鎘污染脅迫下五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)的生理生態(tài)及抗性機(jī)理研究.pdf

1、由于礦山開采、金屬冶煉、汽車尾氣排放和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)不斷加劇，重金屬污染越來越嚴(yán)重，已成為深受全球關(guān)注的環(huán)境問題。土壤中過量的有毒重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康和安全。當(dāng)今雖然植物修復(fù)土壤重金屬污染的技術(shù)較多，其中植物修復(fù)技術(shù)因其廉價(jià)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為一項(xiàng)非常有發(fā)展前途的土壤重金屬污染治理技術(shù)。篩選生物量大、生長(zhǎng)迅速、地理分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)的重金屬耐性植物，并深入探討植物的重金屬抗性機(jī)理，是開展重金屬污染土壤植物修復(fù)的關(guān)鍵科學(xué)問題。

2、 通過對(duì)位于廣東省大寶山礦區(qū)的植物和土壤進(jìn)行一系列野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期生長(zhǎng)在礦區(qū)的五節(jié)芒優(yōu)勢(shì)植物群落具有耐受重金屬污染脅迫的能力，研究了重金屬對(duì)五節(jié)芒植物群落分布格局及演替的影響。同時(shí)將野外調(diào)查和溫室培養(yǎng)相結(jié)合，以不同種群五節(jié)芒為材料，綜合運(yùn)用透射電子顯微鏡技術(shù)、掃描電鏡—X射線能譜技術(shù)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀、高速離心技術(shù)等分析手段較系統(tǒng)研究了五節(jié)芒的重金屬耐性及鎘富集特性及其可能的生理生態(tài)反應(yīng)機(jī)制，取得的主要研究結(jié)果

3、如下： (1)采用TWINSPAN數(shù)量分類方法，將大寶山礦區(qū)植被劃分為5個(gè)群落類型，五節(jié)芒群落為該區(qū)域的主要群落。典范對(duì)應(yīng)分析CCA排序圖明顯反映出排序軸的生態(tài)意義，第一軸基本上突出反映了各植物群落所在環(huán)境的土壤重金屬含量和土壤肥力狀況，第二軸主要表現(xiàn)了各植物群落或植物種所在環(huán)境的土壤pH、含水率WET和海拔ALT變化。Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明，樣地的重金屬Zn、Pb、Cu、Cd的含量與五節(jié)芒群落物種豐富度指數(shù)R、蓋度

4、以及植物多樣性指數(shù)都呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，表明大寶山礦區(qū)土壤重金屬含量對(duì)五節(jié)芒植被形成的影響極其顯著。本研究結(jié)果亦顯示重金屬含量不僅引起多樣性的變化，而且是植物群落分布和演替的重要影響因素，禾本科的五節(jié)芒群落具有耐干旱、貧瘠和重金屬脅迫等優(yōu)點(diǎn)，能夠形成優(yōu)勢(shì)群落，對(duì)尾礦庫植被的重建和土壤改良有很大意義，值得進(jìn)一步分析研究。 (2)隨著重金屬濃度的增加，五節(jié)芒根皮層細(xì)胞中質(zhì)壁分離和原生質(zhì)膜破壞加重，細(xì)胞器從較少直至完全溶

5、解，細(xì)胞核變得更小，核仁分散，核膜斷裂，染色質(zhì)凝集，直至核膜完全溶解，核質(zhì)和游離的核仁分散在細(xì)胞質(zhì)中。根維管束細(xì)胞中，原生質(zhì)膜和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)破壞加重。這些超微結(jié)構(gòu)的改變給植物細(xì)胞造成了不可逆的損傷。五節(jié)芒根皮層細(xì)胞中，重金屬重度污染時(shí)，核膜上出現(xiàn)黑色沉積，細(xì)胞質(zhì)、原生質(zhì)膜及導(dǎo)管側(cè)壁上均有有黑色沉積。這一方面說明，重金屬離子在植物細(xì)胞質(zhì)、核膜和原生質(zhì)膜中的大量積累加重了膜系統(tǒng)和細(xì)胞質(zhì)中細(xì)胞器的損傷，另一方面也說明，重金屬離子在植物細(xì)胞內(nèi)區(qū)隔

6、化可能是五節(jié)芒耐重金屬的重要機(jī)制之一。 (3)五節(jié)芒兩個(gè)種群葉片中可溶性蛋白含量隨Cd脅迫濃度增加都呈先下降再升高的趨勢(shì)，并且都低于對(duì)照。非礦區(qū)種群五節(jié)芒葉片中可溶性糖含量隨Cd脅迫濃度增加先下降再上升，始終低于對(duì)照，礦區(qū)種群則是先上升再下降，始終高于對(duì)照。Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致五節(jié)芒葉片MDA的積累，非礦區(qū)種群MDA積累的幅度要大于礦區(qū)種群。五節(jié)芒葉片中SOD的活性都被Cd脅迫抑制，POD活性都受到Cd脅迫的誘導(dǎo)比對(duì)照有所增加，但礦

