【摘要】：通過植物根系吸收和在地上部超量積累重金屬,從而以收獲植物地上部的方式清除或降低環(huán)境中重金屬含量的植物萃取修復(fù)是一種有效、安全、環(huán)境友好的土壤修復(fù)技術(shù)。植物促生菌是指從根際土壤或植物體內(nèi)分離的,具有多種促生特性的有益微生物。由于某些具有重金屬耐性的植物促生菌能夠促進(jìn)植物對重金屬的吸收、提高植物對重金屬的耐性和植物萃取效率而引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而,植物促生菌對不同植物系統(tǒng)中重金屬萃取效率的影響和機(jī)理仍不清楚。本文以我國原生鎘(Cd)超積累植物東南景天和鎘超富集植物油菜為研究材料,通過盆栽試驗(yàn)、溶液培養(yǎng)試驗(yàn),綜合利用植物生理學(xué)、基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等分析方法,采用高通量測序、Real-Time PCR (RT-PCR)熒光原位雜交(Fluorescence in situ hybridization, FISH)、綠色熒光蛋白(Green fluorescent protein, GFP)標(biāo)記、同位素標(biāo)記相對和絕對定量(isobaric tags for relative and absolute quantitation, iTRAQ)等技術(shù),探究植物促生細(xì)菌促進(jìn)植物生長、提高植物對鎘的吸收及積累的作用及其調(diào)控機(jī)理。取得的主要研究結(jié)果如下：1)采用盆栽試驗(yàn),結(jié)合高通量測序分析技術(shù),研究了不同鎘水平人工污染的我國4種代表性土壤中,東南景天生長和內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：土壤性質(zhì)和鎘污染水平均顯著影響東南景天的生長和內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)。在pH較低的酸性紅壤中,東南景天生長較差、鎘積累濃度較高,微生物群落結(jié)構(gòu)趨向簡單,以不動桿菌、柄桿菌為主。而在堿性黑土中,東南景天生長較好、生物量大、鎘積累濃度相對較低、微生物群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,以假單胞菌、不動桿菌占優(yōu)。同一土壤不同鎘處理下,內(nèi)生菌的菌落結(jié)構(gòu)也不同。在黑土與潮土中,低Cd處理下內(nèi)生細(xì)菌的豐富度更高,而在水稻土與紅壤中,高Cd處理下內(nèi)生細(xì)菌菌落具有更高的豐富度。表明土壤性質(zhì)和重金屬濃度對超積累植物內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)均有較強(qiáng)的選擇性。2)分離鑒定了東南景天根際土壤和植物體內(nèi)的促生菌,通過盆栽試驗(yàn),比較了2種根際促生菌與2種內(nèi)生促生菌對鎘富集植物油菜生長和鎘提取效率的影響。通過FISH和GFP技術(shù),證明東南景天內(nèi)生菌可以成功定殖到非宿主植物油菜中。接種上述促生菌,均能促進(jìn)油菜的生長和對Cd的吸收,提高油菜Cd提取修復(fù)效率；然而內(nèi)生菌的作用效果要優(yōu)于根際菌,且不同種類內(nèi)生菌的作用效應(yīng)存在明顯差異。本研究中,內(nèi)生菌SaMR12不僅顯著提高油菜對Cd的積累量(提高42.2%),而且不會增加種子中Cd的含量,降低了Cd通過油菜籽進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險(xiǎn),因此被選為后續(xù)研究的重要菌株。3)采用盆栽試驗(yàn),研究了東南景天-油菜輪作系統(tǒng)與SaMR12對黑土、水稻土、潮土中鎘萃取修復(fù)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),東南景天-油菜對鎘的萃取量為63.4-477.6 μg,以水稻土最高(477.6μg)；接種SaMR12可進(jìn)一步提高植物對鎘的積累量和修復(fù)效率(提高6-55%),以黑土提高效果最優(yōu)(提高55%),并且顯著提高了東南景天根際細(xì)菌群落多樣性,而對油菜根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著。說明植物促生菌是東南景天/油菜輪作系統(tǒng)萃取修復(fù)的有效調(diào)控手段。4)通過溶液培養(yǎng)試驗(yàn),研究了在不同Cd濃度處理下,SaMR12對東南景天根系抗氧化系統(tǒng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與未接菌的對照相比,SaMR12能夠顯著提高Cd脅迫下東南景天對Cd的積累量,但對根系抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性沒有顯著影響,這可能與東南景天抗氧化酶的活性對Cd水平的變化不敏感有關(guān)。然而,Cd處理水平和SaMR12能夠顯著影響根部MDA、ROS、GSH濃度和PER1、ATPS、GS和GSH1等相關(guān)基因的表達(dá)。表明SaMR12通過增加GSH濃度和相關(guān)基因表達(dá),降低H202的濃度和根部損傷,緩解植物氧化脅迫,從而提高植物對Cd的吸收和積累。5)通過溶液培養(yǎng)試驗(yàn),研究了在不同濃度Cd處理下,SaMR12對東南景天金屬離子吸收和三種相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因表達(dá)的影響。結(jié)果表明,在低濃度的Cd處理時,SaMR12能夠增加植物地上部Fe、Zn和Cd的含量,提高SaIRT1、 SaHMA2和SaNRAMP3在地上部的表達(dá)水平,提高SaHMA2, SaNARMP1在根部的表達(dá)水平；在高濃度Cd處理下,SaMR12能夠增加葉片葉綠素的濃度和地上部Fe、Mg的含量,提高SalRT1、SaZIP3、SaHMA2、SaHMA3和SaNRAMP6在地上部的表達(dá)水平,以及SaIRT1、SaZIP3、SaHMA3、SaNARMP6在根部的表達(dá)水平。說明在無Cd脅迫的條件下,SaMR12能夠提高一些轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)從而增加植物對必需元素和Cd的吸收；而當(dāng)植物處于Cd脅迫時,SaMR12可通過促進(jìn)植物吸收Fe和Mg,調(diào)控金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)來促進(jìn)植物生長,提高植物對Cd的吸收積累。6)通過盆栽實(shí)驗(yàn),利用iTRAQ技術(shù)研究了促生菌劑對東南景天地上部蛋白質(zhì)組的變化。在對照和接種促生菌劑組篩選到67個差異蛋白,其中上調(diào)40個,下調(diào)27個；在對照與原生態(tài)東南景天組篩選到230個差異蛋白,其中上調(diào)113個,下調(diào)117個,兩組共同的上調(diào)蛋白15個,下調(diào)蛋白13個。差異蛋白主要參與核糖體途徑、光合作用、氧化磷酸化、谷胱甘肽代謝等過程,說明促生菌能夠影響植物體內(nèi)一系列相關(guān)的代謝過程。以上結(jié)果表明,促生菌對植物重金屬提取的促進(jìn)作用不僅是這些代謝過程相互作用的結(jié)果,而且可能是東南景天長期適應(yīng)重金屬脅迫、產(chǎn)生超量積累重金屬的原因之一。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q948.122.3

【參考文獻(xiàn)】

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1 林玉鎖;;我國土壤污染問題現(xiàn)狀及防治措施分析[J];環(huán)境保護(hù);2014年11期

2 潘風(fēng)山;陳寶;馬曉曉;楊肖娥;馮英;;一株鎘超積累植物東南景天特異內(nèi)生細(xì)菌的篩選及鑒定[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

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