苋菜超积累镉特性及施肥对镉积累的影响

As a kind of new and effective biotechnology, phytoremediation has broad application for cleaning up cadmium in contaminated sites.The mechanisms of cadmium hyperaccumulator have become research focus in the field of plant nutrition. This project uses amaranth Tianxingmi (a typical Cd hyperaccumulator) and amaranth Zibeikuoyexian (a typical cultivar intolerant to Cd) which have our own intellectual property rights as test materials, focusing on: (1) Using 109Cd radiotracer techniques to investigate Cd absorption kinetics in amaranth roots and to probe the apoplast and symplast absorption characteristics of Cd in roots; (2) To probe the mechanism of xylem loading and transfering Cd by determining the variation of Cd concentration of xylem bleeding sap; (3) Using SXRF (synchrotron radiation X-ray fluorescence imaging) to investigate the Cd distribution and the Cd,Fe, Zn concentration in subcellular organelle in amaranth roots and to probe the relationship between the distribution and the absorption and transfer of Cd; (4) To Study the effects of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilization level on cadmium accumulation to clarify the measures of promotion of cadmium uptake.Research results will promote phytoremediation for cadmium contaminated soils , meanwhile, it will play an important role in the recycle of contaminated soils of farmland ecosystem and ensuring food security in our country.

作为一种新兴的绿色生物技术，植物修复在治理土壤镉污染领域具有广泛的应用前景，植物超积累镉的机理研究已成为植物营养学领域一个新的热点和生长点。本项目以具有自主知识产权的苋菜天星米（镉超积累型）和紫背阔叶苋（拒镉型）为试材，重点研究：（1）利用109Cd放射性同位素示踪技术研究苋菜根系Cd吸收动力学，阐明根系镉的质外体和共质体吸收特征；（2）研究木质部伤流液Cd浓度变化阐明木质部装载运输Cd的机制；（3）利用SXRF（同步辐射X射线荧光成像）技术研究苋菜根系亚细胞器中Cd的分布及Cd、Fe、Zn等元素含量，阐明Cd分布与吸收转运的关系；（4）研究氮肥、磷肥、钾肥施用水平影响镉累积规律阐明促进镉吸收的调控方法。研究结果将为利用超积累植物修复镉污染土壤提供理论依据和技术途径，对于我国农田生态系统中污染土壤的再利用以及保障粮食安全都具有非常重要的意义。

作为一种新兴的绿色生物技术，植物修复在治理土壤镉污染领域具有广泛的应用前景，而植物超积累镉的机理研究以及施肥对植物修复效率的影响研究较少。本项目以具有自主知识产权的镉超积累植物苋菜为试材开展研究，获得以下研究结果：（1）利用109Cd放射性同位素示踪技术研究Cd超积累苋菜根系Cd吸收动力学特征，阐明苋菜根系Cd的运输可分为Michaelis-Menten饱和动力学模型和线性增加两部分，线性吸收反映结合在根细胞壁Cd的质外体运输，而饱和吸收是跨根细胞原生质膜的跨膜运输。（2）采用NMT技术，进行植物活体动态测试，研究了两品种苋菜根系Cd离子流特征，进一步揭示苋菜吸收与转运Cd的生理机制。Tianxingmi具有更强的Cd吸收和向地上部转运与累积能力，并且根系对Cd的吸收与转运是主动需能的过程，共质体途径在Cd进入根系并向地上部运输的过程中起着主要作用。（3）采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析技术（SEM-EDS）和透射电子显微镜技术（TEM），在组织与细胞水平进行植物根和叶片Cd分布成像，研究了两品种苋菜Cd分布特征。Tianxingmi比Zibeixian拥有更强的Cd耐受和积累能力。两苋菜品种根系存在着不同的木质部装载调控系统，Tianxingmi根系Cd的分布规律和向地上部高效转运积累的关键在于共质体对Cd的迅速吸收和木质部的高效装载。根系Cd优先被细胞壁和细胞间隙滞留，相对较少的在表皮和皮层细胞的液泡中积累，是Tianxingmi Cd耐受性强的重要机理。叶片中Cd优先在表皮细胞的大液泡中储存，减少在叶肉细胞中积累，保证光合作用正常进行，也是其重要的解毒机理。（4）采用两种不同的酸性土壤进行温室盆栽试验，阐明施用适宜品种的氮肥、磷肥和硫肥能够促进苋菜对Cd的累积并降低环境污染的风险。研究结果揭示苋菜超积累镉的吸收特征及转运机制，探索植物超积累镉的影响因素及关键技术，为利用植物修复技术修复镉污染土壤提供理论依据和技术途径，并对我国农田生态系统中污染土壤的再利用以及保障粮食安全具有非常重要的意义。