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柳树对镉积累、忍耐与解毒生理机制初步研究

作　者: 杨卫东
导　师: 陈益泰
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 林木遗传育种
关键词: 旱柳镉抗氧化酶光合作用矿质营养抗坏血酸―谷胱甘肽亚细胞分布与化学形态镉锌互作低分子量巯基化合物
分类号: S792.12
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

植物修复是用绿色植物及相联微生物清洁环境污染,作为非破坏性技术近10年已经获得很大进展。柳树用于原位修复土壤中Cd、Zn污染。旱柳、杞柳、垂柳是我国重要乡土树种,它们有高生物量,生长快,适应水湿环境等特点。本论文先对我国广泛栽培的灌木柳——杞柳对Cd和Zn积累的特点以及重要绿化树种——垂柳对Cd积累特点作了研究,最后以我国重要的乡土树种—旱柳为材料,探讨Cd对柳树光合作用、矿质元素影响、Cd-Zn交互作用以及柳树对Cd忍耐和解毒机制。本论文研究内容共有8部分组成。1.杞柳3品种微山湖、大红头、一枝笔,通过水培方法,比较杞柳品种对Cd的积累与忍耐差异。Cd处理浓度为0、10、50μmol·L^-1,处理6周。结果表明:3种品种在植物枝、根生物量以及对Cd忍耐水平和积累存在差异. Cd不同程度降低了3种枝和根生物量;Cd在枝中浓度与根中浓度比值低于1,并且随介质中Cd剂量提高,其比值降低,但Cd在枝中积累总量与Cd在根中积累总量高于1,但随介质浓度升高而降低;微山湖品种忍耐系数TIroot（以根干重表示）为0.61⁰.82;大红头品种TIroot为0.88,一枝笔品种TIroot为0.92⁰.93。添加0、100、1000μmol·L^-1 Zn,调果Zn对3杞柳品种生长参数影响、吸收和忍耐情况。结果表明:依赖Zn剂量,这些生长参数在品种之间有明显差异,在高浓度(1000μmol·L^-1)时,Zn降低杞柳3品种茎高、根长、枝和根生物量。在Zn 100μmol·L^-1时,3种杞柳枝吸收与积累Zn量最高,而根中积累量随培养介质中Zn浓度增加而升高,枝中浓度与根中浓度比值接近1。忍耐系数随介质Zn含量升高而降低。Cd处理浓度为0、10、50μmol·L^-1,处理时间为30d,评价Cd对垂柳3无性系生长参数的影响、吸收和忍耐情况。结果表明:Cd改变垂柳3无性系生长参数;在枝中Cd积累量无性系差别不明显,在10μmol·L^-1 Cd,3种无性系枝积累量>100μg?g-1,Cd主要积累于根部,并且积累量增加随介质浓度增加,在根部,无性系之间Cd吸收量明显不同,并且枝吸收Cd总量与根吸收Cd总量大于1;3种垂柳无性系对Cd忍耐系数与处理介质浓度有关,在10μmol·L^-1,忍耐系数为0.80⁰.93。2.调查Cd( 5和25μmol·L^-1)胁迫对叶相对电导率、根K+渗透、脂过氧化及抗氧化酶的变化影响。叶相对电导率和根K+渗透以及根和叶丙二醛量（MDA）没有发生显著变化;高浓度Cd诱导根超氧歧化酶（SOD）活性增强,不同浓度Cd促进叶SOD活性升高;Cd使根抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性增加,但对叶APX活性并没有显著影响,Cd显著促进叶愈创木酚过氧化酶（POD）活性,但对根POD活性并没有显著改变,Cd并没有改变根谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）,但显著增进叶GPX活性,根和叶GST活性随Cd浓度增加而增加。这些结果说明,叶和根细胞质膜保持较大稳定性,抗氧化酶不同程度改变,在旱柳对Cd忍耐中起重要作用。3.柳树作为植物修复Cd污染的木本植物,这主要依赖柳树生物量大,Cd的植物毒性会抑制植物光合作用,降低植物生物量,会影响提取效率。添加Cd(0、5、25、50μmol·L^-1),培养14d,分析叶绿素含量、Rubisco和PEPC活性以及游离氨基酸含量及内肽酶活性。结果发现:受Cd影响减少了总叶绿素含量及叶绿素a和叶绿素b含量,但是处理间叶绿素降低量差异不大。随着介质中Cd剂量增加,Rubisco活性逐渐降低。同时Cd也抑制根和叶PEPC活性。根中游离氨基酸含量没有变化,而叶中游离氨基酸含量增加,这种增加依赖Cd浓度;Cd不同处理根的内肽酶活性降低,但在高浓度使叶内肽酶活力增加。这些结果表明Cd干旱柳光合作用、蛋白质降解和CO2同化。4. Cd毒性抑制植物生长,干扰矿质营养代谢。本研究调查Cd对旱柳N、P、K等矿质元素吸收和利用影响。由于K、P为大量元素,它们在旱柳中的吸收与器官和Cd剂量有关。