黄花月见草对重金属铜排斥机制研究

One of the remediation technologies of heavy metal contaminated soils is to improve the contaminated soil utilization, in the meantime increase the vegetation coverage, reduce the pollutant dispersion and obtain the high economic efficiency. This project takes economic plants Oenothera glazioviana which has a higher economic efficiency as the main research object and focuses on its copper exclusion mechanisms. The main studies are: 1) the effects of root exudates of Oenothera glazioviana on the chemical forms and activity of copper outside of roots, and the role in blocking copper absorption; 2) the characteristics of copper absorption in roots, and the effects of cell wall composition of root tissues and lignin deposition on copper interception; 3) the control mechanisms of the structural features of conducting tissue, metabolism and transpiration of plant on Cu transport to the shoot of Oenothera glazioviana. This project will not only clarify the key mechanism of copper exclusion in Oenothera glazioviana and provide a theoretical basis for the improvement of other economic plants in order to reduce the heavy metal content in the edible parts, but also provide a perfect material to remediate heavy metal-contaminated soils.

重金属污染土壤的修复技术之一是提高污染土壤的利用率,即在增加植被覆盖、减少污染物扩散的同时，并取得较高的经济效益。本项目以具有较高经济价值的黄花月见草为主要研究对象，研究该植物对重金属铜的排斥机制。由于项目是一年期的资助项目，因此重点研究：（1）黄花月见草根系分泌物对根外铜形态、活性的影响及在阻滞铜吸收方面的作用；（2）根系对铜的吸收特点以及根系细胞壁对铜的截留作用；（3）根系输导组织的结构特点、植物代谢和蒸腾作用（尤其是ABA等物质）在Cu向地上运输中的控制机制。为后期研究黄花月见草限制根系铜木质部装载的分子机制提供基础数据，同时为改良其他经济植物以减少可食用部位重金属积累、为重金属污染土壤的修复和利用提供理想的材料。

为探究经济植物黄花月见草对重金属铜排斥机制，以铜积累型植物海州香薷和铜敏感植物芝麻为对照，研究了Cu胁迫对植物生长、质膜完整性、渗透调节物质、铜吸收过程、根系有机酸分泌规律等的影响；同时研究了植物组织解剖结构特点、蒸腾作用、外源有机酸处理对植物铜的排斥机制。.结果表明：50uMCuSO4处理3天，三种植物根系生长均受到显著抑制，Cu胁迫导致芝麻叶片细胞膜透性显著增大，但对黄花月见草和海州香薷没有影响；海州香薷和芝麻叶片中脯氨酸含量上升，而黄花月见草叶片脯氨酸含量变化不大。三种植物体内Cu积累与Zn、Fe、Mn的积累呈显著正相关，与Ca、K积累呈负相关。不同浓度Cu处理下，三种植物根系中Cu含量均显著高于地上部，黄花月见草表现出极强的Cu排斥性。分析Cu动态积累曲线可以看出，三种植物体内的Cu含量均随处理时间的延长而增加，然而黄花月见草体内的Cu含量上升趋势最小。.筛选建立了HPLC检测黄花月见草根系分泌有机酸的方法。研究发现，黄花月见草根系分泌有机酸中酒石酸和琥珀酸相对含量较高； 50uMCuSO4处理，根系分泌的琥珀酸对于铜刺激有明显的响应，在处理3h时就极大增加了分泌量，随后6h、12h分泌量有所减少，24h时又开始大量分泌，进入新的分泌周期。Cu胁迫下，三种植物体内苹果酸含量均显著增加；研究发现，体外分泌有机酸种类以及分泌量与根系内部并不存在一致的规律，琥珀酸可能在铜排斥型植物黄花月见草应激和排斥铜过程中起到重要作用。.Cu处理3天，黄花月见草木质部导管中的Cu含量无显著变化，而海州香薷和芝麻木质部导管中却增加了0.6和0.5倍；黄花月见草导管数量较少；三种植物根系积累的Cu主要被吸附在根系细胞壁中，黄花月见草根系细胞壁对Cu的吸收存在明显的颗粒内扩散过程。.用PEG、HgCl2等探讨了蒸腾作用对植物向上转运Cu影响。黄花月见草的地上部Cu含量与蒸腾速率呈显著的正相关，而黄花月见草的蒸腾速率非常低，这可能是其排斥Cu的原因之一。从激素水平和形态结构方面研究发现：黄花月见草和海州香薷体内的ABA含量没有差异且Cu处理不会导致ABA含量的变化；黄花月见草气孔密度均显著小于海州香薷，且黄化月见草气孔保卫细胞外覆盖着一层较厚的角质层；黄花月见草叶片表面有大量的蜡质。以上这些结构特点是导致黄花月见草蒸腾速率低的原因，也是排斥重金属铜的重要机制。