發(fā)布時(shí)間：2017-12-09 03:05

  本文關(guān)鍵詞：質(zhì)外體途徑在超積累植物東南景天鎘吸收與運(yùn)輸中的作用及其調(diào)控機(jī)制

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【摘要】：利用重金屬超積累植物對(duì)污染土壤進(jìn)行"植物提取"修復(fù),是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的治理重金屬污染的新技術(shù)。遺憾的是,大部分超積累植物生物量較小,生長(zhǎng)緩慢,修復(fù)效率低,限制了該技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。深入研究超積累植物重金屬吸收及運(yùn)輸機(jī)制,對(duì)于植物提取修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和改良具有重要意義。目前關(guān)于共質(zhì)體途徑在超積累植物鎘吸收與運(yùn)輸中的作用機(jī)理已做了大量研究,但對(duì)質(zhì)外體途徑在超積累植物鎘吸收及運(yùn)輸中的作用及調(diào)控機(jī)制還不清楚。本論文以超積累生態(tài)型(hyperaccumulating ecotype,HE)和非超積累生態(tài)型(non-hyperaccumulating ecotype,NHE)東南景天為材料,采用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)、組織熒光染色、單克隆免疫熒光、掃描離子選擇電極技術(shù)、高效液相色譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜等,研究?jī)煞N生態(tài)型東南景天根系質(zhì)外體途徑對(duì)鎘吸收積累的貢獻(xiàn),探討了根系細(xì)胞壁多糖修飾、根系質(zhì)外體屏障發(fā)育、根尖草酸分泌以及植物內(nèi)源激素脫落酸對(duì)質(zhì)外體途徑的影響及調(diào)控。取得的主要研究結(jié)果如下:1、采用穩(wěn)定同位素示蹤、組織熒光染色等技術(shù),研究了兩種生態(tài)型東南景天根系質(zhì)外體途徑對(duì)鎘吸收及運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,外源添加代謝抑制后,兩種生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中鎘濃度均顯著降低,但HE木質(zhì)部汁液鎘濃度仍然是NHE的5倍,而HE中鎘向地上部的凈流速率遠(yuǎn)大于鎘向根中的凈流速率,表明部分鎘能通過(guò)質(zhì)外體途徑進(jìn)入木質(zhì)部。進(jìn)一步用鎘示蹤劑Leadmium和質(zhì)外體示蹤劑(Trisodium-8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulphonic acid,PTS)處理植物,發(fā)現(xiàn)鎘能和 PTS一樣從質(zhì)外體空間進(jìn)入木質(zhì)部最終到達(dá)地上部。通過(guò)密閉箱體根系靜水壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)HE木質(zhì)部汁液中的鎘含量隨著處理液中靜水壓的增加而增加,而這一部分的鎘增加量主要來(lái)源于外界靜水壓促進(jìn)的質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)逆k。通過(guò)PTS和鎘在蒸騰流中的比值分析,發(fā)現(xiàn)質(zhì)外體途徑對(duì)HE地上部鎘含量的貢獻(xiàn)率隨著外界鎘濃度的增加而增加,當(dāng)外界鎘濃度達(dá)到44.25 μM時(shí),質(zhì)外體途徑的貢獻(xiàn)率達(dá)到了 37%。上述結(jié)果表明,質(zhì)外體途徑參與了超積累植物東南景天對(duì)鎘的吸收與運(yùn)輸,且外界鎘濃度越高質(zhì)外體途徑貢獻(xiàn)率越大。2、采用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)分析和單克隆免疫熒光法,研究了兩種生態(tài)型東南景天根系細(xì)胞壁多糖組成、細(xì)胞壁各組分與鎘的結(jié)合特點(diǎn)及果膠修飾對(duì)質(zhì)外體鎘的固定和再利用能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,東南景天根系細(xì)胞壁主要由果膠、半纖維素1和半纖維素2組成,且三種組分在NHE中的含量均顯著高于HE。NHE根系細(xì)胞壁結(jié)合的鎘要顯著高于HE,且果膠是東南景天根系細(xì)胞壁中鎘的主要結(jié)合位點(diǎn)。25 μM鎘處理后,NHE果膠甲基酯酶活性上升了 210%,且顯著高于HE。單克隆免疫熒光分析也表明,NHE細(xì)胞壁中低甲基化果膠含量高.于HE,25 μM鎘處理后,兩種生態(tài)型東南景天根系細(xì)胞壁中低甲基化果膠含量均有所增加,而NHE的增幅更大。