超富集植物根系對鋅鎘的覓食性及生理調控機制

《超富集植物根系對鋅鎘的覓食性及生理調控機制》是依託中山大學，由湯葉濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超富集植物根系對鋅鎘的覓食性及生理調控機制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：湯葉濤
• 依託單位：中山大學

中文摘要

重金屬根系覓食性是自然界的奇特現象，即超富集植物根系能主動探尋異質環境中的富重金屬斑塊並迅速增生(形態可塑性)，或調整根系重金屬吸收動力學特徵(生理可塑性)，從而促進植物對重金屬的吸收和生物量的增加。目前超富集植物根系對鋅鎘的覓食性及其調控機理尚未有系統研究。本項目擬在前期研究基礎上，以國內發現的鋅鎘超富集植物圓錐南芥(Arabis paniculata)、長柔毛委陵菜(Potentilla griffithii)和東南景天(Sedum alfredii)為材料，以重金屬異質分布土壤為對象，研究超富集植物根系對富鋅鎘斑塊的形態可塑性和生理可塑性及其相互關係，明確根系金屬覓食性的關鍵影響因素，探討超富集植物根系對鋅鎘覓食性的生理調控機制。項目研究成果有利於進一步深入認識植物根系超量吸收鋅鎘的機理，並為異質性重金屬污染土壤的植物修復套用提供科學依據。

結題摘要

本項目以東南景天和長柔毛委陵菜為材料，探討了超富集植物根系對鋅鎘覓食性的形態可塑性和生理調控機制；系統研究了低鎘對超富集植物生長產生促進作用的生理機制；通過穩定同位素分餾技術，研究了超富集植物對鋅在土壤－植物體系的遷移轉化機制。主要研究結果如下： （1）外源添加重金屬盆栽實驗證實東南景天存在根系Zn/Cd覓食特徵。Zn/Cd空間異質分布下，東南景天90%以上的根系分配在富Zn或Cd斑塊；地上部Zn/Cd富集量及生長明顯優於、或類似於金屬均質分布處理。根系金屬覓食的內在機制源於東南景天對Zn/Cd存在內在高量需求：外源添加高量Zn或Cd能顯著改善植物生長和促進生物量積累。 （2）實地污染土壤盆栽實驗表明，異質處理植株的根系生物量、總根長、根系總表面積、根系平均直徑、根系總體積等均有向Zn/Cd污染斑塊更多分配的趨勢，異質化程度同樣影響東南景天的生長，地上部生物量在低污四分處理時比低污二分處理增加了31.24 %。同時，東南景天葉片生長素(IAA)含量在低污異質四分處理時為均質處理的3倍，表明植物激素可能參與並影響東南景天的根系覓食性特徵。 （3）低鎘對超富集植物的生長具有明顯的促進作用。營養液5 µM Cd處理顯著增加了東南景天生物量、葉片葉綠素含量及葉綠體形態參數。與對照相比，5 μM Cd處理下東南景天葉片顯著上調錶達了光合作用及能量代謝相關的蛋白Rubisco、光合系統水氧蛋白（OEC2）和細胞分裂蛋白ftsH。同時，5 µM Cd對植物IAA合成的刺激和氧化脅迫的緩解作用與5 µM Zn處理結果類似，意味著低Cd發揮了類似Zn的作用。 （4）測定了超富集植物Noccaea caerulescens及相應的土壤、岩石樣品的Zn穩定同位素，發現N. caerulescens對Zn具有相似的同位素分餾模式，即根部易富集重同位素（Δ66Znroot-soil=0.40 to 0.72‰），而地上部易富集輕同位素（Δ66Znshoot-root = –0.10 to –0.50‰）。耐性植物Silene vulgaris的δ66Zn與N. caerulescens明顯不同，其根際土壤-根、根-地上部之間沒有產生顯著的同位素分餾現象。研究表明穩定同位素分餾可用於深入理解植物對Zn的吸收機制。