【摘要】：日益嚴(yán)重的土壤重金屬污染問題亟待解決,植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)美觀、環(huán)境友好的優(yōu)點。然而,一些金屬的低生物利用度和工程植物有限的轉(zhuǎn)移系數(shù)成為植物修復(fù)的主要限制因素,這在很大程度上限制了重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。近年來有研究者提出,“螯合—誘導(dǎo)”植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用將有助于克服這個障礙。天然低分子量有機(jī)酸如檸檬酸、草酸、酒石酸、蘋果酸和琥珀酸等作為植物重要代謝物,具有高降解性、低毒性的特點,更符合環(huán)境友好型的要求。但隨目標(biāo)金屬和工程物種種類的不同,不同有機(jī)酸對植物修復(fù)的作用效果也存在較大差異,有必要針對目標(biāo)金屬和工程植物的特性及其作用機(jī)理加強(qiáng)研究。秋華柳(Salix variegata Franch.)是楊柳科柳屬多年生灌木,具有較強(qiáng)的鎘(Cd,cadmium)耐受和Cd積累能力,在Cd污染土壤植物修復(fù)工程中具有較大的應(yīng)用潛力。為進(jìn)一步提高秋華柳對Cd的吸收和積累能力,本研究采用水培的方式,探究檸檬酸、草酸、酒石酸、蘋果酸和琥珀酸5種外源有機(jī)酸的添加對秋華柳Cd富集能力的影響,并對其中作用效果顯著的檸檬酸、酒石酸和蘋果酸從生長能力、耐性機(jī)制和基因表達(dá)三個方面對其作用機(jī)理進(jìn)行研究,得到以下主要研究結(jié)果:(1)檸檬酸、酒石酸、蘋果酸和琥珀酸的加入對秋華柳Cd積累總量的提升有顯著效果Cd環(huán)境中加入檸檬酸、酒石酸、琥珀酸和蘋果酸后,秋華柳植株中Cd積累量得到顯著提升,分別是未加入有機(jī)酸Cd處理組的210%、190%、190%和178%。其中,檸檬酸加入后通過對秋華柳根生物量和根中Cd含量的提升,使根中Cd積累量顯著增加;酒石酸、琥珀酸和蘋果酸的應(yīng)用使秋華柳各器官中Cd積累量都得到顯著增加,有利于秋華柳對Cd污染土壤修復(fù)效率的提高。蘋果酸主要通過提升秋華柳各器官生物量使其Cd積累總量得到增加,酒石酸和琥珀酸的加入使秋華柳各器官生物量和Cd含量均有所提升,酒石酸對秋華柳Cd吸收能力的促進(jìn)作用大于琥珀酸。草酸的加入對Cd脅迫下秋華柳生物量和Cd吸收能力的提高沒有顯著影響。(2)檸檬酸、蘋果酸和酒石酸處理均使Cd脅迫下秋華柳光合作用得到加強(qiáng),顯著促進(jìn)了植物的生長能力,其中,酒石酸和蘋果酸的作用效果更為顯著。Cd脅迫通過對秋華柳光合色素含量、光合結(jié)構(gòu)完整性等非氣孔因素的影響顯著降低了秋華柳光合作用能力,使植物生長受到抑制,生物量顯著降低。蘋果酸通過提高Cd脅迫下秋華柳葉綠素含量和緩解光合結(jié)構(gòu)的損傷,促進(jìn)了植物的生長,顯著提升了秋華柳各器官生物量的積累。酒石酸在提升秋華柳光合色素含量方面沒有顯著效果,但在緩解Cd脅迫對植物超微結(jié)構(gòu)損傷方面具有突出作用。檸檬酸的加入使秋華柳光合色素含量顯著增加,葉肉細(xì)胞中葉綠體數(shù)量增多,葉肉細(xì)胞和葉綠體體積變大。檸檬酸處理也使Cd對秋華柳光合結(jié)構(gòu)的損傷得到緩解,但其作用效果低于酒石酸和蘋果酸處理組。結(jié)果表明,酒石酸和蘋果酸的應(yīng)用更有利于提高Cd脅迫下秋華柳的生長能力。(3)檸檬酸、酒石酸和蘋果酸的加入明顯增強(qiáng)了秋華柳對氧化應(yīng)激的抗性,檸檬酸和蘋果酸作用下秋華柳根中植物螯合肽含量顯著增加Cd脅迫下,植株根和葉中抗氧化酶活性顯著增強(qiáng),但其脂質(zhì)過氧化作用仍明顯增加。Cd脅迫下,秋華柳根和葉中MDA含量與對照組相比,分別提高了103%和69%。三種有機(jī)酸的加入均能明顯增強(qiáng)秋華柳對氧化應(yīng)激的抗性,降低Cd脅迫誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化作用,檸檬酸、酒石酸和蘋果酸加入后,各處理組秋華柳根中MDA含量均顯著降低,分別是Cd處理組的70%、49%和32%;葉中MDA含量僅在蘋果酸處理組顯著下降,為Cd處理組的71%。三種有機(jī)酸的加入也顯著增加了秋華柳根中GSH的含量,進(jìn)一步提高了植物抗氧化能力與合成植物螯合肽的潛力。秋華柳根中植物螯合肽含量在檸檬酸和蘋果酸作用下顯著增加,有利于植物Cd耐性的提高。(4)檸檬酸、酒石酸和蘋果酸的加入對促進(jìn)秋華柳植株尤其是根中與Cd積累及耐受相關(guān)基因的表達(dá)均有顯著效果,從而使秋華柳的Cd積累與耐受能力得到提高。Cd脅迫下,秋華柳根中P型金屬ATP酶蛋白HMA1和植物螯合肽合成酶家族蛋白PCS1的表達(dá)量被顯著上調(diào),分別是對照組的1.95倍和30.45倍;而葉中金屬耐受性蛋白MTP4和P型金屬ATP酶蛋白HMA5表達(dá)量顯著增加,分別是對照組的1.64倍和2.48倍。檸檬酸、酒石酸和蘋果酸的加入對Cd脅迫下秋華柳根和葉組織中候選基因的表達(dá)量產(chǎn)生了不同程度的影響。Cd脅迫下,在秋華柳根中,檸檬酸和酒石酸通過對NRAMP5和MTP4的誘導(dǎo)表達(dá)促進(jìn)了秋華柳根系對Cd的吸收,通過對PCS1的誘導(dǎo)增加了秋華柳根中Cd固存能力。在秋華柳葉中,檸檬酸的加入對提高秋華柳葉中多個候選基因的表達(dá)量均有顯著效果;蘋果酸的加入使葉中NRAMP5和PCS1表達(dá)量顯著增加。同時,三種有機(jī)酸通過對HMA1、HMA3和HMA5的誘導(dǎo),使秋華柳Cd耐性得到提高。在Cd脅迫下,候選基因主要在秋華柳根中表達(dá),三種有機(jī)酸的加入對促進(jìn)秋華柳植株中與Cd積累及耐受相關(guān)基因的表達(dá)均有顯著效果,從而使秋華柳的Cd積累與耐受能力得到提高。檸檬酸、酒石酸、蘋果酸和琥珀酸的加入對秋華柳Cd積累總量表現(xiàn)出顯著促進(jìn)。酒石酸、琥珀酸和蘋果酸的應(yīng)用可增加秋華柳地上部分Cd積累量,可有效提高秋華柳對Cd污染土壤的修復(fù)效率。通過對Cd脅迫下檸檬酸、酒石酸和蘋果酸處理下秋華柳植株中生長能力、耐性機(jī)制和基因表達(dá)三個方面響應(yīng)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):檸檬酸、蘋果酸和酒石酸處理均使Cd脅迫下秋華柳光合作用得到加強(qiáng),顯著促進(jìn)了植物的生長能力,其中,酒石酸和蘋果酸的作用效果更為顯著。三種有機(jī)酸的加入明顯增強(qiáng)了秋華柳對氧化應(yīng)激的抗性,降低Cd脅迫誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化作用,其中蘋果酸作用效果最為明顯。三種有機(jī)酸的加入也顯著增加了秋華柳根中GSH的含量,進(jìn)一步提高了植物抗氧化能力與合成植物螯合肽的潛力。秋華柳根中植物螯合肽含量在檸檬酸和蘋果酸作用下顯著增加,有利于植物Cd耐性的提高。三種有機(jī)酸的加入對促進(jìn)秋華柳植株尤其是根中與Cd積累及耐受相關(guān)基因的表達(dá)均有顯著效果,從而使秋華柳的Cd積累與耐受能力得到提高。 【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X53;X173

