美洲商陆(Phytolacca americana)对轻重稀土元素选择性吸收转运机制

Phytolacca americana, a REEs hyperacumulator, has great potential in the remediation of REEs contaminated soil and the recovery of REE resources. It was reported that P. americana showed a selective uptake and translocation to REEs. The root tends to select light REEs (LREEs) during the uptake process, but the shoot prefers to select heavy REEs (HREEs) during the translocation and storage processes. However, the related mechanism is still unclear. In this project, P. americana was choosed as the tested material and the following items are studied: 1) the effects of ion channels and transporters on the uptake of LREEs and HREEs by root; 2) the chelating mechanism of low molecular organic ligands to LREEs and HREEs during xylem translocation and vacuole storage processes; 3) the response of key genes and proteins in the processes of uptake, translocation and storage of LREEs and HREEs in plant. Based on the REE fractionation during the solution-plant system, this project elucidate the mechanism of selective uptake and translocation of LREEs and HREEs by P. americana at the physiological, biochemical and molecular levels, and improve the theory of REEs hyperaccumulation in plant and fractionation during the solution-plant system, which provide a theoretical basis for the remediation of soil contaminated by REEs.

稀土超富集植物美洲商陆（Phytolacca americana）在稀土污染土壤修复和稀土资源化回收领域具有重大潜力。研究显示美洲商陆对稀土元素的吸收具有选择性，其根部吸收过程倾向于选择轻稀土元素（LREEs），地上部转运存储过程倾向于选择重稀土元素（HREEs），然而其相关机制仍不清楚。本项目以美洲商陆为研究材料，系统的研究了1）离子通道及蛋白载体等途径对根部吸收轻稀土元素和重稀土元素的作用和影响；2）小分子有机配体对木质部转运和叶部存储轻重稀土元素的作用；3）植物选择性吸收转运轻稀土元素和重稀土元素过程中关键基因和蛋白的响应。结合稀土元素在溶液-植物体系中的分异规律，本项目从生理生化和分子水平系统阐释了美洲商陆对轻稀土元素和重稀土元素的选择性吸收转运机制，完善了稀土元素在植物体内富集和分异机理，为稀土污染土壤修复提供了理论依据。

稀土超富集植物美洲商陆（Phytolacca americana）在稀土污染土壤修复和稀土资源化回收领域具有重大潜力。研究显示P. americana对稀土元素的吸收具有选择性，其根部吸收过程倾向于选择轻稀土元素（LREEs），地上部转运存储过程倾向于选择重稀土元素（HREEs），本项目系统性的研究了美洲商陆对轻重稀土元素的选择性吸收转运机制。研究表明：外源Ca2+和Al3+的添加都能降低P. americana根部对稀土元素的吸收，Ca2+的添加能够使∑LREE/∑HREE从0.84降低到0.62，然而Al3+/Si4+的添加却使∑LREE/∑HREE从0.83增加到0.92。根部植硅体具有较高的REEs含量。结果表明LREEs倾向于通过Ca2+通道进入植物根部，而HREEs更倾向于使用Al3+/Si4+的吸收转运通路。共质体途径和质外体途径在根部吸收REEs的过程中也起到了重要作用。在根部到地上部的转运过程中，木质部汁液呈现出显著的HREEs富集现象，柠檬酸是REEs地上部转运过程中的主要载体。REEs还可以通过韧皮部进行双向转运，HREEs比LREEs具有更高的转运能力，能够在叶部和根部富集。REEs的韧皮部转运过程中草酸起到了重要的作用。REEs处理条件下，植物根部共鉴定出48种蛋白，其中70%以上为转运蛋白。与LREEs处理相比，在HREEs处理下，一种ABC家族蛋白、一种TDT转运蛋白、一种TerC家族蛋白差异性上调。REEs处理后，植物根部共鉴定出4856个差异表达基因。DEG的KEGG途径富集分析表明，参与跨膜转运，离子运输、重金属积累、硫代谢和谷胱甘肽代谢相关的基因显著上调。结果表明，离子通道，转运蛋白的跨膜运输、螯合作用、空泡区隔化以及硫醇化合物含量的增加可能是REEs在P.americana中吸收转运的重要机制。本项目从生理生化和分子水平系统阐释了美洲商陆对轻稀土元素和重稀土元素的选择性吸收转运机制，完善了稀土元素在植物体内富集和分异机理，为稀土污染土壤修复提供了理论依据。