超富集植物根系对锌镉的觅食性及生理调控机制

重金属根系觅食性是自然界的奇特现象，即超富集植物根系能主动探寻异质环境中的富重金属斑块并迅速增生(形态可塑性)，或调整根系重金属吸收动力学特征(生理可塑性)，从而促进植物对重金属的吸收和生物量的增加。目前超富集植物根系对锌镉的觅食性及其调控机理尚未有系统研究。本项目拟在前期研究基础上，以国内发现的锌镉超富集植物圆锥南芥(Arabis paniculata)、长柔毛委陵菜(Potentilla griffithii)和东南景天(Sedum alfredii)为材料，以重金属异质分布土壤为对象，研究超富集植物根系对富锌镉斑块的形态可塑性和生理可塑性及其相互关系，明确根系金属觅食性的关键影响因素，探讨超富集植物根系对锌镉觅食性的生理调控机制。项目研究成果有利于进一步深入认识植物根系超量吸收锌镉的机理，并为异质性重金属污染土壤的植物修复应用提供科学依据。

本项目以东南景天和长柔毛委陵菜为材料，探讨了超富集植物根系对锌镉觅食性的形态可塑性和生理调控机制；系统研究了低镉对超富集植物生长产生促进作用的生理机制；通过稳定同位素分馏技术，研究了超富集植物对锌在土壤－植物体系的迁移转化机制。主要研究结果如下：.（1）外源添加重金属盆栽实验证实东南景天存在根系Zn/Cd觅食特征。Zn/Cd空间异质分布下，东南景天90%以上的根系分配在富Zn或Cd斑块；地上部Zn/Cd富集量及生长明显优于、或类似于金属均质分布处理。根系金属觅食的内在机制源于东南景天对Zn/Cd存在内在高量需求：外源添加高量Zn或Cd能显著改善植物生长和促进生物量积累。.（2）实地污染土壤盆栽实验表明，异质处理植株的根系生物量、总根长、根系总表面积、根系平均直径、根系总体积等均有向Zn/Cd污染斑块更多分配的趋势，异质化程度同样影响东南景天的生长，地上部生物量在低污四分处理时比低污二分处理增加了31.24 %。同时，东南景天叶片生长素(IAA)含量在低污异质四分处理时为均质处理的3倍，表明植物激素可能参与并影响东南景天的根系觅食性特征。.（3）低镉对超富集植物的生长具有明显的促进作用。营养液5 µM Cd处理显著增加了东南景天生物量、叶片叶绿素含量及叶绿体形态参数。与对照相比，5 μM Cd处理下东南景天叶片显著上调表达了光合作用及能量代谢相关的蛋白Rubisco、光合系统水氧蛋白（OEC2）和细胞分裂蛋白ftsH。同时，5 µM Cd对植物IAA合成的刺激和氧化胁迫的缓解作用与5 µM Zn处理结果类似，意味着低Cd发挥了类似Zn的作用。.（4）测定了超富集植物Noccaea caerulescens及相应的土壤、岩石样品的Zn稳定同位素，发现N. caerulescens对Zn具有相似的同位素分馏模式，即根部易富集重同位素（Δ66Znroot-soil=0.40 to 0.72‰），而地上部易富集轻同位素（Δ66Znshoot-root = –0.10 to –0.50‰）。耐性植物Silene vulgaris的δ66Zn与N. caerulescens明显不同，其根际土壤-根、根-地上部之间没有产生显著的同位素分馏现象。研究表明稳定同位素分馏可用于深入理解植物对Zn的吸收机制。