柳树对重金属镉的生理生态响应及相关抗性基因表达研究

With the expediting of urbanization, the pollution of urban soil heavy metal has become a serious environment problem. As one of the toxic heavy metals in urban soils, Cadmium (Cd) has the ability of inhibiting plant growth, and entering the food chain to endanger human health. Salix matsudana is an important tree for urban landscape, and with the characteristics of heavy metal tolerance in Salix. In this study, the changes of morphological index of Salix matsudana, level of reactive oxygen species, activities of antioxidant enzyme, non-enzymatic antioxidant content, and lipid peroxidation were determined in the short and long term high Cd2+ and exogenous Ca2+ to high Cd2+, by hydroponic and soil culture. In the transcriptional level, the real-time quantitative PCR would be used to measure Cd-stress-related gene expression in high Cd2+. Base on the results as above, we would reveal the characteristics of Cd2+ absorption and accumulation , and distribution in salix different organs, indicate the influences of exogenous Ca2+ to the growth of Salix matsudana in high Cd2+, ensure the optimal Ca2+ concentration clearly suppressing Cd2+ stress, clarify the responses of physiological and molecular mechanisms in Salix matsudana on high Cd2+stress, and provide the basis for breeding highly resistant species to adapt to future urban soil environmental changes.

随着城市化进程的加剧，城市土壤重金属污染已成为一个严峻的环境问题。镉（Cadmium，Cd）是城市土壤中常见的有毒重金属之一，抑制植物生长，且极易随植物进入食物链危害人类健康。旱柳是沈阳城市园林绿化重要树种，具有柳属植物耐重金属胁迫的特点。本项目选取旱柳为材料，采用水培、土培方法，在短期和长期两种方式高浓度Cd2+胁迫处理及外源施加钙离子于镉胁迫的旱柳条件下，测定旱柳形态指标、叶片活性氧水平、抗氧化酶活性、非酶抗氧化剂含量及膜质过氧化程度等逆境生理指标的变化；采用实时定量PCR技术，对旱柳叶片中抵抗重金属胁迫相关基因（如金属硫蛋白）表达情况进行检测，揭示旱柳对高浓度镉吸收、积累特点及镉在旱柳不同器官的分布特征、说明外源施加钙离子对旱柳重金属镉胁迫的影响，明确抑制旱柳镉胁迫的最适钙离子浓度、从生理与分子水平上阐明旱柳对于镉胁迫的响应机制，为选育适应未来城市土壤环境变化的高抗树种提供依据。

由于工业的迅猛发展以及化肥的大量使用，镉（Cd）已经成为一种广泛存在的土壤污染物，其不仅会抑制作物生长，还可以通过食物链进入人体，引起慢性中毒。旱柳是沈阳城市园林绿化重要树种，具有柳属植物耐重金属胁迫的特点。本项目选取旱柳为材料，采用水培、土培方法，在短期和长期两种方式高浓度镉胁迫处理及外源添加钙、一氧化氮、甲基乙二醛和硫化氢、硅与多胺于镉胁迫条件，测定了旱柳幼苗的形态指标、活性氧水平、抗氧化系统活性以及相关抗逆基因表达情况。结果如下：.1）镉处理组植株根、茎、叶中的镉含量显著高于对照组，并且根中的镉含量高于茎中的镉含量，表明镉胁迫下旱柳植株的镉含量：根＞叶＞茎。镉胁迫下显著抑制了旱柳株高、叶面积的增量，Cd引发的过量ROS累积导致抗氧化系统受到威胁，细胞受氧化损伤严重。细胞内SOD、CAT、APX、GR、MTs、PCS、ABCB的基因表达量均显著上调，以缓解胁迫压力。.2）外源施加SNP和Ca2+可以缓解了镉胁迫引发的旱柳株高和叶面积生长的抑制作用。而且在镉胁迫下外源施加SNP和Ca2+处理减少了ROS的产生，丙二醛（MDA）的含量，并且刺激了抗氧化酶系统活性，以通过防止过量ROS的产生，来维持细胞的氧化还原平衡、增强了植物在胁迫条件下的新陈代谢，缓解镉胁迫对植物造成的有害影响。外源施加SNP通过上调NOS（一氧化氮合酶基因）、NR（硝酸还原酶基因）的相对表达量来介导NO的生成，促进GSH的产生，从而来缓解镉胁迫。.3）镉处理下外源施加MG、NaHS提升了细胞内抗氧化系统酶活性，以清除细胞内过多的ROS，降低细胞内的膜质过氧化程度，减缓氧化胁迫。外源施加MG、NaHS不同程度的上调了抗氧化系统酶基因的表达量。.4）镉胁迫下，外源施加Si与Spd使旱柳幼苗生长状况有所恢复，体内抗氧化酶活性上升，抗氧化剂和螯合剂含量增加，降低了Cd的毒性作用，缓解了氧化胁迫。此外，外源Si与Spd还能够通过调控与抗氧化酶相关基因，以及参与螯合物形成和转运的基因来提高旱柳对Cd的耐受性。