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超积累植物东南景天根系对重金属的吸收积累及根际细菌群落特征

侯丹迪  
【摘要】:植物对重金属的超积累作用及其调控机制是当今国内外土壤修复领域研究的热点和难点,也是优化重金属污染土壤植物萃取技术的核心要素。植物根际微环境中重金属的生物学过程是影响重金属从土壤向植物迁移的重要限制因子,深入研究土壤环境中超积累植物根系对重金属的吸收积累过程及其主控因子,尤其是根际微生物的重要作用,对于揭示植物超积累重金属的关键机制、推动植物萃取技术在污染环境修复中的实际应用具有重要的理论与现实意义。东南景天(Sedum alfredii Hance)是我国原生的锌镉超积累及铅富集植物,其对多种重金属具有很强的耐性和积累能力,是应用于污染土壤绿色植物修复技术的一种良好潜在材料。然而,目前有关东南景天超积累重金属的生理与分子机制研究多集中于超积累植物对重金属的转运与储存过程,对其根土微界面重金属的生物学过程及其在植物超积累重金属中的作用仍知之甚少。本研究以超积累生态型与非超积累生态型东南景天作为供试材料,综合运用同步辐射X射线荧光(SR-XRF)、X射线吸收光谱(SR-XAS)等高通量金属组学技术,原位分析了东南景天根系微观尺度上重金属的迁移转化过程,以期明确超积累植物对重金属的根系吸收过程,为进一步揭示根际生物学过程在植物超积累重金属中的作用机制奠定基础;同时,利用16SrRNA基因扩增子测序等技术比较了不同重金属污染条件下两种生态型东南景天根际土壤微生物学特征差异,探索特异根际细菌群落结构对植物萃取土壤重金属的潜在作用;基于上述研究,进一步分析了东南景天在修复重金属复合污染土壤过程中的根际调控机制及其独特的微生物结构特征,为重金属污染土壤植物修复技术的改良和优化提供科学依据。本研究取得的主要研究结果如下:1.在水培条件下采用SR-XRF和XAS技术研究比较了镉在两种生态型东南景天根系组织水平和细胞水平的原位分布、时空变化特点以及根系镉的赋存形态特征。结果表明,镉超积累生态型东南景天根系中镉主要分布于根尖分生组织和中柱,而非超积累生态型东南景天根系中的镉主要集中于分生组织,中柱区域只有很少量的镉。侧根发生部位(包括侧根根尖、侧根原基等处)以及侧根生长区域的中柱中都有大量镉的分布。通过根系不同部位对镉吸收的响应研究发现,侧根可以更加快速高效地吸收镉进入根系中。东南景天根系中镉主要以Cd2+、Cd-柠檬酸、Cd-细胞壁和Cd-谷胱甘肽形态存在,其中超积累生态型根系中Cd2+和Cd-柠檬酸的比例要高于非超积累生态型。上述结果表明侧根是超积累东南景天吸收镉的主要部位,而镉以离子态、柠檬酸结合态存在于其根细胞中,从而促进镉向木质部装载进而向地上部运输的效率。2.在水培条件下采用SR-XRF和XAS技术对铅富集与非富集两种生态型东南景天根系中铅等元素的分布特征和赋存形态进行原位分析。结果发现两种生态型东南景天根系吸收的铅主要分布于根尖分生组织和中柱部位,与C1、P等其他元素的分布较为一致。相较而言,铅富集型东南景天根尖分生组织中铅含量远低于铅非富集型东南景天,但其中柱中铅含量明显高于非富集型东南景天。此外,侧根发生部位能够吸收和积累更多的铅,并直接进入根系中柱部位进行运输。铅在根系中主要与细胞壁进行结合,减少了铅向地上部的迁移,其在东南景天铅耐性和解毒中可能发挥重要作用。综上可知,侧根是铅的主要吸收部位,而富集型东南景天则更容易将铅装载到木质部进而运输到地上部,而非富集型东南景天将更多的铅滞留在根尖,其可能原因在于细胞壁的固持作用。3.采用土壤根袋培养方式,利用16SrRNA基因扩增子测序技术比较了镉污染土壤上两种生态型东南景天的根际细菌群落结构差异。东南景天的种植和镉浓度的提高均显著降低了细菌群落的α-多样性,改变了土壤细菌群落结构。与非根际土壤及非超积累东南景天的根际土壤相比,超积累东南景天的根际土壤细菌群落结构组成明显不同。在高镉污染水平下,超积累东南景天根际中一些来自放线菌门(Actinobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes)和TM7菌门的种属尤为丰富。放线菌门的链霉菌属Streptomyces是造成超积累型根际与其他样品细菌群落组成差异的主要原因,在高镉水平下,其丰度是其他样品的3.31-16.45倍。以上结果说明,在超积累植物东南景天对镉污染土壤的植物修复过程中,其根系生长和土壤镉污染共同塑造了一个特殊的根际细菌群落,一些关键细菌,如Streptomyces的OTU8159,可能在重金属的超积累过程中发挥重要作用。4.利用16SrRNA基因扩增子测序技术比较了铅污染土壤中两种生态型东南景天的根际细菌群落结构的差异。与镉类似,东南景天的种植和铅浓度的提高(特别是中度铅污染水平)也显著降低了细菌群落的α-多样性,改变了土壤细菌群落结构。与非根际土壤及非富集型东南景天的根际土壤相比,富集型东南景天的根际土壤细菌群落结构组成明显不同。富集型东南景天根际Alphaproteobacteria纲(Astccaacaulis、Dongia)、Betaproteobacteria 纲 (Dechloromonas 和 Rhizobacter)和 Bacteroidetes 门(Flavobacterium)尤为丰富,而非富集型东南景天根际则有更高丰度的Firmicutes门(Clostridium sensu stricto 1、Paenibacillus)、Deltaproteobacteria 纲(Geobacter)和Gammaproteobacteria纲(Pseudomonas)。随着铅水平的提高,富集型和非富集型东南景天根际特异OTUs种类逐渐减少。以上结果表明,铅污染条件下,超积累东南景天根际形成了特异的细菌群落结构,但其群落结构特征及特异细菌组成与镉污染条件下明显不同,说明根际细菌对不同重金属有不同的适应性机制。5.采用根箱模拟试验综合比较了种植在镉铅复合重金属污染土壤条件下超积累和非超积累生态型东南景天的根际微域特征差异,并重点分析了两种生态型东南景天的根际微生物学特征。相较于非超积累型东南景天,超积累东南景天对于重金属有着更高的耐性,且地上部积累了更多的镉和锌。超积累型的根际微域特征与非根际土壤和非超积累型的根际土壤差异显著,表现为根系发达、根际土壤酸化、金属生物有效性提高以及微生物活性提高等。16SrRNA测序表明,超积累生态型具有特异的根际细菌群落特征,并在根际定殖了大量的Streptomyces、Kribbella等细菌。PICRUSt分析表明超积累东南景天根际中有更为丰富的与膜转运和氨基酸代谢相关的预测功能基因。本研究揭示了复合重金属污染植物修复过程中超积累东南景天根际的一系列生物化学行为,表明超积累植物东南景天对土壤重金属的活化及吸收作用可能与其根系对重金属的高耐受性,根系分泌物导致的土壤酸化作用,尤其是根际独特的细菌群落结构以及特异微生物的定殖密切相关。


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