美洲黑杨雌雄植株对铅镉复合污染的生理适应性研究

More and more attention is being paid to the methods of using fast-growing woody plants for cleaning soil polluted by heavy metals. The physiological adaptation to heavy metals is one of the most important aspects for choosing phytoremediation material. As important tree species for soil cleaning, Populus species are typical dioecies. Previous studies have showed that there are sex-specific sensitivity and sex-related physiological adaptation in Populus species when exposed to environmental stresses. However, little is known about the sexual physiological responses to heavy metal pollution, especially to combined pollution. In the present project, it is proposed that we use Populus deltoides males and females with the same parents as model materials to study morphological, physiological, biochemical, elemental, and microscopic responses to lead, cadmium and their combination, and to such treatments after inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi, i.e., Glomus mosseae, under a controlled pot culture. Our aims are to show the sex-specific responses and sex-related adaptive strategies when exposed to heavy metals, and to reveal adaptive mechanisms of dioecious woody plants in response to metal pollution. These results would also provide scientific basis and new method for eco-restoration and reconstruction of polluted soil.

利用速生木本植物修复日益加剧的重金属污染土壤正逐步受到关注，林木对重金属的生理适应性是选择修复材料的重要依据之一。杨树作为重金属污染土壤修复的重要树种，也是典型的雌雄异株植物，前期的研究表明性别间对环境胁迫的敏感性和适应性存在差异。但是，有关杨树雌雄植株对重金属污染特别是复合污染的生理适应性研究未见报道。因此，拟以遗传背景一致的美洲黑杨(Populus deltoides)雌雄植株为研究材料，通过盆栽控制实验，研究美洲黑杨雌雄植株形态生长、生理生化、重金属富集、微观结构等方面对土壤铅、镉污染及其复合污染的胁迫敏感性和生理适应性差异，以及预接种Glomus mosseae对受重金属胁迫的雌雄植株的生理效应，旨在阐明美洲黑杨不同性别植株对重金属胁迫的响应与适应策略，揭示木本雌雄异株植物对重金属污染的生理适应机制，为重金属污染土壤的生态恢复和重建提供理论依据和途径。

利用速生木本植物修复日益加剧的重金属污染土壤正逐步受到关注，林木对重金属污染的生理耐受性是选择修复材料的重要依据。本项目以遗传背景一致的雌雄美洲黑杨(Populus deltoides)为对象，采用盆栽实验，经过1个生长季处理，研究了Pb污染(200 mg/kg)、Cd污染(10 mg/kg)及其复合污染下雌雄美洲黑杨生长形态、重金属富集、生理生化、微观结构等方面的差异，以及接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)Glomus intraradices对雌雄株的效应。主要结果包括：(1)处理末期，雌雄株叶片表现出受毒害症状(尤其是雌株)，但所有的污染均没有明显影响雌雄株的生长形态和生物量，接种AMF没有显著影响雌雄株的生长及分配特征。(2)复合污染下雄株各器官中Pb和Cd均表现出协同积累作用，雌株仅叶片的Pb和Cd表现出协同积累作用，雄株具有更高的总Pb和Cd积累量；接种AMF均能提高雌雄株的Pb和Cd的富集系数和积累能力，与AMF共生的雌株具有更高的Pb和Cd累积量。(3)重金属污染促进了雌雄株对N和K的同化，抑制了P的吸收，尤其是雌株；接种AMF促进了雌雄株P和K的吸收，特别是雄株。(4)单一Pb或Cd污染时，雄株表现出更强的碳固定、光能利用、活性氧清除、渗透调节、胞内脱毒、维持氧化还原及激素平衡等方面的能力，复合污染时雌株并没有受到更严重的负面影响，但雄株出现受损特征。接种AMF有利于缓减受单一胁迫雌株的伤害，及受复合胁迫雄株的伤害。(5)叶片中脉、横切面解剖特征和超微结构观察表明，单一污染时雌株的受损更严重，复合污染没有进一步损伤雌株的组织结构，但损伤了雄株的解剖结构。接种AMF不同程度地恢复了受单一胁迫雌株和受复合胁迫雄株的解剖特征和微观结构。综上所述，单一Pb或Cd污染条件下，雌株比雄株更敏感，所受负面影响更大，接种AMF可以缓减雌株所受毒理效应；复合污染时雄株出现受毒害症状，接种AMF有利于缓减雄株所受的负面影响，复合污染未对雌株产生叠加的生理负面效应，接种AMF的生理效应不明显。综合来看，因雄株具有更强的污染耐受性，选择雄株有利于修复单一Pb或Cd污染的土壤；复合污染时，与AMF共生雄株的重金属积累量虽低于雌株，但生理上受到的负面影响较小，与AMF共生的雄株是修复复合污染土壤的较好选择。