外源有机酸对镉胁迫下秋华柳镉积累特征的影响及其机理研究

发布时间：2020-06-13 23:33

【摘要】：日益严重的土壤重金属污染问题亟待解决,植物修复具有经济美观、环境友好的优点。然而,一些金属的低生物利用度和工程植物有限的转移系数成为植物修复的主要限制因素,这在很大程度上限制了重金属污染土壤植物修复技术的应用与发展。近年来有研究者提出,“螯合—诱导”植物修复技术的应用将有助于克服这个障碍。天然低分子量有机酸如柠檬酸、草酸、酒石酸、苹果酸和琥珀酸等作为植物重要代谢物,具有高降解性、低毒性的特点,更符合环境友好型的要求。但随目标金属和工程物种种类的不同,不同有机酸对植物修复的作用效果也存在较大差异,有必要针对目标金属和工程植物的特性及其作用机理加强研究。秋华柳(Salix variegata Franch.)是杨柳科柳属多年生灌木,具有较强的镉(Cd,cadmium)耐受和Cd积累能力,在Cd污染土壤植物修复工程中具有较大的应用潜力。为进一步提高秋华柳对Cd的吸收和积累能力,本研究采用水培的方式,探究柠檬酸、草酸、酒石酸、苹果酸和琥珀酸5种外源有机酸的添加对秋华柳Cd富集能力的影响,并对其中作用效果显著的柠檬酸、酒石酸和苹果酸从生长能力、耐性机制和基因表达三个方面对其作用机理进行研究,得到以下主要研究结果:(1)柠檬酸、酒石酸、苹果酸和琥珀酸的加入对秋华柳Cd积累总量的提升有显著效果Cd环境中加入柠檬酸、酒石酸、琥珀酸和苹果酸后,秋华柳植株中Cd积累量得到显著提升,分别是未加入有机酸Cd处理组的210%、190%、190%和178%。其中,柠檬酸加入后通过对秋华柳根生物量和根中Cd含量的提升,使根中Cd积累量显著增加;酒石酸、琥珀酸和苹果酸的应用使秋华柳各器官中Cd积累量都得到显著增加,有利于秋华柳对Cd污染土壤修复效率的提高。苹果酸主要通过提升秋华柳各器官生物量使其Cd积累总量得到增加,酒石酸和琥珀酸的加入使秋华柳各器官生物量和Cd含量均有所提升,酒石酸对秋华柳Cd吸收能力的促进作用大于琥珀酸。草酸的加入对Cd胁迫下秋华柳生物量和Cd吸收能力的提高没有显著影响。(2)柠檬酸、苹果酸和酒石酸处理均使Cd胁迫下秋华柳光合作用得到加强,显著促进了植物的生长能力,其中,酒石酸和苹果酸的作用效果更为显著。Cd胁迫通过对秋华柳光合色素含量、光合结构完整性等非气孔因素的影响显著降低了秋华柳光合作用能力,使植物生长受到抑制,生物量显著降低。苹果酸通过提高Cd胁迫下秋华柳叶绿素含量和缓解光合结构的损伤,促进了植物的生长,显著提升了秋华柳各器官生物量的积累。酒石酸在提升秋华柳光合色素含量方面没有显著效果,但在缓解Cd胁迫对植物超微结构损伤方面具有突出作用。柠檬酸的加入使秋华柳光合色素含量显著增加,叶肉细胞中叶绿体数量增多,叶肉细胞和叶绿体体积变大。柠檬酸处理也使Cd对秋华柳光合结构的损伤得到缓解,但其作用效果低于酒石酸和苹果酸处理组。结果表明,酒石酸和苹果酸的应用更有利于提高Cd胁迫下秋华柳的生长能力。(3)柠檬酸、酒石酸和苹果酸的加入明显增强了秋华柳对氧化应激的抗性,柠檬酸和苹果酸作用下秋华柳根中植物螯合肽含量显著增加Cd胁迫下,植株根和叶中抗氧化酶活性显著增强,但其脂质过氧化作用仍明显增加。Cd胁迫下,秋华柳根和叶中MDA含量与对照组相比,分别提高了103%和69%。三种有机酸的加入均能明显增强秋华柳对氧化应激的抗性,降低Cd胁迫诱导的脂质过氧化作用,柠檬酸、酒石酸和苹果酸加入后,各处理组秋华柳根中MDA含量均显著降低,分别是Cd处理组的70%、49%和32%;叶中MDA含量仅在苹果酸处理组显著下降,为Cd处理组的71%。