高羊茅叶片外泌重金属镉的途径及其调控机制研究

Our previous researches confirmed that tall fescue leaves can excrete Cd out and the high Cd excretion lines were obtained, which could lead a new technique of phytoremediation for Cd contaminated soils. In this study, the Cd excretion pathway will be observed and analyzed by micro-dissection, Cd fluorescence by CLSM (confocal laser scanning microscope), SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometric microanalysis), excreted Cd form will be compared with xylem sap and cell extraction and analyzed by LC-ICP-MS (liquid chromatography- ICP-plasma emission spectrochemistry- mass spectrum). The physiological mechanism of Cd excretion will be analyzed with its relationship to root absorption and translocation into stele, xylem uploading and long-distance transport from roots to shoots, xylem transpiration flow and the expressions of leaf aquaporins and Cd-transport-related genes. The regulatory effects of oragnic acids, chelating agents will be studies to promote the efficiency of Cd leaf excretion and the synergism or antagonism between Cd and other metal cations in leaf excretion will be also explored. These studies will support to develop a novel Cd phytoremediation technique based on leaf excretion of Cd in tall fescue.

前期研究已证实高羊茅叶片能够向外分泌重金属镉，并已获得泌镉量较高的高羊茅株系，有望在此基础上建立一种新的镉污染土壤的植物修复技术。本课题通过对高羊茅叶片外泌部位的显微解剖和结构观察、镉的特异荧光染色和激光共聚焦显微镜观察、扫描电镜和X射线联用技术等方法来分析叶片向外泌镉的具体途径；利用液相色谱-等离子发射光谱-质谱联用技术来分析高羊茅叶片外泌镉的化学成分，并与木质部质流和细胞内的镉形态进行比较，从外泌镉的来源上进一步验证其外泌途径；通过叶片镉外泌与根系吸收及其向中柱的转运、木质部装载与长途运输、木质部质流与叶片中的缷载、叶片水孔蛋白的表达等方面来阐明高羊茅叶片外泌镉的生理机制；在此基础上进一步探讨有机酸、螯合剂等对高羊茅叶片镉外泌能力的调控效应以及镉外泌与其他金属阳离子的协同或拮抗作用，为建立基于叶片镉外泌特性的污染土壤植物修复新技术打下扎实的理论基础。

针对前期发现的高羊茅叶片能够外泌重金属镉的现象，筛选了叶片外泌Cd能力较强的高羊茅品种（美洲虎4G）。通过激光共聚焦显微镜、扫描电镜和X射线能谱分析，证实了叶尖的水孔是高羊茅叶片外泌Cd的途径，高羊茅叶片能够将叶片维管束木质部质流中的Cd通过质外体的途径从水孔通道外泌出去。通过研究高羊茅叶片外泌Cd能力与Cd胁迫强度、胁迫时间和叶片发育进程之间的关系，发现高羊茅Cd外泌的最适胁迫强度为75μM，高羊茅叶片外泌Cd浓度和外泌系数均随Cd胁迫天数的增加而提高，叶片的发育进程能够有效提升高羊茅叶片外泌Cd的能力。通过研究植物生长调节剂的调控效应发现，水杨酸、乙烯利和赤霉素能够通过促进高羊茅对Cd的吸收和转运来提高叶片外泌Cd的能力。通过分析Zn与Cd的互作效应发现，Zn与Cd可能在根系吸收中共享的离子转运蛋白，存在一定的竞争关系，但Zn能够促进Cd从根系向叶片转运及其叶片的外泌。通过Cd胁迫下的比较转录组学分析，发现细胞壁代谢、抗氧化系统相关酶、植物激素信号转导、重金属转运蛋白、蒸腾作用相关蛋白等均参与了高羊茅对Cd的吸收、转运和叶片外泌。上述研究基本阐明了高羊茅叶片外泌重金属镉的生理机制，在此基础上我们建立了基于叶片Cd外泌特性的污染土壤植物修复新技术。