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产ACC脱氨酶细菌提高植物富集和耐受镉、铜效应及机制研究

任改弟  
【摘要】:重金属污染土壤的植物修复因其绿色、廉价、环保等优点日益受到关注。植物体内及根际微生物可通过多种作用方式影响重金属污染环境中植物的生长和土壤重金属的形态及植物对土壤重金属的吸收,从而影响植物对重金属的修复效率。筛选具有植物促生特性的细菌并研究其提高植物富集重金属效应和机制对于进一步阐明植物富集重金属机制并发展植物-微生物联合修复新途径有重要的意义。 本文以细菌对Cd、Cu的抗性和产ACC脱氨酶(ACCD)能力为初筛指标,从分离自铜矿区重金属耐性优势植物鸭跖草根际土壤和根内抗Cd和Cu(10-20 mg.L-1)的16株细菌和实验室保存的16株细菌中筛选出抗Cd和Cu(20 mg.L-1)并具有ACC脱氨酶活性的细菌菌株20株。其中16株菌的16S rDNA序列分析表明,它们隶属于三大类群:α-,β-,γ-Proteobacteria及Actinobacteria和Firmicutes,包括10个属。Cupriavidus为首次发现的产ACC脱氨酶细菌。以菌株对供试植物玉米和油菜的促生作用以及对植物富集镉、铜的效应为筛选指标,筛选出三株高效菌株(Enterobacter agglomerans Z1、Bacillus megaterium JL35和2Csa-24)。研究了菌株Z1、JL35和2Csa-24的生物学特性、对环境的适应能力。结果表明,3株菌均能产生ACC脱氨酶、IAA和铁载体,Z1和JL35还能产精氨酸脱羧酶;供试菌株能够抗多种重金属(Pb and Zn: 100-500 mg.L-1; Ni:25-50 mg.L-1)和抗生素(Km:25-100 mg.L-1; Amp, Spe and Cm: 50-200 mg.L-1; Str:20-100 mg.L-1; Tc:10 mg.L-1; Rif:25-200 mg.L-1);菌株2CSa-24经生理生化特性和16S rDNA序列分析被鉴定为Cupriavidus nector 2CSa-24。Cupriavidus nector 2CSa-24为首次报道的产ACCD的细菌。 水培条件下研究了Z1、JL35和2Csa-24对Cd、Cu胁迫下玉米和油菜生长和富集Cd、Cu的影响。结果表明,菌株主要是通过增加植物的生物量和植物对Cd、Cu的吸收来增加玉米和油菜对Cd、Cu的总富集量。水培条件下通过研究菌株对玉米和油菜根部SOD、POD.可溶蛋白含量以及对植物叶片AsA、GSH、TBARS、游离脯氨酸(Pro)含量的影响来研究菌株Z1、JL35和2CSa-24促进植物生长、提高植物富集和耐受Cd、Cu勺机制。结果表明,菌株降低了细胞受害程度,使TBARS含量降低,尤其表现在高浓度的Cd胁迫(玉米:20 mg.L-1;油菜:Cd 10 mg.L-1);使植物根部SOD活性升高和可溶蛋白含量普遍增加,使油菜叶片AsA含量增加;能提高或显著提高植物GSH水平,接菌处理对植物POD活性和Pro含量也有一定影响。 土壤盆栽试验表明,供试菌株Z1、JL35和2CSa-24能促进玉米和油菜的生长,能通过增加玉米根际土壤醋酸铵提取态的铜和油菜根际土壤水溶态的铜来增加铜的生物有效性。菌株Z1、JL35和2CSa-24均能在玉米和油菜根际和根内良好定殖,在根际和根内定殖的数量分别为103-104 cfu·g-1 soil和102-103 cfu·g-1 FW。盆栽条件研究了接菌Z1、JL35和2CSa-24对玉米和油菜根际微生态环境的影响和提高植物富集和耐受镉铜的机制。结果表明,接菌增加了植物根际可溶性糖含量,增加了根际土壤蔗糖酶活性,普遍降低了土壤脲酶活性,对土壤pH影响不大;接菌主要通过增强植物的抗氧化酶系统和非酶系统来增加来增加植物对重金属的富集和耐受。不同菌株因本身对植物的影响能力不同,其对植物生理指标的影响也各异,同一菌株对同一植物的不同部位生理指标影响也不同。不同菌株缓解重金属对植物的伤害的途径和机制不同。


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