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苋菜超积累镉的生理机制研究

范洪黎  
【摘要】: 土壤镉污染对生态环境及人类健康所造成的潜在危害已引起日益广泛的关注。植物修复作为一种新兴、高效的绿色修复技术是镉污染土壤治理的重要手段。现有镉超积累植物或由于生物量小而应用受限,或由于地域性强,生长受环境条件限制,发掘适合当地生态环境条件的用于镉污染修复的植物资源已成为各国竞相研究的热点。苋菜在我国的分布很广,品种资源丰富,生长快且生物量大,适于作为植物修复资源加以发掘。本研究在筛选镉超积累苋菜品种基础上,研究根系分泌有机酸以及外加有机酸对苋菜镉吸收和积累的影响,苋菜根系镉吸收和运输特性以及相关分子机制。论文取得的主要结果与进展如下: 1.采用溶液培养方法,从23个苋菜品种(Amaranthus mangostanus L.)中筛选镉富集能力强的品种。结果显示,苋菜品种天星米在加镉水平3 mg/L条件下,总吸镉量、地上部吸镉量在所有供试品种中均最高,地上部镉浓度为260 mg/kg。采用土壤培养试验方法,研究镉污染的赤红壤、黄棕壤和菜园土天星米生长及修复效果。结果表明,在土壤Cd浓度25 mg/kg条件下,其地上部镉浓度最大,达到212 mg/kg,富集系数最大为8.5,地上部净化率最大为3.8%。各加镉水平下天星米总生物量和地上部生物量均未显著降低,具备了镉超积累植物的特征。 2.采用溶液培养方法,研究低镉积累型苋菜紫背苋和高镉积累型苋菜天星米在镉胁迫下低分子量有机酸分泌特征及其与苋菜镉生物积累的关系。结果表明,随供镉浓度增加,紫背苋根、茎和叶生物量显著降低,而天星米生物量未发生明显改变。不同供镉浓度条件下,苋菜分泌的有机酸总量表现为天星米远高于紫背苋,有机酸含量均表现为柠檬酸>苹果酸>乙酸>丙酸>丁酸,且以柠檬酸和苹果酸为主。两品种各有机酸数量占有机酸总量的比例基本一致。随供镉浓度增加,两个苋菜品种根分泌的各有机酸量增加,各有机酸分泌量的增幅均表现为天星米大大高于紫背苋,植株根、茎和叶镉浓度与积累量也相应表现为天星米大大高于紫背苋。苋菜镉的生物积累与有机酸种类没有特异性关系,但与有机酸的总量有关。镉胁迫诱导根系分泌有机酸的数量,在引起两品种对镉吸收的差异方面起重要作用。 3.采用盆栽试验及土壤培养等方法,研究添加苹果酸、柠檬酸对赤红壤和黄棕壤中镉的形态转化以及苋菜天星米镉生物积累的影响。结果表明,与Cd 25mg/kg处理比较,Cd 25mg/kg+苹果酸、Cd 25mg/kg+柠檬酸处理对苋菜生物量未产生影响,但显著增加苋菜根系及地上部镉含量;添加苹果酸以及柠檬酸处理显著降低土壤专性吸附态Cd含量,却显著增加了交换态Cd、碳酸盐结合态Cd和有机结合态Cd含量。说明添加苹果酸以及柠檬酸能够通过影响土壤镉形态转化而促进苋菜对镉的积累。 4.采用~(109)Cd示踪方法,研究Cd~(2+)吸收动力学特征以及缺铁对苋菜根系Cd~(2+)吸收和运输的影响。结果表明,[Cd~(2+)]小于13μmol/L下,根系Cd~(2+)的吸收动力学符合Michaelis-Menten饱和动力学模型;[Cd~(2+)]大于13μmol/L下,根系Cd~(2+)吸收线性增加。加铁和缺铁条件下根系Cd~(2+)吸收K_m分别为2.0μmol/L和1.5μmol/L,最大吸收速率V_(max)分别为45和130 nmol/g(DW)h,说明苋菜根系Cd~(2+)吸收受缺铁诱导而增强。研究还发现,从形态学上完整的根细胞壁只观察到线性吸收现象,Ca~(2+)通道抑制剂LaCl_3能够部分抑制饱和及线性吸收过程,代谢抑制剂CCCP仅抑制饱和吸收过程,说明线性吸收反映了Cd~(2+)结合在根细胞壁的过程,而饱和吸收指示了跨根细胞原生质膜的主动运输过程。 5.采用cDNA末端快速扩增的方法(RACE),从超积累苋菜品种分离到一个IRT1基因,其长度为662bp。序列比对及系统进化树分析表明:苋菜IRT1基因部分序列编码的蛋白与其它IRT类蛋白具有较高的同源性(63.04%),并且与拟南芥锌转运蛋白和拟南芥铁转运蛋白聚类在一起。生物信息学分析表明:苋菜IRT1基因编码蛋白含有3个跨膜结构域,具有金属转运蛋白Pfam:Zip功能结构域。Northern杂交试验表明,苋菜IRT1基因的表达受环境缺铁胁迫所诱导。本试验结果初步证明了从苋菜中分离的IRT1基因是ZIP家族的一员,缺铁诱导该基因表达增强,其调控苋菜镉的吸收。


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