不同生态型香根草对重金属的耐性及其区隔化研究

Phytoremediation is an effective, cheap and eco-friendly technology for heavy metal remediation. Vetiver grass (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) can be used not for soil and water conservation, but potential also for phytoremediation, owing to unique morphological, physiological and ecological characteristics such as its tolerance to many kinds of extreme environment and high accumulation of heavy metal. In order to evaluate the phytoremediation potential of Vetiver grass, and to better understand its heavy metal accumulation and tolerance，differences in heavy metal tolerance and compartmentation between kinds of ecotypes Vetiver grass are investigated. The characteristic of heavy metal tolerance and phytoremediation potential of a range of Vetiver grass ecotypes are determined using Weibull model，heavy metal concentration of root and leaf, and photosynthetic physioecological characteristics.furthermore,Subcellular distribution of heavy metal is investigated, furthermore, the heavy metal distribution in protoplast is observed by fluorescent dye. and differences of compartmentation are compared in heavy metal tolerance and sensitive Vetiver grass ecotypes by above 2 experiments.HMA3 and ABCC are important vacuolar transporters for vacuolar sequestration of heavy metal compartmentation in plant cell. To reveal molecular biological mechanisms of vacuolar sequestration, the HMA3 and ABCC genes of Vetiver grass are cloned, and gene expression level in response to heavy metal stress are analyzed by quantitative RT-PCR.

植物修复是一种高效、经济和生态友好的重金属修复技术。香根草作为世界知名的水土保持植物，因其综合抗性强、耐受并积累多种重金属等特点，在植物修复中的应用日益受到重视。为了科学评价香根草用于植物修复的潜能，揭示其重金属积累和耐受机制，本研究将探讨不同生态型香根草对重金属的耐性及其区隔化的特征。项目采用Weibull模型、结合重金属在根叶中的积累和光合速率、叶绿素荧光等光合生理生态指标，比较不同生态型香根草对重金属的耐性及积累特点，筛选用于植物修复的优质生态型。通过对重金属耐受型和敏感型香根草亚细胞组分中重金属含量的测定及原生质体中重金属分布的荧光观察，从细胞水平分析重金属在香根草细胞中的区隔化；并通过对参与重金属区隔化的2类重要基因HMA3、ABCC的克隆和响应分析，揭示重金属区隔化的分子生物学机制。

我们通过植物生理和分子生物学研究手段，比较了不同生态型香根草(Vetiveria zizanioides)对重金属耐受能力和积累特征差异，并研究了其对重金属区隔化的分子机制。主要研究内容和结果如下。.(1)不同生态型香根草对Cd的耐受和积累能力存在差异。 通过不同浓度Cd溶液处理5种生态型香根草30d，结果表明随着Cd浓度的增加，其生物量持续下降。比较发现Karnataka、Veriveria nermorlis下降的幅度更大。并且在高浓度下，两者叶片的SPAD和Fv/Fm值下降的幅度更高。在高浓度Cd处理下，其茎、叶片中的Cd含量显著高于Kandy、Huffman、Monto。结果表明Karnataka、Veriveria nermorlis对Cd的耐受能力低于其余3种生态型香根草，但地上部分积累Cd的能力则更强。. （2）HMA3、ABCC2、ZIP4、YSL6等基因参与了对Cd的转运和区隔化。200umol·L-1Cd溶液处理Veriveria nermorlis和Monto 2种生态型香根草3d后发现，在2种生态型香根草的根部，向细胞内转运Cd的ZIP4基因表达显著增加，而向细胞外转运Cd的YSL6略微有所下降；向液泡转运Cd的HMA3、ABCC2基因显著增加；而向液泡外转运Cd的NRAMP3、NRAMP4无显著差异。说明根部细胞更倾向于在细胞内积累Cd，并隔离在液泡中。但在叶片细胞中，ZIP4基因表达降低或无显著变化，但YSL6基因明显增加，说明叶片细胞更倾向于外排Cd。.（3）香根草对铅锌、锰渣尾矿的耐受和重金属积累特点。通过盆栽实验处理21d，我们发现Veriveria nermorlis和Kandy能够在铅锌尾矿上长期生长，其并在根部有效的积累了Zn、Pb，其中对Zn的富集要强于Pb。然而，香根草无法直接在100%和50%锰渣上存活，但可以在25%锰渣上存活。在100%锰渣种植后21d后，香根草根部积累的Mn可达30000mg·Kg-1，地上部分也超过10000mg·Kg-1，根部对Mn的富集系数大于1，对Mn具有突出的积累效果。.本项目为揭示香根草耐受和积累重金属的机制，以及基因改良提供了科学依据，为香根草应用于铅锌、锰渣尾矿及土壤重金属的治理提供了理论基础。