苎麻对重金属污染土壤的修复利用与镉胁迫响应基因研究

发布时间：2020-10-10 02:04

　　土壤重金属污染是一个全球性的问题,对经济、农业乃至人们的健康是一个巨大的威胁。植物修复具有成本低、生态友好等优势,成为近年来的研究热点。苎麻(Boehmeria nivea L.)为是我国特有的纤维作物,不进入食物链,具有生长速度快、生物量大、适应性强等特点。筛选适用于重金属修复与利用的苎麻品种,具有很高的经济和生态价值。同时,目前国内外对苎麻耐受重金属的机制研究较少,开展苎麻重要镉响应基因的克隆、表达及功能研究,对于苎麻富集重金属品种的改良与耐受机制研究具有重要意义。本研究首先采用大田试验研究了不同苎麻栽培品种对镉、铅复合污染的修复与利用基因型差异以及苎麻间作蜈蚣草模式对铅、砷复合污染土壤的修复效果。其次,克隆了苎麻抗坏血酸过氧化物酶(BnAPXl)、谷胱甘肽还原酶(BnGR1)和植物螯合肽合成酶(BnPCS1)基因,对这3个基因的表达特性进行了分析；构建了这3个基因的原核表达载体和植物过表达载体,并将BnPCSl基因转化拟南芥,进行了基因功能研究。主要研究结果如下： 1、在Cd、Pb复合污染土壤中,7个苎麻品种生长表现良好,其中中苎1号原麻产量显著高于其他品种。Cd在苎麻各部位的分布表现为：麻壳根骨叶原麻,Pb在苎麻各部位的分布表现为：根叶麻壳麻骨原麻。中苎1号地上部对Cd的提取效率为2.95%,显著高于其他品种。采用苎麻修复临湘镉、铅复合污染土壤,种植中苎1号可获得最好的污染土壤修复效果与经济收入。 2、考虑重金属污染土壤的修复与利用,在正常间作密度下,苎麻和蜈蚣草地上部对Pb和As的提取效率均高于苎麻单作和低密度间作,同时可每亩每年可获得较高的经济收入,是修复和利用Pb、As复合污染土壤的最佳种植模式。蜈蚣草单作对As的提取效率显著高于苎麻单作和苎麻与蜈蚣草间作。在苎麻低种植密度下间作蜈蚣草,单位面积内苎麻的地上部生物量和原麻产量均显著降低,与苎麻间作显著降低了蜈蚣草的地上部生物量。正常密度下间作可以显著提高苎麻地上部Pb含量与积累量。与苎麻间作方式下,蜈蚣草的Pb和As积累量均显著低于蜈蚣草单作(P)。 3、克隆了镉胁迫响应的主要代谢途径苎麻BnAPX1、BnGR1以及BnPCS1基因的全长cDNA序列。苎麻BnAPX1cDNA全长为1201bp,ORF为870bp,编码一个31.4kD的APX蛋白,具有血红素结合位点、底物结合位点和K+结合位点。BnGRlcDNA全长为1977bp, ORF为1494bp,编码一个53.7kDa的GR蛋白,具有1个吡啶核苷酸-二硫化物氧化还原酶class Ⅰ活性位点、1个NADP结合位点、1个FAD结合位点、2个GSSG结合位点和1个胞质GR特殊结构域。BnPCS1cDNA全长为1956bp, ORF为1512bp,编码一个56.02kDa的PCS蛋白,具有PCS蛋白典型的C358c359XXC363XXC366结构域以及3个活性必需氨基酸(Cys56、His162和Asp180)。 4、组织特异性分析表明,苎麻BnAPX1、BnGR1和BnPCSl基因在根、茎、茎尖、幼叶、成熟叶中均有表达,但不同器官之间的表达量存在差异。BnAPXl基因在幼叶中的表达量较高,茎中表达量最低；BnGR1基因在成熟叶中的表达量最高,在幼叶中次之,在茎中表达量最低；BnPCS1基因在成熟叶中的表达量最高,茎中表达量最低。BnAPX1、BnGR1基因均受Cd胁迫及ABA、SA处理的诱导上调表达, BnPCS1基因受Cd胁迫及ABA的诱导上调表达。 5、构建了苎麻BnAPX1、BnGR1和BnPCSl基因的原核表达载体pQE-N1-BnAPX1、 pGEX-4T-BnGR1和pGEX-4T-BnPCS1,并在大肠杆菌BL21中成功诱导表达,诱导出的蛋白分子量大小分别为31.4、53.7和56KD左右,与预期大小一致。构建了苎麻BnAPX1、BnGR1和BnPCS1基因的植物表达载体,并转化根癌农杆菌,获得了转BnPCS1基因拟南芥,研究了BnPCS1基因的功能,证明其具有提高镉耐性的功能。
【学位单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X53;X173
【部分图文】：

过程图,液泡,植物,跨膜运输

植物PCs对Cd的解毒过程[i5i]

Cd含量,Pb含量,品种,部位

品种图2.】芒麻不同器官Cd含量Fig.2.1 Cd concentrations of diferent organs from ramie grown on Cd-Pb contaminated cropland2.2.2铅在芒麻各器官的分布对供试品种各器官的Pb含量进行测定，结果如图2.2所示。Pb在芒麻各部位分

Pb含量,原麻,叶片

2.2.2铅在芒麻各器官的分布对供试品种各器官的Pb含量进行测定，结果如图2.2所示。Pb在芒麻各部位分布的总体趋势为：根（12.73 mg/kg) >叶片（12.12 mg/kg)〉麻壳（10.86 nig/kg) >麻骨（3.59 mg/kg)〉原麻（1.61 mg/kg)。根、叶片和麻壳Pb含量差异不显著（p〉0.05)，均显著高于麻骨和原麻（;?<0.05)。22

【参考文献】