超積累東南景天(Sedum alfredii Hance)對重金屬(Zn-Cd-Pb)的解毒機制.pdf

1、植物對重金屬的超積累作用是當今國際研究熱點和難點，深入研究超積累植物體內(nèi)重金屬穩(wěn)態(tài)作用機制，無論對發(fā)展植物營養(yǎng)新理論，還是對超積累植物在污染環(huán)境修復(fù)中的實際應(yīng)用均有重要意義。東南景天(Sedum alfredii Hance)是我國原生的鋅鎘超積累及鉛富集植物，其對這三種重金屬都具有很強的耐性和積累能力，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重金屬的解毒機理及其相關(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)。綜合運用同步輻射X射線熒光光譜(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、細胞水平以及亞細胞水平上的分配特點，明確各類組織/細胞對重金屬的區(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，利用X射線吸收光

3、譜(XAS)、微區(qū)X射線吸收光譜(μ-XAS)和高效液相色譜(HPLC)等技術(shù)，重點研究了重金屬在植物組織中的賦存形態(tài)及其時空變化特點，探討植物體內(nèi)各類有機化合物對重金屬的螯合作用及其對植物體耐受與積累重金屬的可能影響，以期進一步揭示超積累特異植物對重金屬的積累機理，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、采用水培實驗，研究比較了鎘對兩種生態(tài)型東南景天根伸長量、活性氧自由基(ROS)、脂質(zhì)過氧化、原生質(zhì)膜完整性及谷胱甘肽代謝的影響。試驗結(jié)果表明，鎘對非超積累生態(tài)型東南景天(NHE)的根尖伸長表現(xiàn)出明顯的抑制作用，而對超積累生態(tài)型(HE)無明顯影響，低鎘處理甚至在一定程度上促進了其根系的伸長。隨著鎘處理濃度的增加，NHE根尖的質(zhì)膜受損與脂質(zhì)過氧化程度也隨之加深，根部也可檢測到明顯的活性氧自由基積累，但在HE的根部則無上述現(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NHE無類似影響。由此可見，與NHE相比，HE能通過一系列的耐性機制抵制介質(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射線熒光(SR-XRF)分析技術(shù)結(jié)合熒光探針染色技術(shù)，對其莖葉中鋅的分布特征進行原位分析，發(fā)現(xiàn)鋅主要集中

6、在莖葉的表皮層，維管組織次之。隨著鋅處理時間延長，莖葉表皮中鋅含量迅速升高，且增幅較大，而葉肉細胞和維管束中的鋅含量則趨向于飽和。由此可見，表皮層可能是超積累東南景天重要的鋅貯存庫之一，進一步研究表明莖表皮的蠟質(zhì)層是鋅大量積累的場所。然而，葉片、皮層等薄壁細胞，尤其是液泡，對鋅的區(qū)隔作用亦不容小視，其一，薄壁細胞占植物體的總?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遠高于非超積累生態(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)，對莖葉中鎘的分布特征進行原位分析。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胞中，在維管組織與表皮分布很少。可見，鎘的主要區(qū)隔場所為以薄壁細胞組

8、成的皮層、髓和葉肉組織中，且大部分儲存于液泡內(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同，推測鈣鎘之間可能存在著相似的運輸與存儲機制。
　　 4.鉛(Pb)的分配特點與鋅鎘大為不同，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射線熒光光譜(XRF)對其莖葉中的分布特征進行原位分析，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)。對維管束部位的精細掃描發(fā)現(xiàn)鉛呈塊狀分散分布。木質(zhì)部的主要組成成分為細胞壁，由此可推，細胞壁可能是鉛在富集植物東南景天的重要區(qū)隔場所。
　　 5.利用同步輻射X射線吸收光譜(XAS)技術(shù)和高效液相色譜(HPLC)分別測定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。對樣品譜進行主成分分析發(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配體相結(jié)合，而檸檬酸參與了東南景天鋅的木質(zhì)部運輸過程，超積累生態(tài)型東南景天中鋅-檸檬酸的運輸可能是重要積累機理之一。
　　 6.采用高效液相色譜(HPLC)和同步輻射X射線吸收光譜(XAS)技術(shù)分別測定鎘脅迫下超積累生態(tài)型東南景天中有機酸組成和鎘的形態(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到大量的蘋果酸，其次為琥珀酸和檸檬酸，草酸的

12、含量相對較低，而且地上部蘋果酸含量隨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果酸，通過與鎘結(jié)合以達到解毒的目的，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程。
　　 7.利用同步輻射X射線吸收光譜(XAS)對富集型東南景天體內(nèi)鉛的賦存形態(tài)進行研究。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-細胞壁復(fù)合物。但在富集型東南景天的莖和葉中，有相當比例的鉛與巰基基團(GSH)相結(jié)合的。利用Micro-XANES法對組織切片進行研究的結(jié)果進一步證實，鉛在表皮和髓中以鉛-細胞壁及鉛-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