超积累植物东南景天(Sedum alfredii Hance)对镉的吸收及转运机制研究

植物修复技术是一项具有广阔应用前景的治理重金属污染土壤的全新技术。而目前对植物超积累重金属机理认识的不足限制了该技术的应用和改良。东南景天(Sedum alfredii Hance)是我国新发现的一种原生态Zn/Cd超积累特异植物，其对Zn/Cd都具有很强的耐性和积累能力，是绿色植物修复技术的一种良好潜在材料。本研究以超积累植物东南景天为材料，采用溶液培养方法，运用同位素示踪技术、显微镜荧光染色技术、同步辐射EXAFS技术，高效液相色谱(HPLC)分析技术、ICP-MS等，系统研究了超积累生态型东南景天吸收与转运Cd的生理机制，取得的主要研究结果如下：
　　 1.采用水培试验，研究比较了Cd进入两种生态型东南景天体内是否为主动需能过程。试验结果表明：超积累生态型东南景天根系对Cd的吸收同溶液中 Cd活度相关，在低Cd处理条件下，其对Cd的吸收量要高出理论值(通过蒸腾速率换算得出)3-4倍。而蒸腾抑制剂对超积累生态型东南景天Cd的吸收和积累影响不显著。低温处理显著降低了超积累生态型植物对Cd的吸收和转运，而对非超积累生态型则无明显影响。在外界Cd初始供应浓度为10μM时，超积累生态型植物木质部汁液中Cd浓度为外界溶液中Cd浓度的3-4倍，而在非生态型中则刚好相反，木质部汁液中Cd浓度要远远低于外界Cd浓度。在吸收液中添加代谢抑制剂CCCP或者DNP能显著降低超积累生态型东南景天木质部汁液中Cd含量，而对非超积累生态型则无此影响。这些结果表明超积累生态型东南景天对Cd的吸收与转运是主动需能过程，在Cd进入植物根系，木质部装载，和向地上部转运过程当中共质体途径而非质流在起着主要作用。
　　 2.通过综合利用同位素示踪，代谢抑制剂和荧光染色技术，研究比较了超积累(HE)与非超积累(NHE)两种生态型东南景天对Cd的吸收和运输特征。实验结果显示，两种生态型东南景天根部对Cd吸收的Km值差异不大，但超积累生态型Vmax是非超积累生态型的2倍。低温处理或添加代谢抑制剂都能显著抑制了超积累生态型东南景天根部对Cd的吸收，而对非超积累生态型影响相对较小。高钙处理显著降低了两种生态型根部对Cd的吸收。超积累生态型从根部到地上部对Cd的运输能力要高出非超积累生态型十几倍，同时其地上部Cd积累量也远远高出后者。代谢抑制剂CCCP处理显著降低了超积累生态型东南景天根中的Cd含量，而非超积累生态型则根部Cd含量显著降低。在超积累生态型东南景天根中Cd主要分布于中柱内，而在非超积累生态型根中则无此现象，同时超积累生态型东南景天木质部汁液中Cd含量为非超积累生态型的3-5倍。这些结果说明了超积累东南景天具备很强的向地上部转运Cd的能力，部分原因可能在于其根部木质部对Cd的装载能力较强。
　　 3.利用高效液相色谱和同步辐射EXAFS技术分别测定Cd胁迫下两种生态型东南景天木质部汁液中有机酸组成和Cd的形态特征。研究结果显示：两种生态型东南景天木质部汁液中均只检测到大量的草酸，且在镉胁迫条件下均显著增加(P<0.01)，但非超积累生态型木质部汁液中草酸含量反而明显高于超积累生态型。在超积累东南景天生态型东南景天的木质部汁液中Cd存在Cd-S和Cd-O/N两种配位：而非超积累生态型木质部汁液中则以Cd-O/N为主，未发现Cd-S配位。对样品谱进行主成分分析发现，Cd处理24小时后，超积累生态型木质部汁液中Cd主要以Cd-GSH，Cd2+和Cd-草酸这三种形态存在，分别占11.18％，62.57％和28.21％，Cd处理时间延长后，Cd2+成分升高，而Cd-GSH和Cd-草酸则明显降低。而1r超积累生态型东南景天中Cd以游离态为主，少量与草酸和柠檬酸结合。上述结果表明，两种生态型东南景天木质部中Cd运输形式均以游离态为主，其中，草酸参与了东南景天Cd的木质部运输过程，并非其超积累特异特征，超积累生态型东南景天中Cd-GSH的运输可能是重要积累机理之一。
　　 4.通过放射性同位索示踪技术与水培试验，旨在探明东南景天植物体内阳离子(Ca、Zn)运输途径是否参与了其对Cd的吸收与转运过程。结果表明，钙明显抑制了两种生态型东南景天根系对109Cd的吸收，而其它阳离子则无此作用。高钙处理下，超积累生态型东南景天根系吸收109Cd的Vmax变化不明显，Km值显著升高，而非超积累生态型维持Km值不变，但Vmax仅为对照的1/4。长时间添加钙源可减轻Cd对两种生态型东南景天的毒害作用，同时，随着钙处理浓度的增加，非超积累生态型对Cd的吸收与转运均显著降低，但超积累生态型中Cd的转运率却明显升高，最高可达98％。两种生态型东南景天木质部汁液中的Zn和Ca含量随着外界Cd处理浓度的升高而有所下降，同时，超积累生态型东南景天木质部汁液中的Zn和Ca含量同Cd含量分别呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)正相关。在介质中添加适量Zn和Ca源可增加超积累生态型东南景天木质部汁液中的Cd含量。上述结果表明，非超积累生态型东南景天基本通过钙运输途径吸收与转运Cd，而超积累生态型则较为复杂，在高Ca诱导下，根系可通过其它途径(如Zn、Fe转运蛋白)吸收Cd，同时Zn和Ca可能竞争根系质体中Cd的结合位点，使游离态Cd增加，从而促使其向地上部的转运。
　　 5.采用放射性同位素示踪技术和水培试验，主要研究了酒石酸与柠檬酸对超积累生态型东南景天吸收、转运与积累Cd的影响。试验结果显示：添加这两种有机酸能在短时间内(2h)显著促进植物根系对109Cd的吸收。而经过24小时吸收后，柠檬酸能显著增加植物根部和地上部的109Cd含量(P<0.05)，与对照相比，最高可分别达1.5和3.0倍，并促进从109Cd从根部向地上部的转运(P<0.05)；而酒石酸的主要作用是显著增强植物根系对109Cd的吸收(P<0.05)。长时间(14 d或28 d)水培试验表明，低浓度柠檬酸处理能有效减缓100μM Cd对植物造成的毒害作用，植物叶片生物量较未加柠檬酸处理相比增加24.7％(P<0.05)，可外源添加高浓度洒石酸反而使植物茎叶生物量显著性下降(P<0.05)。长时间适量添加两种有机酸均能显著增加植物茎叶中Cd含量和积累量(P<0.05)，但其作用随处理时间和处理浓度不同而有所差异。上述结果表明柠檬酸可能参与了超积累生态型东南景天对Cd的吸收与转运过程，同时柠檬酸有助于提高东南景天地上部对Cd的解毒能力；而外源添加酒石酸能促进超积累生态型东南景天根系对Cd的吸收。适量添加这两种有机酸有助于促进Cd在东南景天体内的积累，从而提高其修复效率。