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菜心对多环芳烃吸收及胁迫响应的机理研究

梁勇生  
【摘要】:多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是在环境中长期、广泛存在的毒性有机污染物。可以通过大气沉降和污水灌溉等途径而被植物吸收和积累,对农产品质量安全和人体健康产生极大的威胁。本文以PAHs和菜心为试验材料,研究了菜心对土壤中不同种类PAHs的吸收和积累规律;施用微生物菌肥和生物质炭对土壤中不同种类PAHs挥发性和生物有效性含量及菜心吸收积累土壤PAHs的影响;菜心在PAHs胁迫下生理和分子的响应机制。主要研究结果如下:1.采用不同浓度PAHs污染土壤盆栽种植菜心,研究菜心对土壤中不同种类PAHs的吸收和积累规律。结果表明:菜心根、茎、叶中的PAHs含量随着土壤PAHs污染浓度的增加而升高;菜心植株不同部位对土壤PAHs吸收和积累的大小顺序为根部叶片茎部。菜心叶片中的PAHs含量在定植后17d内快速上升,17d至24d,上升速度明显减慢。菜心植株内低环类PAHs的含量占PAHs总量的77.61~90.3%,高环类PAHs的含量占PAHs总量的9.70~22.39%。菜心对土壤中5种PAHs的富集能力大小为PheNapFltBaPInP,菜心根部对BaP和InP的富集能力要远大于茎部和叶片。种植菜心后,各处理土壤中可提取的PAHs总含量均出现不同程度的下降,非根际土壤比种植前土壤下降幅度为22.92%~27.98%,而根际土壤中可提取的PAHs含量显著低于非根际土壤。2.向土壤添加微生物菌肥和生物质炭都可以明显降低土壤中可提取的PAHs总量,有效抑制菜心对土壤中PAHs的吸收。随着培养时间的延长,土壤中可提取的PAHs总量均呈现降低趋势。生物质炭对Nap和Phe的挥发具有显著的抑制作用,在同一处理浓度下,生物质炭对降低土壤中Nap、Phe和Flt的挥发效果比微生物菌肥要好。生物质炭和微生物菌肥对抑制土壤中Flt的挥发效果不是很明显,土壤中Nap、Phe和Flt的挥发量随着培养时间的延长逐渐降低。生物质炭可在短时间内降低土壤PAHs的生物有效性,而微生物菌肥发挥作用的时间比生物质炭要长,随着培养时间的延长,微生物菌肥降低Nap和Phe的生物有效性的效果逐渐增强,增加生物质炭和微生物菌肥的用量不能显著降低Flt的生物有效性。菜心植株地上部分和地下部分PAHs含量随着生物质炭和微生物菌肥施用量的增加而降低。3.采用萘(Nap)、菲(Phe)、荧蒽(Flt)、苯并(a)芘(BaP)和茚并(1,2,3-c,d)芘(InP)5种不同苯环数的PAHs混合溶液施入土壤胁迫菜心,探讨PAHs胁迫对菜心的生理毒性效应。结果表明:低浓度PAHs胁迫促进菜心的生长,高浓度PAHs胁迫抑制菜心的正常生长,表现为茎径变小、单株鲜重和根鲜重降低和开花提前。PAHs胁迫下,菜心叶片中MDA、H2O2和脯氨酸含量随着胁迫时间的延长和胁迫浓度的增大而升高。低浓度PAHs促进菜心叶片可溶性蛋白含量的积累,而高浓度PAHs则抑制菜心叶片中可溶性蛋白的积累。PAHs胁迫下,抗氧化保护酶SOD、POD、CAT和APX活性响应程度不同。SOD活性随着胁迫浓度的增大而增强;POD、CAT和APX活性随着胁迫浓度的增大呈先升高后下降的趋势;随着PAHs胁迫时间的延长,SOD和POD的活性呈逐渐升高趋势,CAT和APX的活性先升高后降低。4.利用转录组测序技术(RNA-Seq)分析了菜心叶片响应PAHs胁迫的转录组,并对差异表达基因进行了挖掘分析,6个文库测序获得的raw reads数分别为29.46M、32.15M、40.78M、56.53M、46.42M和39.53M,每个文库的cleaa reads百分比达98%以上,共获得73.8Gb数据,Q20碱基占97.38%以上,Q30碱基占93.63%。以上,GC含量在样本间保持稳定,在47.28%~48.63%之间。所有样品检测到已知基因总数为32917个,其中新基因1814个。筛选出显著差异表达的基因1450个,其中显著上调表达的基因689个,显著下调表达的基因761个。通过相关生物信息学分析,从差异表达基因中鉴定到117个转录因子,其中WRKY、MYB、AP2/ERF和NAC等转录因子家族的基因表达在响应PAHs胁迫中显著变化,乙烯代谢途径基因大量表达。此外,还鉴定到40个参与激素合成和信号转导相关的基因。


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