水生植物铁皇冠对镉超富集和高耐受的调控机制研究

In this project, the Microsorium pteropus, a newly-found cadmium (Cd) hyper-accumulator by our group, will be studied using the Non-invasive Micro-test Technology (NMT), HPLC-MS, ICP-MS, uXRF and EXASF, as well as next generation high-throughput sequencing, quantitative PCR, two-dimensional SDS-PAGE electrophoresis and Western blotting etc. The load/combined proteins, functional genes and transcription factors for the hyper accumulation and high tolerance of Cd in the Microsorium pteropus will be determined. The changes of Cd distribution and speciation in the tissues and subcellulars of the Microsorium pteropus, and their interaction with environmental factors inside and outside the cells will be analyzed. The dynamic characteristics of intracellular ionic composition, the primary and secondary metabolites, non-enzymatic antioxidants, antioxidant enzymes and transformation products from oxygen free radicals will be explored associated with Cd absorption. The regulatory mechanisms at molecular, cellular as well as physiological and biochemical levels on the hyper accumulation and high tolerance of Cd in the Microsorium pteropus will be clarified. The findings from this study will be of high significance for the understanding on the molecular, cellular, physiological and biochemical mechanisms of the hyper accumulation and high tolerance of heavy metals in the ferns macrophytes. At the same time, they will provide the important theoretical basis on the development of phytoremediation technology for the remediation of cadmium contaminated waters and wetlands.

以本研究组发现的新型镉超富集水生植物（铁皇冠）为研究对象，利用非损伤微测技术（NMT）、HPLC-MS、ICP-MS、uXRF和EXASF、以及第二代高通量测序、定量PCR、双向SDS-PAGE电泳和蛋白印迹分析等技术手段，确定参与铁皇冠对镉吸收与迁移以及对镉耐受与解毒的运载（结合）蛋白、功能基因和转录因子，分析镉在铁皇冠组织与亚细胞中的分布与形态变化及其与细胞内外环境因子的相互作用规律，探讨铁皇冠镉吸收过程中，细胞内离子组成、初生和次生代谢产物、非酶抗氧化物质、抗氧化酶、以及氧自由基转化产物的动态变化特征，从分子、细胞和生理生化水平阐明铁皇冠对镉超富集和高耐受的调控机制。其成果对于认识水生蕨类植物超富集和高耐受重金属的分子、细胞和生理生化机制具有重要意义；同时，可为开发镉污染水体与湿地的植物修复技术提供重要理论依据。

重金属镉（Cd）对生态系统和人体健康具有很强的毒害作用。如何去除水体Cd 等重金属污染物是一个国际性难题；寻找水生Cd超富集植物以及研究其超富集与抗性机制一直是国内外环境科学领域的热点。本研究以新型Cd 超富集水生蕨类植物有翅星蕨为研究对象，通过实验室水培和Cd 暴露实验，利用ICP-OES、叶绿素荧光参数测定、非损伤微测技术（NMT）以及第二代高通量测序、实时荧光定量PCR 和双向电泳等技术手段，研究了Cd 在有翅星蕨组织与亚细胞中的分布，确定了有翅星蕨对Cd 富集以及对Cd 耐受与解毒功能的关键基因和功能蛋白，从生理、细胞和分子生化水平阐明有翅星蕨对Cd 超富集和高耐受的调控机制；并且比较了有翅星蕨与同属植物江南星蕨的Cd 耐受和富集能力及其机制的异同。本研究对Cd 超富集植物物种分布以及富集与耐受机理的深入了解，开发Cd 污染水体的植物修复技术具有重要理论与实际意义。主要成果如下：1）验证了有翅星蕨对Cd的富集能力和极强的Cd 耐受能力、以及极佳的抗氧化能力和良好的光合自保护能力；2）有翅星蕨茎段的Cd 运输效率不显著，根、叶存在单独吸收Cd 的机制，根部具备更强的Cd 抗性，以主动外排的方式减轻Cd 的富集；3）细胞水平上，有翅星蕨主要通过区室化作用来减轻Cd 的毒性，并且具有比传统陆生Cd超富集植物更强的区室化效应；4）基因水平上，有翅星蕨Cd 抗性机制主要与氢离子跨膜转运活性、金属肽酶活性、抗氧化剂活性、三羧酸循环、呼吸电子传递链、囊泡介导转运、胞内信号传导、液泡、内质网、细胞外间隙等基因相关；并且有翅星蕨根叶存在不同的Cd 抗性机制，其中根部的应急响应机制更为显著，抗氧化剂在根部起到更重要的作用；5）蛋白水平上，有翅星蕨根部及叶片的Cd 抗性机制存在显著差异，根部主要通过调节自身能量代谢和抗氧化剂来抵抗Cd的毒害作用，叶片则主要通过强化能量代谢水平和极佳的光合自保护机制来保证自身正常的生长发育；6）发现江南星蕨是一种Cd 高耐受植物，较有翅星蕨更强的Cd耐受能力；囊泡介导转运、液泡区室化及植物激素调控是江南星蕨主要的Cd抗性机制。