【摘要】：近幾年來,利用超積累植物修復(fù)重金屬污染的土壤和水體的技術(shù)受到關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)室前期研究中發(fā)現(xiàn),生長在污染環(huán)境中的美洲商陸(Phytolacca americana)有很強(qiáng)的重金屬積累能力,尤其是鎘和錳。為研究美洲商陸是否具有特有的機(jī)制積累和抵抗高濃度的重金屬脅迫,本論文采用湖南省湘西自治州礦區(qū)收集的美洲商陸種子,通過室內(nèi)溶液培養(yǎng),研究在鎘、錳處理后植物的生理響應(yīng),并分析和比較其積累和耐性的生理機(jī)理,為植物修復(fù)在治理重金屬污染土壤的實(shí)際應(yīng)用方面提供理論依據(jù)。 美洲商陸對(duì)錳的耐性高于鎘。5μM鎘處理對(duì)植物根系和葉片生物量有顯著的抑制作用,但錳處理(≤10000μM)對(duì)生物量的沒有抑制作用。鎘、錳處理后,美洲商陸根系對(duì)葉片敏感；引起根系發(fā)生質(zhì)膜過氧化的重金屬處理濃度(5 gM鎘,或10000gM錳)均低于葉片(50μM鎘),所有濃度的錳處理均沒有引起葉片質(zhì)膜過氧化現(xiàn)象。鎘處理后植物葉綠素a、b,類胡蘿卜素和葉綠素a/b值均顯著下降,而錳過量對(duì)各個(gè)光合色素含量和葉綠素a/b值沒有顯著影響。10000μM以下濃度錳處理誘導(dǎo)美洲商陸保護(hù)性熱耗散功能,錳處理通過氣孔因素抑制美洲商陸的光合效率；鎘處理破壞光系統(tǒng)結(jié)構(gòu),引起凈光合效率下降。美洲商陸對(duì)鎘、錳的積累隨時(shí)間均呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)增長,當(dāng)處理到第12天時(shí),根系和葉片中重金屬含量趨于飽和。不同濃度的鎘、錳處理15天后,根系鎘含量是地上部的2.5-2.9倍；而錳更傾向于向地上部運(yùn)輸,顯示出美洲商陸體內(nèi)有不同的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累鎘、錳的機(jī)制。 植物轉(zhuǎn)運(yùn)和積累重金屬的效率與重金屬離子在植物體內(nèi)的結(jié)合配體密切相關(guān)。為分析比較美洲商陸積轉(zhuǎn)運(yùn)和累鎘、錳配體的類型,測(cè)定了重金屬處理后美洲商陸葉片和根系中重金屬結(jié)合形態(tài),分析鎘、錳在美洲商陸體內(nèi)的水溶態(tài)、酸溶態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)含量。發(fā)現(xiàn)根系中的鎘、錳都以酸溶態(tài)為主(分別為55%、71%以上)；而葉片中水溶態(tài)鎘、錳含量更高,分別占總含量的61%和73%以上。進(jìn)一步分析各個(gè)可能的結(jié)合配體,包括磷、果膠、木質(zhì)素、酚類物質(zhì)、可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸、有機(jī)酸和非蛋白巰基(NPTs)等,在重金屬處理后含量的變化。鎘處理強(qiáng)烈誘導(dǎo)非蛋白巰基,尤其是植物螯合肽(PCs)含量的劇烈增加。鎘處理后,根系和葉片PCs與可溶性鎘比值分別為1.8-3.6和8.1-31.6。說明植物細(xì)胞內(nèi)有足夠量的PC合成并與鎘離子結(jié)合,尤其是葉。相反,錳處理沒有引起NPTs或PCs含量類似的變化。美洲商陸是草酸積累型植物,且草酸含量在錳處理后顯著增加,葉片草酸含量到達(dá)酸溶態(tài)錳的3.7-8.6倍。以上結(jié)果顯示,美洲商陸可能根據(jù)鎘、錳本身對(duì)配體親和特性的不同,采用不同的機(jī)制積累不同的重金屬。 為進(jìn)一步說明PCs和有機(jī)酸分別在植物鎘、錳積累中的作用,分別采用它們的生物合成前體和合成酶的抑制劑進(jìn)行外源處理,觀察這些物質(zhì)的加入對(duì)美洲商陸生長和重金屬積累的效應(yīng)。外源施加PCs前體谷胱甘肽(GSH)預(yù)處理增加根系鎘向地上部的轉(zhuǎn)移；另一方面,植物體內(nèi)GSH含量增加,能夠結(jié)合更多的鎘,降低鎘的毒害,緩解了鎘脅迫對(duì)植物的生長抑制。相對(duì)應(yīng)的,加入GSH合成抑制劑BSO后,GSH合成受到抑制,鎘脅迫傷害加重,并且鎘的吸收和積累也受到抑制。該結(jié)果說明GSH和PCs在植物中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和耐性中起重要作用。草酸在植物中有多種合成途徑。單一草酸合成抑制劑的加入并不一定降低植物組織草酸含量；銨態(tài)氮對(duì)草酸合成抑制效果最明顯。外源加入草酸及其前體之一抗壞血酸增加美洲商陸根系錳的積累但降低葉片中錳含量。另一方面,蘋果酸和檸檬酸的加入增加葉片錳含量而降低根系錳含量。說明蘋果酸和檸檬酸與錳的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān),而草酸是錳在美洲商陸體內(nèi)的最終結(jié)合配體。 通過以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)美洲商陸對(duì)錳有很強(qiáng)的耐性,質(zhì)外體環(huán)境在植物耐錳能力上有重要作用。論文中分析了錳過量后美洲商陸葉片質(zhì)外體環(huán)境的響應(yīng),包括木質(zhì)素沉積、葉片質(zhì)外體過氧化物酶(POD)和漆酶的活性,和抗壞血酸氧化還原平衡的變化。美洲商陸對(duì)營養(yǎng)液中的錳有很強(qiáng)的積累和耐受能力,超過10000μM錳處理后,葉片沒有發(fā)現(xiàn)褐色斑點(diǎn)的出現(xiàn)。錳處理顯著增加木質(zhì)素含量和質(zhì)外體流出液(AWF)中漆酶的活性,催化木質(zhì)素的沉積,消耗了可作為SPOD底物的酚類物質(zhì)的量。該過程伴隨著AWF中可溶性酚含量和可溶性過氧化物酶(SPOD)活性的平行下降。結(jié)果,減少的可溶性酚含量和POD活性降低了毒性中間產(chǎn)物的形成,避免錳毒害的產(chǎn)生。質(zhì)外體抗壞血酸的氧化還原可能起到維持錳處理后質(zhì)外體環(huán)境的還原勢(shì)的作用。 上述研究表明,美洲商陸根據(jù)鎘、錳對(duì)配體的親和性不同,采用不同的機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)積累重金屬。質(zhì)外體漆酶催化的木質(zhì)素沉積和POD活性的抑制,在美洲商陸耐受錳脅迫過程中有重要作用。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X173

【參考文獻(xiàn)】

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