超積累東南景天(Sedum alfredii Hance)對(duì)重金屬(Zn-Cd-Pb)的解毒機(jī)制.pdf

1、植物對(duì)重金屬的超積累作用是當(dāng)今國(guó)際研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，深入研究超積累植物體內(nèi)重金屬穩(wěn)態(tài)作用機(jī)制，無(wú)論對(duì)發(fā)展植物營(yíng)養(yǎng)新理論，還是對(duì)超積累植物在污染環(huán)境修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用均有重要意義。東南景天(Sedum alfredii Hance)是我國(guó)原生的鋅鎘超積累及鉛富集植物，其對(duì)這三種重金屬都具有很強(qiáng)的耐性和積累能力，是應(yīng)用于污染土壤綠色植物修復(fù)技術(shù)的一種良好潛在材料。
　　 本文在綜述超積累植物對(duì)重金屬的解毒機(jī)理及其相關(guān)研究方法的基礎(chǔ)上，以

2、超積累植物體內(nèi)重金屬的區(qū)隔和螯合作用為研究中心，深入探討了鋅、鎘和鉛在東南景天體內(nèi)的分布特征與賦存形態(tài)。綜合運(yùn)用同步輻射X射線(xiàn)熒光光譜(SR-XRF)、激光刻蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)等高通量金屬組學(xué)研究技術(shù)，結(jié)合高分辨率的熒光探針顯微技術(shù)，原位分析了鋅鎘鉛在東南景天體內(nèi)組織水平、細(xì)胞水平以及亞細(xì)胞水平上的分配特點(diǎn)，明確各類(lèi)組織/細(xì)胞對(duì)重金屬的區(qū)隔化在植物體耐受高濃度有毒重金屬中所起的重要作用；同時(shí)，利用X射線(xiàn)吸收光

3、譜(XAS)、微區(qū)X射線(xiàn)吸收光譜(μ-XAS)和高效液相色譜(HPLC)等技術(shù)，重點(diǎn)研究了重金屬在植物組織中的賦存形態(tài)及其時(shí)空變化特點(diǎn)，探討植物體內(nèi)各類(lèi)有機(jī)化合物對(duì)重金屬的螯合作用及其對(duì)植物體耐受與積累重金屬的可能影響，以期進(jìn)一步揭示超積累特異植物對(duì)重金屬的積累機(jī)理，為其在植物修復(fù)技術(shù)改良與優(yōu)化中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，也為其在鋅元素的生物強(qiáng)化中的潛在應(yīng)用提供一定的理論參考。
　　 本研究取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 1.

4、采用水培實(shí)驗(yàn)，研究比較了鎘對(duì)兩種生態(tài)型東南景天根伸長(zhǎng)量、活性氧自由基(ROS)、脂質(zhì)過(guò)氧化、原生質(zhì)膜完整性及谷胱甘肽代謝的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鎘對(duì)非超積累生態(tài)型東南景天(NHE)的根尖伸長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的抑制作用，而對(duì)超積累生態(tài)型(HE)無(wú)明顯影響，低鎘處理甚至在一定程度上促進(jìn)了其根系的伸長(zhǎng)。隨著鎘處理濃度的增加，NHE根尖的質(zhì)膜受損與脂質(zhì)過(guò)氧化程度也隨之加深，根部也可檢測(cè)到明顯的活性氧自由基積累，但在HE的根部則無(wú)上述現(xiàn)象。鎘處理誘導(dǎo)下，

5、HE根尖中谷胱甘肽(GSH)和非蛋白巰基化合物(NPT)含量顯著增加，氧化型谷胱甘肽(GSSH)含量卻明顯下降，但鎘對(duì)NHE無(wú)類(lèi)似影響。由此可見(jiàn)，與NHE相比，HE能通過(guò)一系列的耐性機(jī)制抵制介質(zhì)中的高鎘脅迫，從而維持其根系的正常生理功能。
　　 2.超積累植物東南景天中，鋅(Zn)在莖中含量最高，葉次之，根最低。利用同步輻射X射線(xiàn)熒光(SR-XRF)分析技術(shù)結(jié)合熒光探針染色技術(shù)，對(duì)其莖葉中鋅的分布特征進(jìn)行原位分析，發(fā)現(xiàn)鋅主要集中

6、在莖葉的表皮層，維管組織次之。隨著鋅處理時(shí)間延長(zhǎng)，莖葉表皮中鋅含量迅速升高，且增幅較大，而葉肉細(xì)胞和維管束中的鋅含量則趨向于飽和。由此可見(jiàn)，表皮層可能是超積累東南景天重要的鋅貯存庫(kù)之一，進(jìn)一步研究表明莖表皮的蠟質(zhì)層是鋅大量積累的場(chǎng)所。然而，葉片、皮層等薄壁細(xì)胞，尤其是液泡，對(duì)鋅的區(qū)隔作用亦不容小視，其一，薄壁細(xì)胞占植物體的總?cè)萘枯^大；其二，超積累生態(tài)型莖葉中這些組織的鋅含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非超積累生態(tài)型相應(yīng)部位。
　　 3.鎘(Cd)

