馬藺Pb耐性機理及其對Pb污染土壤根際微環(huán)境的影響研究.pdf

1、馬藺（Iris lactea var.chinensis）為鳶尾科鳶尾屬多年生宿根草本觀賞植物，原產(chǎn)中國，廣泛分布于我國西北、東北、華北等地，在歐洲和北美洲等北溫帶地區(qū)均有分布。馬藺不僅具有較高的觀賞價值，還因其適應(yīng)性強、分布廣、耐鹽堿和管理粗放而被廣泛應(yīng)用在園林綠化、鹽堿地改良以及荒漠化治理中。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，馬藺對Pb、Cd、Cu等多種重金屬均有較強的積累和耐受能力，且同時具備生物量相對較高、生長快、多年生可重復(fù)利用以及易于繁殖等

2、優(yōu)良重金屬修復(fù)植物必需具備的特性，因此被認(rèn)為是一種具有較好前景的應(yīng)用型重金屬修復(fù)植物，但直至目前對馬藺Pb積累耐性更深入的生理分子機制等相關(guān)研究報道甚少。本研究主要從馬藺抗氧化系統(tǒng)、內(nèi)源金屬結(jié)合物、細(xì)胞學(xué)、抗性蛋白等不同水平研究分析了馬藺Pb忍耐的可能機制，并對馬藺根際微環(huán)境中根系分泌物釋放及Pb形態(tài)轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究。獲得的主要結(jié)果如下:
　　1.采用單因子Pb脅迫和鉛鋅尾礦摻比土壤栽培試驗，研究了不同Pb污染對馬藺Pb積累和生長的影

3、響。結(jié)果表明，2種不同土壤Pb脅迫下馬藺株高、根長、葉數(shù)以及地上、地下部生物量均隨Pb濃度的增加呈先增后降的趨勢，其中，土壤單Pb濃度低于500mg·kg-1均增加了馬藺的株高和根長，僅800mg·kg-1高Pb濃度處理時馬藺生物量才出現(xiàn)下降，但與對照相比差異不顯著(P＞0.05);與土壤單一Pb脅迫相比，鉛尾礦污染土壤摻比試驗中鉛尾礦含量低于15％對馬藺株高、根長生長同樣具有促進(jìn)作用，只有100％尾礦污染土壤處理下馬藺地上部和根系生物

4、量下降顯著。馬藺地上部和根系Pb、Zn含量基本上隨土壤中尾礦含量的增加而增加，800mg·kg-1土壤單Pb脅迫下為340.6mg·kg-1和1700mg·kg-1，100％尾礦污染土壤處理下為126.9mg·kg-1和1725mg·kg-1，對Cu、Cd的吸收相對較少，這與土壤中本身存在較少量的Cu和Cd可能存在著關(guān)系。另外電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在800mg·kg-1Pb脅迫處理和50％尾砂土壤脅迫處理下馬藺葉片葉綠體雙層被膜及內(nèi)部基粒和類囊體

5、結(jié)構(gòu)與對照相比均無明顯變化。
　　2.通過不同濃度Pb脅迫對馬藺抗氧化系統(tǒng)影響的研究表明，30mg·L-1低Pb脅迫下馬藺葉片超氧陰離子(O2-)產(chǎn)生速率、丙二醛(MDA)含量以及過氧化氫(H2O2)積累量與對照相比差異不明顯;300mg·L-1高Pb脅迫下，馬藺葉片MDA含量明顯增加，O2-產(chǎn)生速率和H2O2積累量也隨之升高。而低濃度Pb脅迫同時顯著誘導(dǎo)了超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)抗氧化

6、酶和抗氧化物質(zhì)谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(ASA)等含量的增加，表明一定程度的Pb脅迫傷害可通過植物體內(nèi)抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)的誘導(dǎo)合成得以緩解;但在高Pb脅迫下馬藺地上部和根系內(nèi)CAT活性和GSH含量出現(xiàn)升高，分別比對照增加7.76％、58.9％和29.4％、555％，而SOD、POD活性和ASA含量出現(xiàn)不同程度下降。因此分析馬藺體內(nèi)Pb積累到一定的量時，CAT和GSH可能在馬藺抵御氧化脅迫中起著相對更重要的作用。
　　3.采用

7、溶液培養(yǎng)，研究了Pb脅迫以及Pb脅迫下添加外源GSH和BSO（GSH和PCs合成抑制劑）對馬藺生長、Pb積累以及非蛋白巰基總肽(NPT)、GSH和其它非蛋白巰基化合物含量的影響。結(jié)果表明，300mg·L-1較高濃度Pb脅迫下添加GSH不僅促進(jìn)了馬藺對Pb的積累，同時也增加了馬藺干質(zhì)量和體內(nèi)Pb、NPT、GSH以及其它非蛋白巰基化合物含量;而添加BSO后馬藺干質(zhì)量下降，且馬藺根系和地上部NPT、GSH和其它非蛋白巰基化合物含量基本上較單P

