鋅鎘超積累植物東南景天對鎳的耐性與積累機(jī)制.pdf

1、隨著工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)代化城市發(fā)展，我國農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，對我國農(nóng)作物的安全生產(chǎn)與居民健康造成了巨大危險。據(jù)環(huán)保部與國土資源部調(diào)查顯示，我國農(nóng)田土壤的主要重金屬污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛。由于重金屬污染具有累積性、隱蔽性、長期性、巨大的危害性、和不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，重金屬污染防治現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)今國際研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。植物修復(fù)作為一種新興的綠色環(huán)保生物技術(shù)，較之傳統(tǒng)修復(fù)方法來說具有成本低、效益高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在污染環(huán)境生態(tài)修

2、復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。東南景天是我國本土發(fā)現(xiàn)的鋅鎘超積累植物，其生物量大、生長速度快，是重金屬污染植物修復(fù)的一種良好潛在材料，已逐漸用于我國重金屬污染土壤植物修復(fù)實踐工作中。前期研究表明，東南景天不僅能超積累重金屬鋅和鎘，其對鉛、銅等亦具有較強(qiáng)的耐性和積累能力。然而，迄今為止對于東南景天是否能耐受和積累高量鎳仍一無所知，探明鋅鎘超積累植物東南景天對鎳的耐性與積累特征，有助于其在鎘、鎳等重金屬復(fù)合污染土壤中的實踐應(yīng)用。基于此，本研究以鋅

3、鎘超積累生態(tài)型東南景天及其非超積累生態(tài)型為材料，采用溶液培養(yǎng)法，綜合運(yùn)用顯微鏡熒光染色、透射電鏡、同步輻射微區(qū)X射線熒光光譜（μ-XRF）、ICP-MS等技術(shù)，較為系統(tǒng)地研究了鋅鎘超積累東南景天對鎳的耐性與積累能力及其調(diào)控機(jī)制。
　　取得的研究結(jié)果主要包括兩個方面:
　　(1)鋅鎘超積累生態(tài)型東南景天根系對高鎳脅迫的耐受性:采用水培實驗，通過顯微鏡熒光染色、透射電鏡、μ-XRF、ICP-MS等技術(shù)比較分析了鋅鎘超積累生態(tài)型(

4、HE)與非積累生態(tài)型(NHE)東南景天根系對鎳脅迫的耐性差異。首先，通過測定不同濃度(0-200μM)與時間(0-72 h)鎳脅迫下兩種生態(tài)型東南景天根系的質(zhì)膜完整性、脂質(zhì)過氧化、活性氧自由基、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的變化差異，發(fā)現(xiàn)兩種生態(tài)型東南景天根系在鎳脅迫下均呈現(xiàn)出一定程度的質(zhì)膜受損和膜質(zhì)過氧化損傷以及根部活性氧自由基（過氧化氫和超氧負(fù)離子）的過量積累。然而，在高濃度鎳(100μM)處理72 h后，超積累生態(tài)型東南景天根系的質(zhì)膜受損、

5、膜脂質(zhì)過氧化與活性氧自由基的積累量均顯著低于非超積累生態(tài)型根系。根尖細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果證實了這一點(diǎn)，高濃度鎳處理72 h后，非超積累東南景天根尖細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的破壞，而超積累東南景天根尖細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)則無明顯變化?？梢姡e累生態(tài)型東南景天根系對高鎳脅迫具有較強(qiáng)的耐性。通過ICP-MS分析兩種生態(tài)型根系對鎳的積累特性發(fā)現(xiàn)在同等鎳處理濃度與處理時間下超積累生態(tài)型東南景天根系鎳的積累量要顯著低于非超積累生態(tài)型。由此推測，相較于非超積

6、累生態(tài)型，超積累生態(tài)型東南景天根系對鎳的吸收速率更低或其根系木質(zhì)部對鎳的裝載能力更強(qiáng)。通過對木質(zhì)部汁液的分析證實了超積累生態(tài)型東南景天根系木質(zhì)部對鎳的裝載速率要顯著高于非超積累生態(tài)型，尤其是在高鎳脅迫下，從而促使其根系向地上部快速轉(zhuǎn)運(yùn)鎳，降低根系鎳的積累量。此外，同步輻射μ-XRF與熒光顯微染色分析發(fā)現(xiàn)兩種生態(tài)型根系鎳與超氧負(fù)離子的分布特征均有明顯的生態(tài)型差異，非超積累東南景天根系在100μM Ni處理24 h后，鎳和超氧負(fù)離子均大量積

7、聚在中柱周圍，而超積累東南景天根系中則無此現(xiàn)象，這進(jìn)一步證實了在高鎳脅迫下超積累生態(tài)型東南景天通過高效的木質(zhì)部裝載系統(tǒng)向地上部快速轉(zhuǎn)移鎳，降低了過量的鎳在根系積累所帶來的氧化脅迫。綜上可知，相較于非積累生態(tài)型，鋅鎘超積累生態(tài)型東南景天根系對高鎳脅迫具有較強(qiáng)的耐受性，主要原因在于其根系木質(zhì)部對鎳具有更高效的裝載系統(tǒng)，促使根系吸收、積累的過量鎳及時向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，以降低鎳在根細(xì)胞中的過度累積所引起的氧化脅迫，從而維持根系的正常生長與生理功能。

8、
　　(2)鋅鎘超積累生態(tài)型東南景天對鎳的積累能力與區(qū)隔特性:采用水培實驗，分析比較了兩種生態(tài)型東南景天在不同鎳濃度（0-200μM）長期處理后的生長狀況、鎳含量與分布特征變化。結(jié)果顯示，兩種生態(tài)型東南景天在鎳長時間處理后均出現(xiàn)不同程度的毒害癥狀，但非超積累生態(tài)型受脅迫程度更為嚴(yán)重，其在Ni≥25μM處理28天后生物量急劇下降，而鋅鎘超積累生態(tài)型東南景天則在Ni≤50μM處理濃度下均生長正常，這證實了后者對鎳脅迫具有較強(qiáng)的耐受性。

9、進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)兩種生態(tài)型東南景天雖然對鎳的總吸收量沒有顯著差異，但在高鎳脅迫時鋅鎘超積累生態(tài)型對鎳的向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)率要顯著高于非超積累生態(tài)型，其地上部鎳的含量顯著高于后者，莖中鎳含量可高達(dá)753±44 mg kg-1，但根部含量則相對較低。然而，無論是何種生態(tài)型東南景天，鎳在根中含量最高，莖次之，葉最低。通過同步輻射μ-XRF技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)在兩種生態(tài)型東南景天莖葉中鎳均主要分布于維管組織，表皮層次之。在處理28天后，隨著鎳處理濃度增加，超積

10、累生態(tài)型東南景天莖維管束中鎳含量迅速升高，且增幅較大，但莖其他部位鎳含量增幅不大;非超積累生態(tài)型中亦出現(xiàn)類似現(xiàn)象，盡管維管束中鎳增幅相對較低。兩種生態(tài)型東南景天葉片只在高鎳處理下才能在葉脈和表皮中檢測到鎳的信號。上述結(jié)果雖然再次證實了鋅鎘超積累生態(tài)型東南景天對鎳脅迫具有較強(qiáng)的耐受性，但也說明了其地上部對鎳的積累能力并不十分突出，其主要原因在于:盡管超積累生態(tài)型東南景天從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)鎳的能力要顯著高于非積累生態(tài)型，從而降低根系鎳的累積