7、區(qū)種群增加的幅度要大于非礦區(qū)種群，礦區(qū)種群植株兩種酶的活性在最高Cd處理濃度時(shí)都顯著高于非礦區(qū)種群植株。隨Cd處理濃度增大，非礦區(qū)種群五節(jié)芒葉片中PPO的活性呈先增加再下降的趨勢(shì)，礦區(qū)種群則表現(xiàn)出不規(guī)則的變化，在最高濃度處理時(shí)活性要大于非礦區(qū)種群。 (4) Cd脅迫下五節(jié)芒兩種群葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、葉綠素含量(Chl)都有不同幅度的下降；葉綠體超微結(jié)構(gòu)遭到破壞。相

8、對(duì)于抗性弱的非礦區(qū)種群，抗性強(qiáng)的礦區(qū)種群隨Cd脅迫程度的加深，凈光合速率下降較慢，葉綠體的外形及基粒結(jié)構(gòu)受到的影響較小。Cd脅迫下五節(jié)芒兩種群PsⅡ反應(yīng)中心最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)、PsⅡ有效光化學(xué)效率Fv'/Fm'均降低?？傮w上抗性強(qiáng)的礦區(qū)種群降幅較小，PSⅡ利用光能的能力及PSⅡ的潛在活性均較強(qiáng)。PsⅡ光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)的變化表現(xiàn)為Cd脅迫下兩種群qP值降低、NPQ值

9、升高，總體上抗性強(qiáng)的礦區(qū)種群qP降低的幅度低且NPQ升高幅度大。隨著Cd脅迫濃度增加，礦區(qū)種群實(shí)際光化學(xué)反應(yīng)效率(ФPSⅡ)和電子傳遞速率(ETR)變化幅度不大，而非礦區(qū)種群顯著下降，表明礦區(qū)種群PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞活性受到的影響小，光合機(jī)構(gòu)的損傷程度低。 (5)來源不同的兩個(gè)五節(jié)芒種群植株對(duì)土壤中不同濃度的Cd的生長(zhǎng)反應(yīng)不同，低濃度Cd處理，非礦區(qū)種群的地上部生物量即受到顯著影響，而礦區(qū)種群受到的影響不顯著。Cd處理濃度提

10、高時(shí)，礦區(qū)種群地上部生物量受到的影響較小，而非礦區(qū)種群顯著降低。非礦區(qū)種群根部生物量隨處理濃度的增加而降低，而礦區(qū)種群先升高后降低。隨著Cd脅迫程度的加重，五節(jié)芒兩種群轉(zhuǎn)移系數(shù)和耐性指數(shù)都有不同程度的下降，礦區(qū)種群的轉(zhuǎn)移系數(shù)和耐性指數(shù)明顯高于非礦區(qū)種群。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，五節(jié)芒根部生物量與地上部生物量正相關(guān)性極顯著，地上部生物量與根部和地上部Cd含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，地上部Cd含量與根部Cd含量及TF均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，耐性指數(shù)TI

11、與根部和地上部Cd含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映了根部和地上部Cd的累積對(duì)植物產(chǎn)生了毒性，并對(duì)五節(jié)芒的生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用。 (6)五節(jié)芒兩種群各部位的Cd主要富集在細(xì)胞壁和以液泡為主的可溶組分，葉綠體、細(xì)胞核和線粒體中的分布較少；兩種群根、莖、葉的亞細(xì)胞各組分Cd含量的比例均表現(xiàn)為細(xì)胞壁組分(F1)>可溶組分(F4)>細(xì)胞核和葉綠體組分(F2)>線粒體組分(F3)的次序。Cd在五節(jié)芒礦區(qū)種群根、莖、葉中的含量均顯著高于非礦區(qū)種

12、群。提高Cd處理濃度，對(duì)于非礦區(qū)種群，Cd在細(xì)胞壁(F1)和可溶組分(F4)的分配比例下降，在細(xì)胞核和葉綠體組分(F2)與線粒體組分(F3)的分配比例上升；而對(duì)于礦區(qū)種群，Cd在細(xì)胞壁(F1)的分配比例上升，在可溶組分(F4)、細(xì)胞核和葉綠體組分(F2)與線粒體組分(F3)的分配比例下降，細(xì)胞壁對(duì)Cd的固持作用增強(qiáng)。五節(jié)芒兩種群根中Cd的化學(xué)形態(tài)存在著明顯差異：低Cd(5mg·L-1)處理下，礦區(qū)種群根中的Cd以水提取態(tài)、氯化鈉提取態(tài)和

13、醋酸提取態(tài)為主，其它形態(tài)所占比例較少；而非礦區(qū)種群根中的Cd以氯化鈉提取態(tài)、水提取態(tài)和醋酸提取態(tài)所占比例較大。提高Cd處理濃度，礦區(qū)種群根中的氯化鈉提取態(tài)為優(yōu)勢(shì)形態(tài)，所占比例提高到41.29％，水提取態(tài)所占比例也提高到38.25％，其他提取態(tài)所占比例均有不同幅度下降；而非礦區(qū)種群根中氯化鈉提取態(tài)Cd含量比例下降到21.45％，各化學(xué)形態(tài)的分配比例上表現(xiàn)為平均化趨勢(shì)。因此，細(xì)胞壁固持、可溶組分的液泡區(qū)隔化和向活性較弱的結(jié)合形態(tài)轉(zhuǎn)移可能是五