秋华柳（Salix variegata Franch.）的Cd富集特性及解毒机制研究

【摘要】受工业排污和农业耕作等人类活动的影响,镉(Cd)污染已经成为全球性的生态环境问题。Cd水溶性强,毒性大,易进入食物链,对人类健康可造成巨大的危害。植物修复是一种高效廉价,绿色环保的重金属修复技术。秋华柳(SalixvariegataFranch.)是杨柳科柳属优势速生灌木种,生于河边或河床,是优良的护堤护岸树种。分布在陕西、甘肃、湖北、四川、云南、贵州等地。耐水淹、Cd富集及耐受能力强。为了探究其耐受机制,本试验采用微型水培条件,对秋华柳的抗氧化酶系统、植物螯合作用、区室化作用3种耐受机制进行了研究。本试验采用Cd梯度浓度处理,分别设置0(CK)、2(T1)、10(T2)、20(T3)、50(T4)mg/L对秋华柳扦插苗进行水培,在试验的0、6、12、18d对试验材料进行取样。分别测定了18d秋华柳叶、韧皮部、木质部、根的Cd含量,以及Ca、Fe、Mg、Mn、Zn5种2价金属元素的含量；18d根细胞活力和叶MDA含量；0、6、12、18d抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX、GR)活性、叶亚细胞组分Cd含量、巯基肽含量。主要结论如下：1.秋华柳具有较好的Cd富集能力。处理18d时,T1组木质部、根的Cd浓度分别达到801.82,48.59mg/kgDW。随着植物生长,木质部生物量的增加有利于秋华柳富集Cd,可有效修复污染土壤中的Cd。随着Cd处理浓度的增加,秋华柳的转运系数减小,这可能由于吸收的Cd含量超过秋华柳转运负荷有关。同时,由于根部Cd的富集导致了中高Cd浓度处理组(T2、T3、T4)根细胞活力显著丧失,从而降低了秋华柳对根部Cd的转运。但T1组根细胞活力与CK组无显著差异,说明秋华柳在实际污染Cd浓度的环境中具有较好的耐受性；2.秋华柳根细胞对Ca、Mg、Mn、Zn等4种2价金属元素的吸收均随着Cd胁迫浓度的增加而显著降低,其中Zn、Ca受抑制最严重,T4处理组与CK相比,分别下降了65.52%、25.73%。由于2价的Cd离子无特异性离子通道,与其他2价金属离子存在离子通道的竞争,在Cd处理下,营养液中Cd浓度高,渗透压大,更容易进入秋华柳根细胞,因此抑制了秋华柳根细胞对其他2价金属的吸收。4个Cd处理组韧皮部Mg、Mn的含量与CK组相比也显著降低。3.Cd胁迫对秋华柳叶造成氧化胁迫,引起脂质过氧化程度加深,导致MDA含量增加,且其含量与处理Cd浓度正相关。在氧化胁迫的细胞微环境中,秋华柳的抗氧化酶系统作出应激反应,清除细胞内过多的ROS。其中SOD,CAT是2种重要的酶,其活性随着Cd处理时间的延长和浓度的增加呈显著上升的趋势,在轻度氧化胁迫下(6d),APX、GR也具有较高的酶活性,通过AsA-GSH循环清除ROS,随着胁迫程度增加,APX、GR活性呈下降趋势。POD在秋华柳叶中作用不明显；4.Cd胁迫引起了秋华柳体内巯基肽的合成,根系中检测到了GSH、PC2、PC3,叶片中检测到了GSH、PC2、PC3、PC4、PC5。因根细胞内Cd-PC化合物被转运至地上部分,导致其巯基肽总含量随处理时间的延长呈先上升后降低再上升的趋势。作为主要的Cd-PC化合物储存的部位,叶片中的巯基肽含量则随Cd处理时间及浓度的增加显著增加,且含量高于根中的含量；5.秋华柳叶亚细胞组分Cd含量在不同Cd胁迫浓度和时间下呈现出相同的趋势：细胞壁>细胞质>细胞器,处理18d时,4个Cd处理组叶细胞壁的Cd含量所占比例分别可达到59.27%、64.54%,、69.82%、55.42%,为主要的Cd储存场所。其次为液泡区室化储存,如由植物螯合作用形成的Cd-PC化合物等,能通过质膜的转运体进入液泡内隔离。细胞壁结合和液泡区室化都能钝化、固定Cd离子,将其限制在有限的范围内,避免其对细胞器造成更大的伤害,影响其生理功能。综上,秋华柳能在Cd胁迫下由3种耐受机制共同作用,降低Cd对植物体造成的伤害,表现出较高的Cd耐受能力。如通过抗氧化酶系统清除过多的ROS,减轻细胞内的氧化胁迫,GR酶还能维持较高的GSH/GSSG比例,然后以GSH为前体合成巯基植物螯合肽,进一步对Cd离子进行螯合,形成无毒形式的Cd-PC化合物,化合物经由木质部向地上部分进行转运,然后通过质膜的转运体进入细胞的液泡储存。今后的研究工作可通过分子手段,对秋华柳的耐受机制进行改善、提高,如导入、或者上调酶活性、植物螯合肽、细胞壁结合位点与物质的相关基因,加强秋华柳对Cd的耐受能力,提高其对Cd污染土壤的植物修复能力。
【作者】张雯；
【导师】魏虹；
【作者基本信息】西南大学，生态学，2014，硕士
【关键词】秋华柳；植物螯合；区室化；耐受机制；

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