典型超积累植物天蓝遏蓝菜地上部转运金属离子‘库’积累发生动力的机理机制研究

The translocation ability of heavy metals in the contaminated soil to the aboveground part of remediation plants is the key factor of the phytoremediation efficiency. It is far from the purify the remediation purpose because the most heavy metals are accumulated in the underground parts of the well known remediation plants and only a little translocated to the aboveground parts of the atypical heavy metal accumulation plants（S/R=0.5 or so）. Although Thlaspi caerulescens L. is small plant biomass and slow growth, which is recognized as one of the model plants in translocation of most heavy metals in the aboveground part (S/R>1). There have been many reports on the research of Th. caerulescens. However, the strong translocation capacity and excessive accumulation of critical translocating power (source) of heavy metals to the ground part of Th. caerulescens and its inherent motivation theory still have not get the scientific answer and explanation. This study take Th.caerulescens as the experimental material, choose Cd2+ as stress factor, and take aboveground part of plant 'Cd2+ hypperaccumulation storage' as researching target. Meanwhile, the theory of enzyme chemical power is introduced in the research methods to investigate and verify the internal power source and its dynamic mechanism of 'Cd2+ hypperaccumulating storage' in the aboveground part of the plant. The purppose of the research is preliminary found out the key materials of 'Cd2+ hypperaccumulating storage' and its genetic mechanism of power generation. The results will be the scientific basis for the future studies of genetic improvement and germplasm innovation in the high efficiency translocation of heavy metals in phytoremediation.

修复植物地上部对污染土壤中重金属离子的转运能力是决定修复效率关键要素之一。目前发现的非典型重金属积累植物普遍存在地上部对离子转运能力甚低（S/R=0.5左右），致大部分离子存储于根部远不能达到有效净化修复目的难题。以公认重金属超积累植物天蓝遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)为代表虽存在植株生物量小生长缓慢等不足，但地上部对离子的转运能力很强（S/R>1）。目前对天蓝遏蓝菜已有诸多研究报道，但关于地上部超强转运离子动力以及发生理论等并没有给予科学回答。本研究以天蓝遏蓝菜为材，选择重金属Cd2+离子胁迫，定位于地上部离子超积累组织细胞学‘库’位，引入生物酶化学动力发生理论研究方法，探究并验证植物体内外离子超强转运且‘库’积累发生可能的内在动力源及其动力发生机制，旨在探明金属离子发生‘库’积累的关键物质及其动力发生学机理，为今后进行修复植物高效遗传改良与创新种质研究提供科学依据。

非典型重金属积累植物普遍存在地上部对离子转运能力甚低，致大部分离子存储于根部远不能达到有效净化修复目的难题，因此，研究植物Cd转运及耐性相关蛋白对于提高Cd污染土壤的植物修复效率具有重要意义。本研究以重金属Cd富集植物马蔺为材料，分析了Cd胁迫下马蔺不同组织对Cd的吸收、积累及耐性差异；外源Cd离子对马蔺体内其它金属离子积累的影响，及外源有机酸对Cd的吸收和积累的影响；利用质谱分析的方法对Cd处理下马蔺不同组织蛋白质进行了定性分析。同时，采用非标记定量技术对Cd处理下马蔺不同组织蛋白差异表达进行了定量分析，并对显著差异表达蛋白进行了生物学功能和代谢路径注释；筛选出Cd特异性诱导转运及耐性相关蛋白，并对Cd特异性诱导转运及耐性相关蛋白基因进行分子克隆和分析。结果表明：马蔺具有较强的Cd耐性及Cd积累能力，细胞壁在马蔺抵抗高Cd胁迫过程中起重要作用。Cd能促进马蔺对Fe和Cu的吸收和转运，外源EDTA和CA能显著提高马蔺根系Cd积累量。利用质谱技术在马蔺叶片中鉴定到1588个蛋白，其中有163个表达量显著差异蛋白，这些蛋白主要参与赖氨酸生物合成，戊糖、葡萄糖醛酸转换和甘油酯代谢等途径；马蔺根系中鉴定到1729个蛋白，其中有196个表达量显著差异蛋白，这些蛋白主要参与谷胱甘肽代谢，柠檬烯和蒎烯降解和丙酸代谢等途径。筛选得到3个显著差异表达的马蔺响应镉胁迫蛋白：地上部特异Cd诱导蛋白ABCG转运蛋白，根系特异Cd诱导蛋白甘露糖凝集素，以及地上部和根系中均受Cd诱导蛋白12-氧-植物二烯酸还原酶，并克隆得到相关基因的全长序列，构建相关基因表达载体，转基因株系功能分析正在进行中。本研究结果对丰富和完善马蔺Cd转运及耐性分子机制的研究具有重要意义，也为修复植物高效遗传改良与创新种质研究提供科学依据。