穩(wěn)定同位素外流試驗(yàn)和細(xì)胞壁吸附-解吸動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)均表明兩種生態(tài)型東南景天根系細(xì)胞壁吸附鎘的能力相當(dāng),但NHE吸附的鎘被牢牢固定,而HE吸附的鎘更容易解吸釋放到質(zhì)外體自由空間,有利于其向木質(zhì)部的裝載。3、采用熒光染色技術(shù)、掃描離子選擇電極技術(shù)等,研究?jī)煞N生態(tài)型東南景天質(zhì)外體屏障發(fā)育情況和質(zhì)外體途徑的進(jìn)入位點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,10 μM鎘處理后,HE根系導(dǎo)水率要顯著高于NHE。兩種生態(tài)型東南景天根尖分區(qū)差異明顯,在鎘處理下,HE根尖分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)均長(zhǎng)于NHE。與NHE相比,HE在鎘處理后質(zhì)外體屏障發(fā)育更加遠(yuǎn)離根尖,且控制質(zhì)外體屏障發(fā)育的相關(guān)基因SaCYP86A1、SaKCS20、SaCASP的相對(duì)表達(dá)量也更低,其中兩種生態(tài)型SaCASP的相對(duì)表達(dá)量在0-1 cm段根系差異明顯,而在1-2 cm段沒(méi)有顯著差異,進(jìn)一步說(shuō)明凱氏帶發(fā)育的起始位置介于0-1 cm根尖處。掃描離子選擇電極技術(shù)測(cè)定結(jié)果表明,HE鎘離子凈流量由根尖向根基逐漸減少,且根尖凈流量要遠(yuǎn)大于NHE。同時(shí),HE根尖的PTS熒光強(qiáng)度要顯著強(qiáng)于NHE。另外,HE中側(cè)根數(shù)量顯著高于NHE,而PTS可以從"無(wú)領(lǐng)型"側(cè)根穿過(guò)皮層直達(dá)木質(zhì)部。綜上,質(zhì)外體屏障是影響質(zhì)外體途徑的主要因子,而根尖和側(cè)根發(fā)育部位由于質(zhì)外體屏障沒(méi)有發(fā)育或發(fā)育不完全而成為HE中質(zhì)外體途徑的主要進(jìn)入位點(diǎn)。4、采用熒光染色技術(shù)和掃描離子選擇電極技術(shù),研究了兩種生態(tài)型東南景天根系草酸分泌特性及其對(duì)質(zhì)外體途徑吸收運(yùn)輸鎘的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,在25 μM鎘誘導(dǎo)下,HE根系草酸的分泌量是NHE的2倍,且主要分泌部位位于根尖0-10mm。陰離子通道抑制(Phenylglyoxal,PG)能顯著抑制草酸的分泌,降低HE的鎘含量,而這種抑制作用在外源添加草酸之后得到恢復(fù)。非損傷掃描離子電極技術(shù)測(cè)定結(jié)果表明,HE根尖0-10mm中鎘離子凈流量最大,且鎘離子凈流量在外源添加PG后受到顯著抑制。對(duì)HE,外源添加PG后,凱氏帶的發(fā)育更加靠近根尖,而草酸分泌使凱氏帶的發(fā)育更加遠(yuǎn)離根尖,促使更多的PTS能通過(guò)質(zhì)外體途徑進(jìn)入木質(zhì)部。以上結(jié)果表明,根尖分泌的草酸會(huì)通過(guò)影響凱氏帶的發(fā)育從而影響質(zhì)外體途徑對(duì)鎘的吸收與運(yùn)輸。5、采用熒光染色技術(shù)等研究了兩種生態(tài)型東南景天內(nèi)源脫落酸(abscisic acid,ABA)對(duì)質(zhì)外體途徑的調(diào)控。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)照條件下,兩種生態(tài)型東南景天根系、木質(zhì)部汁液以及地上部的ABA含量無(wú)顯著差異,但隨著外源鎘濃度的升高,HE內(nèi)源ABA基本不變,而NHE顯著升高。外源ABA會(huì)抑制HE地上部鎘含量,而外源添加ABA抑制劑Abamine時(shí),NHE地上部鎘積累量顯著增加,但HE地上部鎘含量沒(méi)有顯著變化。外源添加ABA后,兩種生態(tài)型東南景天根系軟木脂發(fā)育均不同程度的向根尖延伸,但HE延伸更明顯。25 μM鎘處理后,HE的氣孔大小和密度、葉片氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率沒(méi)有顯著的變化,而NHE中相關(guān)參數(shù)顯著降低。外源ABA會(huì)不同程度的抑制兩種生態(tài)型東南景天的氣孔相關(guān)參數(shù)和蒸騰速率,但HE的抑制程度更加顯著;而外源添加Abamine會(huì)促進(jìn)兩種生態(tài)型東南景天的相關(guān)氣孔參數(shù)和蒸騰速率,但以NHE在高濃度鎘處理下的促進(jìn)效果最為顯著。以上結(jié)果表明,兩種生態(tài)型東南景天由于內(nèi)源ABA的差異導(dǎo)致質(zhì)外體屏障發(fā)育和質(zhì)外體驅(qū)動(dòng)力蒸騰作用的差異,最終影響質(zhì)外體途徑對(duì)鎘的吸收與運(yùn)輸。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X173

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本文編號(hào)：1268828