Cd胁迫并没有显著影响根对K吸收,只在低浓度(Cd=5μmol·L^-1)增加叶中K含量,在25⁵0μmol·L^-1 Cd叶中K含量没有明显变化;5⁵0μmol·L^-1 Cd抑制根对P吸收,在25-50μmol·L^-1 Cd降低叶中P含量;受Cd胁迫根中NH4+含量增加,叶NH4+含量降低;根和叶中NO-13含量都轻微上升;在5μmol·L^-1 Cd,根NR活性显著上升,其它剂量Cd没有明显改变NR活性,Cd降低叶NR活性。本研究为通过营养管理策略提高修复对Cd效率,提供理论借鉴。5.柳树已经用于植物提取Cd,这需要忍耐一定剂量Cd,抗坏血酸—谷胱甘肽循环（ascorbate-glutathione cycle, AsA-GSH cycle）在植物忍耐Cd胁迫中起重要作用。分析根和叶还原型抗坏血酸（ascorbate, AsA）、氧化型抗坏血酸（脱氢抗坏血酸, dehydroascorbate, DHA）,还原型谷胱甘肽（reduced glutathione, GSH）,氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione, GSSG）及相关酶变化。Cd显著降低根AsA含量,增进叶AsA积累;5μmol·L^-1Cd促使根DHA含量升高,25μmol·L^-1Cd降低根和叶DHA含量,并且使根和叶AsA/DHA比率上升。5μmol·L^-1Cd促进根和叶GSH积累,25μmol·L^-1抑制根GSH含量积累,Cd使根和叶GSSG含量降低,在5μmol·L^-1时根和叶GSH/GSSG比率高于对照。在Cd处理下,Cd促进叶抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX）不同程度增强,根APX活性没有显著变化,根中单脱氢抗坏血酸还原酶（monodehydroascorbate reductase, MDHAR）在5μmol·L^-1活性最高,叶MDHAR活性随介质Cd浓度增加显著增加,根和叶的脱氢抗坏血酸还原酶（dehydroascorbate reductase, DHAR）活性显著高于对照,根GR仅在5μmol·L^-1Cd活性显著增加,叶GR活性高于对照;同对照相比,谷胱甘肽过氧化酶（glutathione peroxidase, GPX）和谷胱甘肽转硫酶（glutathione-S-transferase, GST）活性也不同程度上升。以上结果表明在Cd胁迫下抗坏血酸—谷胱甘肽循环参与旱柳对Cd忍耐。6. Cd在旱柳叶和根亚细胞积累及存在化学形式。随着培养介质Cd浓度增加叶和根各亚细胞组份Cd含量增加。Cd主要积累于叶细胞壁、叶绿体和可溶性部分,叶中FI（细胞壁）占65⁶9%,而FII（叶绿体）为14²2%,FIV（可溶性部分）为6.8⁷.7%,仅少量Cd发现于FIII（细胞器）中,Cd在叶亚细胞组份中积累顺序为FI>FII>FIV>FIII;而根中Cd主要积累于细胞壁和可溶性部分,其中Cd在根细胞壁中含量为59⁶6%,可溶性部分为14²5%,而Cd在根亚细胞组份中积累顺序为FI（细胞壁）>FIV（可溶性部分）>FII（质体）>FIII（细胞器）。Cd在旱柳以不同的化学形态存在,大部分为HCl、NaCl、HAC提取态,极少部分为乙醇和水,其中叶和根中Cd FHCl和FNaCl提取态>30%,Cd在叶和根中5种溶剂提取态顺序为FHCl>FNaCl>FHAC>Fwater>Fethanol。这些结果与旱柳对Cd脱毒与忍耐相关。7.柳树是具有修复潜力的木本植物,尤其适合于植物提取Cd、Zn,重金属往往是多种元素组成复合污染。调查了Cd―Zn交互作用对金属在枝根积累与分配影响。Zn、Cd在根部表现为互相竞争,即Zn抑制Cd吸收,Zn吸收也受Cd抑制;而在枝中,Cd抑制Zn积累,但是Zn对Cd吸收积累的影响依赖培养介质中Cd、Zn浓度。Zn、Cd交互作用改变它们在枝根中分配,这种改变仍与它们在介质中浓度相关,Cd、Zn主要积累于根部。在交互作用中,Cd-Zn单一或结合处理,干扰了Mn、Cu、Fe、Mg、Ca等矿质元素在枝根中含量,对K没有明显改变。这些结果表明Cd-Zn对旱柳有显著交互作用,影响二者在植物中积累、分配和对矿质元素吸收。8.低分子量含巯基醇化合物在植物解毒和积累中起重要作用。测定根和叶Cys、非蛋白巯基（Non-protein thiols, NPTs）、蛋白质巯基（Protein thiols, PTs）以及总巯基（Total thiols, TTs）含量,以及γ-GCS活力,了解低分子量巯基醇在旱柳对Cd忍耐和解毒中作用。发现不同剂量Cd处理下诱导NPTs、PTs和TTs产生,这表明低分子量巯基参与旱柳对Cd解毒与忍耐,有助于旱柳对Cd植物提取。由于Cd抑制旱柳根和叶γ-GCS活性,旱柳脱毒并不是由GSH生物合成引起的。

柳树对镉积累、忍耐与解毒生理机制初步研究

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