三种有机酸的加入也显著增加了秋华柳根中GSH的含量,进一步提高了植物抗氧化能力与合成植物螯合肽的潜力。秋华柳根中植物螯合肽含量在柠檬酸和苹果酸作用下显著增加,有利于植物Cd耐性的提高。(4)柠檬酸、酒石酸和苹果酸的加入对促进秋华柳植株尤其是根中与Cd积累及耐受相关基因的表达均有显著效果,从而使秋华柳的Cd积累与耐受能力得到提高。Cd胁迫下,秋华柳根中P型金属ATP酶蛋白HMA1和植物螯合肽合成酶家族蛋白PCS1的表达量被显著上调,分别是对照组的1.95倍和30.45倍;而叶中金属耐受性蛋白MTP4和P型金属ATP酶蛋白HMA5表达量显著增加,分别是对照组的1.64倍和2.48倍。柠檬酸、酒石酸和苹果酸的加入对Cd胁迫下秋华柳根和叶组织中候选基因的表达量产生了不同程度的影响。Cd胁迫下,在秋华柳根中,柠檬酸和酒石酸通过对NRAMP5和MTP4的诱导表达促进了秋华柳根系对Cd的吸收,通过对PCS1的诱导增加了秋华柳根中Cd固存能力。在秋华柳叶中,柠檬酸的加入对提高秋华柳叶中多个候选基因的表达量均有显著效果;苹果酸的加入使叶中NRAMP5和PCS1表达量显著增加。同时,三种有机酸通过对HMA1、HMA3和HMA5的诱导,使秋华柳Cd耐性得到提高。在Cd胁迫下,候选基因主要在秋华柳根中表达,三种有机酸的加入对促进秋华柳植株中与Cd积累及耐受相关基因的表达均有显著效果,从而使秋华柳的Cd积累与耐受能力得到提高。柠檬酸、酒石酸、苹果酸和琥珀酸的加入对秋华柳Cd积累总量表现出显著促进。酒石酸、琥珀酸和苹果酸的应用可增加秋华柳地上部分Cd积累量,可有效提高秋华柳对Cd污染土壤的修复效率。通过对Cd胁迫下柠檬酸、酒石酸和苹果酸处理下秋华柳植株中生长能力、耐性机制和基因表达三个方面响应的研究结果发现:柠檬酸、苹果酸和酒石酸处理均使Cd胁迫下秋华柳光合作用得到加强,显著促进了植物的生长能力,其中,酒石酸和苹果酸的作用效果更为显著。三种有机酸的加入明显增强了秋华柳对氧化应激的抗性,降低Cd胁迫诱导的脂质过氧化作用,其中苹果酸作用效果最为明显。三种有机酸的加入也显著增加了秋华柳根中GSH的含量,进一步提高了植物抗氧化能力与合成植物螯合肽的潜力。秋华柳根中植物螯合肽含量在柠檬酸和苹果酸作用下显著增加,有利于植物Cd耐性的提高。三种有机酸的加入对促进秋华柳植株尤其是根中与Cd积累及耐受相关基因的表达均有显著效果,从而使秋华柳的Cd积累与耐受能力得到提高。 【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53;X173

【图文】：

技术路线图,技术路线,有机酸,外源

西南大学硕士学位论文研究目标为：究外源有机酸对秋华柳 Cd 积累能力的影响及其作用机理。研究内容外源有机酸对秋华柳 Cd 积累特征的影响；外源有机酸对 Cd 胁迫下秋华柳光合能力的影响；外源有机酸对 Cd 胁迫下秋华柳叶肉细胞超微结构的影响；外源有机酸对 Cd 胁迫下秋华柳膜脂过氧化及抗氧化酶防御系统的影响；外源有机酸对 Cd 胁迫下秋华柳非蛋白巯基肽的影响。外源有机酸对 Cd 胁迫下秋华柳 Cd 耐性与积累相关基因表达的影响；技术路线

处理组,酒石酸,柳叶,苹果酸

细胞壁变薄，叶绿体增多且淀粉积累增加，液泡中无黑色沉积物（图3-2C）。酒石酸和苹果酸加入后秋华柳叶肉细胞形态正常，，叶绿体肿胀得到缓解，核质分布均匀，核仁清晰，但在酒石酸处理后的植株叶肉细胞中液泡边缘的黑色沉积物仍存在（图 3-2D、E）。

【参考文献】