8、b脅迫下均出現(xiàn)不同程度下降，尤其根系內(nèi)GSH含量降幅最大。進(jìn)一步采用超高效液相色譜對0、100、300、500mg·L-1不同濃度Pb脅迫下第1、4、7d馬藺根系和地上部非蛋白巰基種類和含量的檢測表明，Pb脅迫下PCs僅在根系內(nèi)誘導(dǎo)合成;馬藺體內(nèi)GSH和PCs合成量基本隨Pb濃度和脅迫時間的延長呈上升之勢;而Cys含量基本隨Pb處理濃度的增加和脅迫時間的延長有所下降。添加外源GSH和Cys對低Pb(100mg·L-1)和高Pb(500m

9、g·L-1)脅迫下馬藺根系和地上部非蛋白巰基含量和Pb含量影響的結(jié)果表明，無論是低Pb脅迫還是高Pb脅迫添加外源GSH和Cys對馬藺地上部和根系Pb積累均具有一定的促進(jìn)作用，500mg·L-1Pb脅迫下添加外源GSH后馬藺地上部和根系Pb含量分別是單Pb脅迫下地上部和根系Pb含量的4.19、2.78倍，而添加Cys后是單Pb脅迫下地上部和根系Pb含量的1.05、1.66倍，表明，添加GSH對馬藺Pb吸收轉(zhuǎn)運的促進(jìn)效應(yīng)更為顯著，且添加GS

10、H還使馬藺Pb向地上部轉(zhuǎn)運率增加3.2％，Pb-GSH可能是Pb向地上部運輸?shù)囊环N形式。但添加外源GSH增加馬藺Pb積累轉(zhuǎn)運的同時馬藺生物量較單Pb脅迫下并沒有下降，通過對馬藺體內(nèi)Pb含量與不同非蛋白巰基含量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，馬藺地上部和根系Pb含量與GSH和PCs含量在不同脅迫時間均保持顯著的正相關(guān)，而與Cys含量的相關(guān)性不大，因此，推測GSH和PCs誘導(dǎo)合成量的大幅增加可能是緩解馬藺體內(nèi)Pb毒害的重要途徑之一。
　　4.采用透

11、射電鏡、重金屬熒光原位檢測以及SDS-PAGE技術(shù)，研究了Pb在馬藺根系內(nèi)的超微分布以及Pb誘導(dǎo)馬藺根系和葉片可溶性蛋白的差異表達(dá)，結(jié)果表明:馬藺根尖細(xì)胞內(nèi)絕大部分Pb都沉積在質(zhì)外體細(xì)胞間隙中，其次為細(xì)胞壁，并且在添加外源GSH后，細(xì)胞間隙積累的Pb也急劇增多，表明質(zhì)外體是馬藺根系內(nèi)Pb離子貯存的首要場所。另外，通過對根系內(nèi)Pb的熒光原位檢測表明，Pb主要分布于馬藺根系表皮、中柱、導(dǎo)管細(xì)胞的細(xì)胞壁。且添加外源GSH后，這些部位含量相對有

12、增加，熒光加強，從細(xì)胞水平上佐證了添加GSH具有促進(jìn)馬藺向木質(zhì)部導(dǎo)管轉(zhuǎn)運Pb的作用。不同Pb處理下馬藺根系和葉片蛋白的SDS-PAGE電泳圖譜分析表明，與對照相比，單Pb脅迫誘導(dǎo)增加了馬藺葉片和根系一些相關(guān)蛋白的表達(dá)量，同時葉片內(nèi)也有部分蛋白表達(dá)出現(xiàn)下調(diào);而與單Pb脅迫相比，添加GSH可明顯增強葉片分子量約為55、50、16kDa蛋白和根系分子量約為63、45、20kDa蛋白的表達(dá)，但添加BSO后上述蛋白出現(xiàn)了表達(dá)下調(diào)甚至不表達(dá)，因此推

13、測這些受添加外源GSH和BSO影響表達(dá)的蛋白可能是一些富含巰基的金屬結(jié)合蛋白，并可能參與馬藺Pb的毒害和螯合解毒作用。
　　5.選用馬藺及其它三種鳶尾屬植物黃菖蒲、溪蓀和花菖蒲，對其植物實地Pb礦污染土壤離子的吸收積累進(jìn)行了研究。其中，馬藺地上部對Pb、Cd的總累積量最高，分別為0.34kg·hm-2、0.02kg·hm-2，而黃菖蒲對Zn累積量最高，為0.24kg·hm-2。另外對水培條件下馬藺根系有機酸分泌和Pb尾砂土壤盆栽條

14、件下馬藺根際微環(huán)境中不同土壤酶活性及Pb化學(xué)形態(tài)影響的研究表明，30mg·L-1低Pb脅迫可誘導(dǎo)馬藺根系分泌極少量草酸。而馬藺對根際Pb尾砂土壤中不同酶活性和Pb化學(xué)形態(tài)的影響較大，種植馬藺后使尾砂中活性較低的土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化物酶活性均顯著增加，分別較未種植馬藺尾砂土壤各酶活性提高29.6％、32.1％和22.3％;對尾砂中不同土壤Pb化學(xué)形態(tài)的分析表明，尾砂中種植馬藺使生物有效態(tài)Pb（交換態(tài)Pb）含量降低62.1％，鐵錳氧化態(tài)