超富集植物三叶鬼针草对镉的吸收转运机制研究

Cadmium (Cd) was one of main pollutants in farmland of Northeast China. Co-planting hyperaccumulator and low accumulation crop in low heay metal contaminated soil can improve soil quality and safely produce food, which is benefit to ecological environment and gain huge economical value. Thus, this method remediating polluted soil and safely producing crop in contaminated soil is scientific and practical. Bidens pilosa L.was a newly found Cd hyperaccumulator by applicant. The growth period of this plant is short. Its root system is deep and wide, and with a compact plant type. All these characteristics are better fit to be used in co-planting remediation technology. Thus, it is very important to further explore the mechanisms of B. pilosa extracting and transfering Cd from root to stem and leaf and relative store and detoxication,which is useful in plant physiology and phytoremediation practice. Applicant have gained some developments in plant rhizosphere mechanism and stem and leaf tolerance mechanism of Solanum nigrum L.and Rorippa globosa hyperaccumulating Cd. This project will further explore the extraction and translocation mechanism of B. pilosa hyperaccumulating Cd based on some results above-mentioned, including: a).effect of Cd on cellular membrane penetration(CMP)in root,stem and leaf of B. pilosa; b).uptake, root-to-shoot transfer and redistribution of Cd in B. pilosa; c).Cd complex detection in B. pilosa and relative detoxication mechanism. Some modern scientific technologies such as ICP-MS, HPLC,16sRNA,PCR and DGGE will be used in this project. All results will benefit to phytoremediation application in practice in the future.

镉是我国东北地区农田土壤主要污染物之一。在一定污染水平土壤上种植低积累作物的同时，采用复种或间作的方式种植超富集植物，既能改善土壤质量又能保证食物安全，由此产生的生态效益和社会效益也是无法估量的。三叶鬼针草是本课题组新发现的一种镉超富集植物，其生育期较短,根系深且分布广,株型紧凑,非常适合作为上述技术的修复植物。因此，研究超富集植物的超量运输富集机理以利于相关实践应用更具有重要意义。本项目在已开展超富集植物根际及耐性与富集机理基础上，进一步探索其对镉的吸收转运机制，主要内容有：1).镉对三叶鬼针草细胞膜透性的影响；2).三叶鬼针草对镉的吸收转运与再分配；3).镉在三叶鬼针草中的贮存形态及解毒机制。利用ICP-MS、HPLC、16sRNA、PCR、DGGE等现代分析技术, 深入揭示三叶鬼针草对镉跨膜吸收、转运、再分配、解毒贮藏的主要机理,为形成较成熟的污染土壤边修复边生产技术打下科学基础。

三叶鬼针草是一种修复潜力很大的镉超富集植物，对其超富集机理的揭示具有重要的科学与实践意义。根据研究计划书的研究计划及项目通讯评审的修改意见，已完成全部研究任务，获得预期研究成果。发表论文15篇，其中SCI收录12篇，CSCD收录3篇。英语著作章节2章。申报发明专利4件。授权发明专利2件。获辽宁省技术发明二等奖一项。揭示了三叶鬼针草超富集镉的由根部吸收并向茎叶转运以及再分配解毒的主要机理。主要结论如下：1）镉对三叶鬼针草细胞膜透性的影响。土壤盆栽试验和营养液试验中，三叶鬼针草均表现出超富集植物的四个基本特征，是镉的超富集植物。综合相对电导率、MDA含量、k+相对渗透率以及细胞膜完整性来看，当三叶鬼针草完全表现出镉超富集特征时，植物的细胞膜没有受到损坏但其通透性却很强，这可能是其超富集镉的一个重要原因。2）三叶鬼针草对镉的吸收转运与再分配。非损伤微测试验结果表明，施加镉和未施加镉的处理，均是根尖部位镉进入根内的流速高于由根尖到茎部之间的流速。根尖部位中，距根尖300 um时，数值稳定且流速最大。三叶鬼针草在镉处理后，镉由外部进入根部的流速增加，而且其进入的流速明显大于非超积累植物狼把草。这可能是三叶鬼针草对镉超富集的另一个重要机制。三叶鬼针草耐盐度较低，在低盐条件下对重金属镉的吸收不受影响，但随着盐度的增大，对镉的吸收富集呈下降的趋势。当pH较低时，镉的流速有加快的趋势。随着pH的升高三叶鬼针草对镉的富集含量呈下降的趋势。说明酸性条件有利于植物对镉的超富集。5种放射性同位素（109Cd, 65Zn，57Co， 63Ni 和134Cs）转运试验结果表明，超富集植物对109Cd的选择性吸收与运输可能是其超富集的重要机理之一。3）镉在三叶鬼针草中的贮存形态及解毒机制。傅氏转换红外线光谱分析仪（FTIR）测定结果表明，三叶鬼针草根在一定Cd2 + 浓度范围中，刺激了其根系中多糖、纤维素、半纤维素等碳水化合物的分泌，通过提高所含的自由羟基数量参与结合重金属离子，减少Cd2 +的毒害。植物体内非蛋白巯基（NPT）与植物络合素PCs密切相关，而PCs与植物体内重金属的螯合解毒也是密切相关的。非蛋白巯基可能参与了植物对镉的超富集。