胡敏酸影响茶树（Camellia sinensis L.）铅生物有效性和毒性的作用机制

【摘要】土壤重金属污染及其引发的生态环境问题严重影响我国农产品质量安全和人体健康。土壤重金属的根际吸收过程及其调控机制研究是保障农产品安全和修复重金属污染土壤的突破口。pH和有机质是影响植物根际重金属吸收和调控的两大关键因素。与pH不同,土壤有机质(SOM)具有异质性和复杂性,对重金属生物有效性的影响十分复杂。其中,胡敏酸(HA)对植物吸收、转运和累积重金属的影响至今存在争议。茶叶含有茶多酚等对人体健康有益的功能组分,深受各国人民的喜爱。铅(Pb)是生理性和神经性毒物,几乎对人体所有重要的脏器产生不良影响。鉴于此,本文首先调查研究了不同品种茶树叶片铅累积特性及浸出率,然后选取浙江省主栽茶树品种龙井43和迎霜为研究对象,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS).同步辐射X射线荧光谱(SRXRF)、X射线吸收精细结构谱(XAFS)以及同位素标记相对和绝对定量(iTRAQ)差异蛋白质组学等技术手段,探究胡敏酸影响茶树铅生物有效性和毒性的分子机制,为有效遏制土壤重金属向食物链的迁移、积极防控土壤重金属污染提供理论依据和技术支撑。研究成果主要包括：(1)调查了不同品种茶树叶片铅累积特性及浸出率。不同产地、不同品种茶树嫩叶总铅含量在4.64～20.26mgkg-1之间,其中吸附态铅的比例在13.31%～48.05%之间。茶叶总铅与土壤总铅极显著正相关,与土壤pH显著负相关,与土壤有机质和吸附态铅无显著相关关系。茶叶冲泡时间由1分钟增加至4小时,茶水中铅的平均浸出率由8.24%增加至17.58%。(2)考察了土壤有机质及其不同组分与茶树不同组织铅含量的相关性。根际水溶性物质、富啡酸与茶树各组织铅含量显著正相关,而根际土壤微生物生物量与茶树嫩叶、嫩茎和根组织铅含量显著负相关。根际SOM和HA与茶树各组织铅含量均无显著相关关系,这从侧面反映了SOM和HA对重金属有效性影响的复杂性。此外,根际有机质含量并非一定高于非根际,加铅处理根际总有机碳含量高于非根际,而未加铅处理情况恰好相反,胡敏酸与总有机碳有相似的变化规律。(3)明确了根土界面胡敏酸与根细胞壁(CW)对铅的吸附机制差异。HA对铅的吸附用Langmuir模型拟合较好,而茶树根CW对铅的吸附用Freundlich模型拟合更佳。HA对铅的饱和吸附量远大于CW,但CW对铅的吸附能力稍大于HA。傅里叶变换红外光谱学研究表明,羧基对胡敏酸络合铅的贡献较大,而羟基主要参与了根细胞壁对铅的吸附。除了胡敏酸和细胞壁分别对铅有吸附配合作用外,胡敏酸可能通过CW-Pb-HA三元复合物的结合方式参与根细胞壁对铅的吸附和固定。(4)阐明了胡敏酸影响茶树铅吸收与形态转化的分子机制。在一定浓度范围内,胡敏酸的外源添加能够促进茶树根系对铅的吸收和向地上部的转运,超过临界浓度范围后,茶树组织铅含量有下降的趋势。胡敏酸的添加促进了铅元素通过根系维管组织向地上部的转运,进而通过茎和叶脉维管束增加铅向茶树嫩茎和叶片的输送和累积。茶树根部铅的主要分子形态为纤维素结合态铅和磷酸铅,而草酸铅和茶氨酸铅是茶树地上部铅的主要分子形态。胡敏酸的添加增加了茶树各组织纤维素结合态铅的比例,而磷酸铅、草酸铅以及茶氨酸铅的比例均有不同程度的下降。(5)揭示了胡敏酸促进茶树生长和缓解铅胁迫的机理。胡敏酸能够促进茶树生物量的积累,缓解一定浓度的铅胁迫对茶树生长、光合作用的抑制以及组织细胞超微结构的损伤。然而,随着铅胁迫时间的延长和组织铅含量的增加,胡敏酸对茶树铅毒害的缓解作用降低。根细胞壁是茶树应对铅胁迫的第一道屏障。铅胁迫条件下,胡敏酸的添加增加了细胞壁果胶总糖和糖醛酸的含量,降低了阿拉伯糖和半乳糖的含量,提高了细胞壁钙离子的浓度。iTRAQ蛋白质组学研究发现,采用绿色植物总库检索,错误发现率(FDR)控制在1%以内的茶树根系蛋白数目为1530个。铅处理和胡敏酸加铅处理两次标记重复出现的具有显著表达差异的蛋白数目为52个,其中上调表达蛋白20个,下调表达蛋白32个。生物信息学分析发现,差异蛋白主要涉及抗氧化胁迫、信号转导、细胞壁糖类物质代谢以及含硫物质的代谢等过程。
【作者】段德超；
【导师】施积炎；
【作者基本信息】浙江大学，环境工程，2014，博士
【关键词】土壤有机质；胡敏酸；茶树；铅；根际；生物有效性；分子形态；解毒；

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