三七对重金属镉的富集效应及其生理机制研究

Panax notoginseng (Burk.) F. H. Chen is traditional Chinese medicine. Its social demand increases significantly in recent year for the wide range applications and deific efficacy. But content of Cd in P. notoginseng is highly over stander for the accumulation characteristics with Cd. It affects the safety of P. notoginseng products and healthy development of industry. Reducing the content of Cd in P. notoginseng is urgent technical to be solved, and also important guarantee for P. notoginseng production. But research in this field is still in blank. Inorder to control the content of Cd and the quality of medicinal material, experiments is carried out on the basis of previous study. Two years and three years old P. notoginseng are cultured by soil,sand and water. Changes of agronomic trait, microstructure, nutrient uptake and distribution, antioxidant enzyme/non enzyme system，content of saponins and gene expression of relative metabolic enzymes will be studied under Cd treatments; the absorption pattern, absorption pathway, absorption kinetic features, channel protein gene, transportation dynamic, transportation morphology, content and speciation of Cd in organ, tissue and cell also will be studied under Cd treatments. This study will explicit the effects and corresponding mechanism of Cd on growth and quality. Mechanism of Cd absorption, transportation and distribution in P. notoginseng also will be discovered. Physiological significance of Cd accumulation will be illuminated and theoretical support for the abatement measures of Cd will be established.

三七是我国传统大宗中药材，因其用途广泛和药效明确，近年来社会需求迅速增长。由于三七对重金属镉具有富集作用，生产上镉超标问题严重，对产品安全和产业健康发展带来了不利影响。降低三七中镉的含量是三七生产中亟需解决的技术问题，也是三七安全生产的重要保障，但该研究在国内外尚属空白。为了有效控制三七中镉的含量，本项目拟在前期研究基础上，以2年生和3年生三七为材料，综合采用土培、沙培和水培的方式，研究镉处理下三七显微结构，抗氧化酶/非酶系统，重要单体皂苷含量及相关代谢酶基因表达变化；三七对镉的吸收方式、途径、动力学特征，镉吸收通道蛋白基因，木质部运输动力、形态，及在器官、组织、细胞内贮存量和赋存形态等特征，从而明确镉富集对三七生长发育和药材品质的影响及机制，揭示三七对镉的吸收、运输与分配机制。该项目的研究成果将阐明三七富集镉的生理机理，并为构建三七镉消减措施提供理论支撑。

1、镉胁迫对三七生长发育及药材品质影响。低浓度镉处理能促进三七茎高，茎粗，叶长，叶宽，叶面积等农艺性状的增加，而高浓度则产生抑制作用。镉胁迫导致叶片的栅栏组织和海面组织结构发生了明显的变化，栅栏组织和海绵组织细胞排列紧密，海绵组织厚度变薄，栅栏组织与海绵组织的比例随镉处理浓度上升而上升。对于茎和根而言，镉处理使三七维管束体积缩小，形成层、木质部和韧皮部厚度减小低浓度镉诱导三七各部位对N、P、K的累积，高浓度镉则抑制其累积。虽然镉对各单体皂苷增长量的影响有所不同，但从皂苷总量来看，镉可使三七中皂苷积累降低，镉胁迫下的三七中皂苷总量低于空白处理的三七。其通过降低萜类骨架生物合成途径中MVK、PMK和GGPS的表达及清除活性氧时对皂苷的消耗两种方式实现。.2、三七对镉的吸收转运特征研究。Cd处理组的三七叶面喷施石蜡后蒸腾速率下降了49.09%，而地上和地下部镉含量分别下降了48.71%和36.82%。经KNO3处理后，蒸腾速率为Cd处理组的1.47倍，地上和地下部分中Cd含量分别增加37.49%和25.70%。低温或代谢抑制剂处理的三七根中Cd含量显著低于Cd单独处理组（分别为40.31%或24.20%）。共30个差异表达的基因（DEGs）参与Cd转运。其中ZIPs和YSLs位于细胞膜，并上调。PnHMA3，MPTs和PnABCC2位于液泡膜中，表达亦上调，PnNramp1表达下调。蒸腾作用驱动了Cd从土壤到根细胞的吸收，并且促进了Cd从地下向地上部的转运。同时，三七对Cd的吸收需要代谢活动，并通过主动吸收途径发生。通过根细胞膜中的PnZIPs和PnYSLs上调吸收Cd。通过液泡膜中的PnABBCs，PnHMAs和PnMPTs的上调实现将Cd封闭在根细胞的液泡中，PnNramps的下调减少了Cd从地下到地上部的转运。.3、镉在三七体内分配特征研究。三七各器官对镉吸收表现为须根＞剪口＞主根＞叶片＞茎。三七中镉的迁移系数表现为随镉处理浓度的上升而上升。应尽量减少对须根的使用，加强剪口作为皂苷提取物原料，将主根作为饮片原料。镉胁迫下三七根部细胞质及细胞壁为储存Cd的主要器官。其中，镉主要赋存于三七根细细胞壁的果胶组分中。