超富集植物小花南芥Cd、Pb迁移和分布的质膜系统CAX和HMA酶学及分子机理

Based on phytoremediation of soil contaminated by heavy metals, native hyperaccumulator (Arabis alpinal Var. parviflora Franch) would be chosen as research materials. The simulation pot trials and hydroponic experiments would be conducted with theory and methods of environmental ecology and molecular biology. The aims are: (1) to understand biomass, contents of Cd and Pb, subcellular distribution of Cd and Pb, activities of CAX (cation/H+ antiporter, CAX) and HMA (heavy metal ATPase, HMA) of membrane systems (plasma membrane and tonoplast), differential expression of transcriptome and genes of CAX and HMA, CAX activities and Cd, Pb contents with active inhibitors of HMA treatments with different soil Cd and Pb concentration treatments; (2) to analysis subcellular distribution, translocation and accumulation characteristics of Cd and Pb of A. alpinal to Cd and Pb stressed; and (3) to clarify the enzymatic and molecular mechanisms of Cd and Pb distribution, translocation of A. alpinal to Cd and Pb stressed based on differential genes expression of transcriptome, activities of CAX and HMA and its genes expression. That would be of important and be used for establishment theory of native hyperaccumulator for phytoremediation of soil contaminated by Cd and Pb.

土壤重金属污染的植物修复是目前关注的热点领域，以云南本土超富集植物小花南芥为研究对象，应用环境生态学和分子生物学理论和方法，采用盆栽试验和水培试验相结合的方法，在不同Cd、Pb胁迫条件下，研究小花南芥根部和叶片的生物量、Cd和Pb含量、Cd和Pb亚细胞分布含量、质膜系统（细胞质膜、液泡膜）CAX和HMA活性、CAX和HMA的转录组基因表达、HMA活性抑制剂对CAX活性及Cd、Pb含量的影响；研究CAX和HMA协同作用下，小花南芥Cd、Pb的亚细胞分布、迁移规律和累积特征，探讨小花南芥Cd、Pb迁移和分布的质膜系统CAX和HMA酶学和分子机理。构建在土壤Cd、Pb污染条件下，利用本土超富集植物修复土壤Cd、Pb污染的理论基础。

通过野外调查不同开采历史的铅锌矿区和室内模拟试验，探讨铅镉胁迫对小花南芥生长和生理特征及转运蛋白CAX和HMA活性的影响，并分析了小花南芥对铅胁迫响应的分子机制。结果表明：.小花南芥是Cd、Pb和Zn的超富集植物。野生小花南芥通过体内AsA-GSH循环保持较强的抗氧化物质的再生能力，缓解重金属对小花南芥的氧化伤害。长期的重金属胁迫使小花南芥产生适应和进化。随着铅镉处理浓度增加，根、叶和各亚细胞部位铅镉含量均逐渐增加，以细胞壁铅镉含量最高。叶细胞壁铅镉含量达到饱和，叶细胞器和液泡可溶组分铅镉含量均逐渐增加。小花南芥对铅镉胁迫的抗性生理主要表现在抗氧化酶活性增强和谷胱甘肽、抗坏血酸含量增加，PME活性增加调控果胶的去甲基化，根果胶含量降低，存在“抗氧化物质类型异质性-胁迫剂量”效应关系。铅处理下，小花南芥的差异基因主要集中在代谢过程、解毒、超分子纤维、结合固定、催化活性、电子载体活性、转录因子活性, 蛋白质结合、刺激响应和抗氧化物活性等。小花南芥与铅胁迫抗性相关的差异基因主要分布在硫代谢、类黄酮生物合成、植物激素信号传导、抗坏血酸代谢和谷胱甘肽代谢。.铅镉处理时，小花南芥叶HMA活性增加，小花南芥叶和根CAX活性增加。小花南芥通过CAX和HMA将铅镉向地上部转移，储存在液泡。抑制剂Na3VO4或DNP降低CAX和HMA酶活性以及根、叶总铅含量。小花南芥根中Cd2+的内流速率表现为内皮层>根表，Pb2+的内流速率表现为根表>内皮层，Cd2+向内皮层细胞内流的能力更强；Cd2+、Pb2+在经过木质部长距离运输后流速减弱，木质部装载效率不同导致内皮层内流速率和中柱流速的差异，小花南芥主动吸收和转运铅镉。铅胁迫下，叶和根AaCAX4、AaHMA2-1和AaHMA2-2基因表达显著上调，位于细胞膜的2个AaHMA2和液泡膜上的AaCAX4活性的增加，促进小花南芥对铅的吸收和转运的主动过程。.总之，小花南芥增加抗氧化物质（AsA、GSH和内源激素）含量和抗氧化酶（APX、GST、POD）活性，形成小花南芥对铅镉的耐性。通过AaHMA2-1、AaHMA2-2和AaCAX4基因表达显著上调，提高转运蛋白HMA2-1、HMA2-2和CAX4活性，将铅镉转运到液泡中储存，或装载到木质部，促进铅镉主动转运到地上部分，形成对铅镉的超富集。