7、在超積累植物東南景天的分布特點(diǎn)與鋅有所差異，其在葉中最高，莖次之，根最低。利用激光刻蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)分析技術(shù)，對(duì)莖葉中鎘的分布特征進(jìn)行原位分析。發(fā)現(xiàn)鎘在葉片的主脈中最高，葉片邊緣較低。通過(guò)微區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，鎘在葉脈和柵欄組織中較高，而下表皮中分布較少，運(yùn)用熒光探針顯微技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其大量貯存于液泡中。在植物莖中，鎘主要集中分布于髓和皮層等薄壁組織細(xì)胞中，在維管組織與表皮分布很少。可見(jiàn)，鎘的主要區(qū)隔場(chǎng)所為以薄壁細(xì)胞組

8、成的皮層、髓和葉肉組織中，且大部分儲(chǔ)存于液泡內(nèi)。此外，比較發(fā)現(xiàn)鎘與鋅的分布有較大區(qū)別，而與鈣的分布特征極為類(lèi)同，推測(cè)鈣鎘之間可能存在著相似的運(yùn)輸與存儲(chǔ)機(jī)制。
　　 4.鉛(Pb)的分配特點(diǎn)與鋅鎘大為不同，其大量滯留在根中，莖葉中含量較低，但在富集型東南景天中含量仍顯著高于非富集生態(tài)型。利用同步輻射X射線(xiàn)熒光光譜(XRF)對(duì)其莖葉中的分布特征進(jìn)行原位分析，發(fā)現(xiàn)在莖葉橫切面中，鉛主要積累在葉脈等維管組織中，其次則是表皮，而葉肉組織和

9、皮層組織中鉛含量很低。在植物莖部，90％以上的鉛集中累積于維管組織(尤其是木質(zhì)部)內(nèi)。對(duì)維管束部位的精細(xì)掃描發(fā)現(xiàn)鉛呈塊狀分散分布。木質(zhì)部的主要組成成分為細(xì)胞壁，由此可推，細(xì)胞壁可能是鉛在富集植物東南景天的重要區(qū)隔場(chǎng)所。
　　 5.利用同步輻射X射線(xiàn)吸收光譜(XAS)技術(shù)和高效液相色譜(HPLC)分別測(cè)定Zn脅迫下兩種生態(tài)型東南景天不同組織和木質(zhì)部汁液中有機(jī)酸組成與鋅的形態(tài)特征。研究結(jié)果顯示：兩種生態(tài)型東南景天不同組織中Zn配位都

10、是以Zn-O/N為主，但不同生態(tài)型之間以及同種生態(tài)型不同部位之間配位數(shù)和鍵長(zhǎng)都有所差異。超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中鋅的含量是非超積累生態(tài)型的6-9倍，而且在超積累生態(tài)型的木質(zhì)部汁液中檢測(cè)到大量的檸檬酸，且隨鋅處理增加而顯著增加，但非超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中檸檬酸含量變化不明顯。在超積累生態(tài)型東南景天的木質(zhì)部汁液中存在著Zn-O/N配位，未發(fā)現(xiàn)Zn-S配位。對(duì)樣品譜進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，鋅處理后，超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中Zn主要以Zn2+和鋅

11、-檸檬酸形態(tài)存在。上述結(jié)果表明，兩種生態(tài)型東南景天體內(nèi)鋅可能與含氧的羧基或者羥基類(lèi)配體相結(jié)合，而檸檬酸參與了東南景天鋅的木質(zhì)部運(yùn)輸過(guò)程，超積累生態(tài)型東南景天中鋅-檸檬酸的運(yùn)輸可能是重要積累機(jī)理之一。
　　 6.采用高效液相色譜(HPLC)和同步輻射X射線(xiàn)吸收光譜(XAS)技術(shù)分別測(cè)定鎘脅迫下超積累生態(tài)型東南景天中有機(jī)酸組成和鎘的形態(tài)變化特征。研究結(jié)果顯示：超積累生態(tài)型東南景天地上部檢測(cè)到大量的蘋(píng)果酸，其次為琥珀酸和檸檬酸，草酸的

12、含量相對(duì)較低，而且地上部蘋(píng)果酸含量隨Cd處理濃度的增加而升高。在超積累生態(tài)型東南景天根的第一殼層中存在著Cd-S和Cd-O/N兩種配位形式，第二殼層以Cd-C配位。而在葉片和莖則未發(fā)現(xiàn)Cd-S配位，第一配位層均以CdO/N和Cd/O為主，第二配位層則以Cd-C配位。上述結(jié)果結(jié)合鎘的微區(qū)分布結(jié)果表明，在葉片中Cd可能主要存在于液泡，而液泡含有大量的蘋(píng)果酸，通過(guò)與鎘結(jié)合以達(dá)到解毒的目的，而并非是含硫的巰基化合物在起作用；但在根部，則有部分含

13、巰基化合物參與鎘的解毒過(guò)程。
　　 7.利用同步輻射X射線(xiàn)吸收光譜(XAS)對(duì)富集型東南景天體內(nèi)鉛的賦存形態(tài)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，鉛在兩種生態(tài)型東南景天中主要的化學(xué)形態(tài)與先前的研究結(jié)果一致，是一種鉛-細(xì)胞壁復(fù)合物。但在富集型東南景天的莖和葉中，有相當(dāng)比例的鉛與巰基基團(tuán)(GSH)相結(jié)合的。利用Micro-XANES法對(duì)組織切片進(jìn)行研究的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，鉛在表皮和髓中以鉛-細(xì)胞壁及鉛-膠質(zhì)復(fù)合物的形式存在，而在維管束中有較高比例的Pb