质外体途径在超积累植物东南景天镉吸收与运输中的作用及其调控机制

发布时间：2017-12-09 03:05

  本文关键词：质外体途径在超积累植物东南景天镉吸收与运输中的作用及其调控机制

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【摘要】：利用重金属超积累植物对污染土壤进行"植物提取"修复,是一项具有广阔应用前景的治理重金属污染的新技术。遗憾的是,大部分超积累植物生物量较小,生长缓慢,修复效率低,限制了该技术的大面积推广应用。深入研究超积累植物重金属吸收及运输机制,对于植物提取修复技术的应用和改良具有重要意义。目前关于共质体途径在超积累植物镉吸收与运输中的作用机理已做了大量研究,但对质外体途径在超积累植物镉吸收及运输中的作用及调控机制还不清楚。本论文以超积累生态型(hyperaccumulating ecotype,HE)和非超积累生态型(non-hyperaccumulating ecotype,NHE)东南景天为材料,采用稳定同位素示踪技术、组织荧光染色、单克隆免疫荧光、扫描离子选择电极技术、高效液相色谱、电感耦合等离子体质谱等,研究两种生态型东南景天根系质外体途径对镉吸收积累的贡献,探讨了根系细胞壁多糖修饰、根系质外体屏障发育、根尖草酸分泌以及植物内源激素脱落酸对质外体途径的影响及调控。取得的主要研究结果如下:1、采用稳定同位素示踪、组织荧光染色等技术,研究了两种生态型东南景天根系质外体途径对镉吸收及运输的贡献。试验结果表明,外源添加代谢抑制后,两种生态型东南景天木质部汁液中镉浓度均显著降低,但HE木质部汁液镉浓度仍然是NHE的5倍,而HE中镉向地上部的净流速率远大于镉向根中的净流速率,表明部分镉能通过质外体途径进入木质部。进一步用镉示踪剂Leadmium和质外体示踪剂(Trisodium-8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulphonic acid,PTS)处理植物,发现镉能和 PTS一样从质外体空间进入木质部最终到达地上部。通过密闭箱体根系静水压试验,发现HE木质部汁液中的镉含量随着处理液中静水压的增加而增加,而这一部分的镉增加量主要来源于外界静水压促进的质外体运输的镉。通过PTS和镉在蒸腾流中的比值分析,发现质外体途径对HE地上部镉含量的贡献率随着外界镉浓度的增加而增加,当外界镉浓度达到44.25 μM时,质外体途径的贡献率达到了 37%。上述结果表明,质外体途径参与了超积累植物东南景天对镉的吸收与运输,且外界镉浓度越高质外体途径贡献率越大。2、采用稳定同位素示踪技术、X射线吸收近边结构分析和单克隆免疫荧光法,研究了两种生态型东南景天根系细胞壁多糖组成、细胞壁各组分与镉的结合特点及果胶修饰对质外体镉的固定和再利用能力的影响。试验结果表明,东南景天根系细胞壁主要由果胶、半纤维素1和半纤维素2组成,且三种组分在NHE中的含量均显著高于HE。NHE根系细胞壁结合的镉要显著高于HE,且果胶是东南景天根系细胞壁中镉的主要结合位点。25 μM镉处理后,NHE果胶甲基酯酶活性上升了 210%,且显著高于HE。单克隆免疫荧光分析也表明,NHE细胞壁中低甲基化果胶含量高.于HE,25 μM镉处理后,两种生态型东南景天根系细胞壁中低甲基化果胶含量均有所增加,而NHE的增幅更大。稳定同位素外流试验和细胞壁吸附-解吸动力学试验均表明两种生态型东南景天根系细胞壁吸附镉的能力相当,但NHE吸附的镉被牢牢固定,而HE吸附的镉更容易解吸释放到质外体自由空间,有利于其向木质部的装载。3、采用荧光染色技术、扫描离子选择电极技术等,研究两种生态型东南景天质外体屏障发育情况和质外体途径的进入位点。试验结果表明,10 μM镉处理后,HE根系导水率要显著高于NHE。两种生态型东南景天根尖分区差异明显,在镉处理下,HE根尖分生区和伸长区均长于NHE。与NHE相比,HE在镉处理后质外体屏障发育更加远离根尖,且控制质外体屏障发育的相关基因SaCYP86A1、SaKCS20、SaCASP的相对表达量也更低,其中两种生态型SaCASP的相对表达量在0-1 cm段根系差异明显,而在1-2 cm段没有显著差异,进一步说明凯氏带发育的起始位置介于0-1 cm根尖处。扫描离子选择电极技术测定结果表明,HE镉离子净流量由根尖向根基逐渐减少,且根尖净流量要远大于NHE。同时,HE根尖的PTS荧光强度要显著强于NHE。另外,HE中侧根数量显著高于NHE,而PTS可以从"无领型"侧根穿过皮层直达木质部。综上,质外体屏障是影响质外体途径的主要因子,而根尖和侧根发育部位由于质外体屏障没有发育或发育不完全而成为HE中质外体途径的主要进入位点。4、采用荧光染色技术和扫描离子选择电极技术,研究了两种生态型东南景天根系草酸分泌特性及其对质外体途径吸收运输镉的影响。试验结果表明,在25 μM镉诱导下,HE根系草酸的分泌量是NHE的2倍,且主要分泌部位位于根尖0-10mm。阴离子通道抑制(Phenylglyoxal,PG)能显著抑制草酸的分泌,降低HE的镉含量,而这种抑制作用在外源添加草酸之后得到恢复。非损伤扫描离子电极技术测定结果表明,HE根尖0-10mm中镉离子净流量最大,且镉离子净流量在外源添加PG后受到显著抑制。对HE,外源添加PG后,凯氏带的发育更加靠近根尖,而草酸分泌使凯氏带的发育更加远离根尖,促使更多的PTS能通过质外体途径进入木质部。以上结果表明,根尖分泌的草酸会通过影响凯氏带的发育从而影响质外体途径对镉的吸收与运输。5、采用荧光染色技术等研究了两种生态型东南景天内源脱落酸(abscisic acid,ABA)对质外体途径的调控。试验结果表明,对照条件下,两种生态型东南景天根系、木质部汁液以及地上部的ABA含量无显著差异,但随着外源镉浓度的升高,HE内源ABA基本不变,而NHE显著升高。外源ABA会抑制HE地上部镉含量,而外源添加ABA抑制剂Abamine时,NHE地上部镉积累量显著增加,但HE地上部镉含量没有显著变化。外源添加ABA后,两种生态型东南景天根系软木脂发育均不同程度的向根尖延伸,但HE延伸更明显。25 μM镉处理后,HE的气孔大小和密度、叶片气孔导度及蒸腾速率没有显著的变化,而NHE中相关参数显著降低。外源ABA会不同程度的抑制两种生态型东南景天的气孔相关参数和蒸腾速率,但HE的抑制程度更加显著;而外源添加Abamine会促进两种生态型东南景天的相关气孔参数和蒸腾速率,但以NHE在高浓度镉处理下的促进效果最为显著。以上结果表明,两种生态型东南景天由于内源ABA的差异导致质外体屏障发育和质外体驱动力蒸腾作用的差异,最终影响质外体途径对镉的吸收与运输。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X173

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