究還發(fā)現(xiàn),從形態(tài)學(xué)上完整的根細(xì)胞壁只觀(guān)察到線(xiàn)性吸收現(xiàn)象,Ca<'2+>通道抑制劑LaCl<,3>能夠部分抑制飽和及線(xiàn)性吸收過(guò)程,代謝抑制劑CCCP僅抑制飽和吸收過(guò)程,說(shuō)明線(xiàn)性吸收反映了Cd<'2+>結(jié)合在根細(xì)胞壁的過(guò)程,而飽和吸收指示了跨根細(xì)胞原生質(zhì)膜的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)

8、程. 5.采用cDNA末端快速擴(kuò)增的方法(RACE),從超積累莧菜品種分離到一個(gè)IRTl基因,其長(zhǎng)度為662bp.序列比對(duì)及系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析表明:莧菜IRTl基因部分序列編碼的蛋白與其它IRT'類(lèi)蛋白具有較高的同源性(63.04﹪),并且與擬南芥鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和擬南芥鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白聚類(lèi)在一起.生物信息學(xué)分析表明:莧菜IRTl基因編碼蛋白含有3個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,具有金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Pfam:Zip功能結(jié)構(gòu)域.Northern雜交試驗(yàn)表明,莧菜IRT