Cd/Mn在超富集植物青葙中的交互作用及其共富集机制

Combined contaminations of Cd and Mn are often found in soils. Celosia argentea Linn. can simultaneously hyperaccumulate Cd and Mn, and has great potential for phytoremediaiton of Cd/Mn co-contaminated soils. Elucidation of interaction and co-hyperaccumulation mechanism of Cd and Mn in plants is of great importance to improve the phytoextraction efficiency of C. argentea. In this project, pot experiments with soil solution monitoring and hydroponic experiments will be conducted to investigate interaction between Cd and Mn in C. argentea. Alleviating effect of Mn on Cd toxicity in C. argentea will be explained by resistance physiological responses and antagonism. The differentially-expressed proteins in C. argentea response to Cd and Mn will be identified using de novo sequencing. High performance liquid chromatography combined with extended X-ray absorption fine structure will be applied to determine the species of Cd and Mn in plants. The subcellular distribution of Cd and Mn will be studied by differential centrifugation, transmission electron microscope and energy dispersive analysis of X-ray. This study will help to understand mechanisms of Cd/Mn co-hyperaccumulation in C. argentea, including overexpression of transporters, detoxification by ligands and simultaneous compartmentalization. The results will provide theoretical contributions to the phytoremediation of Cd/Mn contaminated soils and the understanding of mechanisms of co-hyperaccmulation.

土壤中Cd/Mn往往形成复合污染。青葙能够同时超富集Cd/Mn，是修复土壤Cd/Mn复合污染的理想材料。阐明Cd/Mn在青葙中的交互作用和共富集机制是提升青葙修复性能的关键。本项目拟通过土壤溶液监测结合土培与水培实验相互印证的方法，研究Cd/Mn在青葙中的交互作用规律；从抗性生理和拮抗效应两个角度，解释锰缓解青葙镉毒性效应的作用；利用肽段从头测序技术，分析Cd/Mn胁迫下青葙差异蛋白表达；采取高效液相色谱结合扩展X-射线吸收精细结构的手段，查明Cd/Mn在青葙体内的赋存形态；运用差数离心和透射电镜-能谱分析技术，明确Cd/Mn在青葙中的亚细胞分布特征；从蛋白表达、配位解毒和区室化分布三个方面，揭示青葙同时超富集Cd/Mn的机制。研究结果将为Cd/Mn复合污染土壤的植物修复提供科学依据，为多金属超富集植物共富集机制的研究奠定基础。

土壤中Cd/Mn往往形成复合污染。青葙能够同时超富集Cd/Mn，是修复土壤Cd/Mn复合污染的理想材料。阐明Cd/Mn在青葙中的交互作用和共富集机制是提升青葙修复性能的关键。本项目通过土培与水培实验相互印证的方法，研究了Cd/Mn在青葙中的交互作用规律；从抗性生理和拮抗效应两个角度，阐释了锰缓解青葙镉毒性效应的机理；采取扩展X-射线吸收精细结构和微区X射线荧光光谱等手段，查明了Cd/Mn在青葙体内的赋存形态和微区分布特征；运用转录组结合代谢组分析，揭示了青葙富集和耐受Cd/Mn的分子机制。上述研究取得如下重要结果：（1）在水培条件下，锰在青葙根表面与镉竞争相同转运蛋白，因而显著地减少了镉在青葙中的积累，但在土培条件下，锰通过离子交换之作用增加了土壤溶液中的镉含量，因而显著地提高了青葙对镉的吸收和积累。（2）低浓度的锰有效地降低Cd胁迫产生的氧自由基，从而减少镉对青葙的脂质过氧化伤害。而高浓度的锰通过拮抗作用减少青葙对镉的吸收，从而缓解镉毒性。（3）青葙叶片和根部的镉和锰主要以二价形式存在，并且主要与O配位。叶片中的镉和锰可能存在四种有机酸的络合物，柠檬酸盐和苹果酸盐是镉和锰最主要配位解毒形态。（4）锰在青葙叶片中主要富集在边缘的叶肉组织，在根中主要分布在外皮层和维管束中。Cd主要分布在青葙根和茎的维管束中，而叶片中离子态的Cd主要聚集在叶主脉。（5）在镉和锰胁迫下，叶片中的3个基因（HMA3、ABCC15和ATPase4）都显著上调，说明它们可能是青葙共富集Cd/Mn的关键功能基因。代谢组分析表明，ABC转运蛋白途径和GSH代谢途径都显著上调，说明ABC转运蛋白和GSH可能在青葙对锰和镉的解毒过程中起到重要作用。这些发现为阐明植物超富集Cd/Mn的生物学机制奠定了基础，为镉-锰复合污染土壤的植物修复技术提供了重要的科学依据。