超积累植物东南景天根际锌形态分布特征与转化机制

立足于国际环境生态化学发展前沿，从污染环境生物修复国际研究新热点入手，以我国原生的锌超积累植物东南景天生态型和非超积累生态型为研究材料，应用同步辐射X-射线荧光分析（SRXRF）、Micro-XAS、EXFAS，HPLC-MS-MS,PCR-DGGE, GFP标记、激光共聚焦显微技术（Confocal）、荧光探针技术, 微生物生态学等系列新技术，深入研究超积累植物东南景天不同根系类型及部位对锌的吸收特点与根际微区中锌原位分布及分子形态特征；超积累植物根系分泌物对根际土壤锌形态转化与迁移的影响及机制；超积累植物特异内生微生物对根际微区锌原位时空分布与形态转化的影响及其机理。研究成果为重金属锌污染土壤生物修复，作物锌的生物强化，以及为 提高土壤生态系统质量和保障人体健康提供科学依据。

利用高能物理、现代化学与分子生物学等系列技术，研究了超积累与非超积累植物锌吸收积累的根际化学与微生物学过程，基本完成了项目的原定目标，取得主要结果总结如下：1、内生菌及根际特异微生物对植物锌等金属吸收积累的影响及机理。从超积累植物东南景天原生地的植株和根际土壤中分离得到85个重金属超积累植物内生或根际细菌菌株，分离鉴定到20个属，28菌种在自由培养条件下表现出ACC脱氨酶活性；利用GFP标记方法研究了典型内生菌在超积累东南景天根部的定植模式。综合利用二代测序技术平台测定并构建了超积累生态型东南景天地上部的转录组序列信息，初步探明硫代谢是植物积累重金属的关键过程，利用内生菌处理研究表明，在Cd胁迫下，内生菌能够调节植物硫代谢途径，提高相关基因表达水平。有关内生菌促进重金属吸收积累机制值得进一步研究。2、锌超积累根系分泌物特点及对金属形态与生物有效性的影响机理。探清了超积累植物在锌处理下根系分泌物组成特点，酒石酸、乙酸、γ-氨基丁酸，以及戊二酸和柠檬酸分泌量随着锌处理浓度的增高而逐渐减少，草酸和苹果酸受锌浓度变化影响不明显。接种内生菌SaMR12，东南景天根系草酸的分泌量显著增加，提高了40.2-102.6%，在500 μM Zn处理时草酸的分泌量比对照提高4倍。用模式植物水稻研究发现根系锌的吸收的受高亲和与低亲和两个系统调控，且根际锌形态分布特点与锌高效吸收密切相关，但锌超积累植物是否存在相似机理正在进一步研究。3、重金属在植物根土界面中分布及形态特征研究。探明了模式植物水稻研究锌原位分布特点及迁移转化规律，结果表明，低强度的锌出现在根际附近，而高强度的锌出现在非根际土。同步福射原位分析研究表明，接种SaMR12后根系及根际土壤的锌强度增加，根际土壤锌的浓度比对照根际区的锌浓度高出多倍；根系中锌强度显著高于对照区的根系锌强度。利用根箱技术研究超积累植物根际重金属分布特点及分级形态，结果表明土壤Cd浓度在根表降低，差异梯度表现离根表5 cm >4 cm >3 cm >2 cm >1 cm，表明东南景天根系对土壤重金属具有明显耗竭作用。重金属形态在根际不同距离土壤变化较大，根土界面中可交换态，碳酸盐结合态含量较高。不同根系锌原位时空分布与赋存形态特征仍在深入分析之中。项目研究已形成SCI论文10篇，其中7篇已发表，3篇投稿待发表。本项目研究已培养博士生6名，硕士1名。