【圖文】：

西南大學(xué)碩士學(xué)位論文研究目標(biāo)為：究外源有機(jī)酸對秋華柳 Cd 積累能力的影響及其作用機(jī)理。研究內(nèi)容外源有機(jī)酸對秋華柳 Cd 積累特征的影響；外源有機(jī)酸對 Cd 脅迫下秋華柳光合能力的影響；外源有機(jī)酸對 Cd 脅迫下秋華柳葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響；外源有機(jī)酸對 Cd 脅迫下秋華柳膜脂過氧化及抗氧化酶防御系統(tǒng)的影響；外源有機(jī)酸對 Cd 脅迫下秋華柳非蛋白巰基肽的影響。外源有機(jī)酸對 Cd 脅迫下秋華柳 Cd 耐性與積累相關(guān)基因表達(dá)的影響；技術(shù)路線

細(xì)胞壁變薄，葉綠體增多且淀粉積累增加，液泡中無黑色沉積物（圖3-2C）。酒石酸和蘋果酸加入后秋華柳葉肉細(xì)胞形態(tài)正常，，葉綠體腫脹得到緩解，核質(zhì)分布均勻，核仁清晰，但在酒石酸處理后的植株葉肉細(xì)胞中液泡邊緣的黑色沉積物仍存在（圖 3-2D、E）。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2711908