（环境科学专业论文）堇菜属11个物种种群的重金属耐性与富集特征.pdf

摘要 n a gk g 、1 3 4 3n a gk g 。转运系数分别为8 1 、9 o 、8 5 ，表现出较强的富集 p b 的能力，说明这三个不同的长萼堇菜种群可能具有先天富集p b 的能力。 3 本研究中非污染区的长萼堇菜( h o l ai n c o n s p i c u a - 2 ，中大校园) 和蔓茎 堇菜( 矿d i f f u s a 1 ，广州南昆山) 在2 51 t mc d 处理下对c d 的耐性指数极低，仅为 2 9 、1 5 ，但其地上部分却能超量富集c d ，分别为3 2 6m gk g 一、3 3 0m gk g 。 同样在2 5 0t i m 低浓度z n 处理过程中，非污染区的蔓茎堇菜( 矿d i f f u s a - 3 ，湖南桥 口) 对z n 的耐性指数为2 0 ，仅为耐性种群b a o s h a n e s 括的1 2 0 。但其地上部分 重金属含量为5 9 8 7m g 埏一，与耐性种群形b a o s h a n e s i s 的6 5 9 6m gk g d 差异不显著。 在p b 处理下，长萼堇菜( 矿i n c o n s p i c u a ) 三个不同种群也出现了类似的情况。结 果显示，本研究中的堇菜属植物的耐性和富集并无明显的相关性，进一步证实了 植物的耐性和富集是两个独立的性状。 4 i t s 序列分析结果显示，堇菜属中已经证实和报道的具有耐性的植物其 亲缘关系比较近，主要分布在蔓茎堇菜组s e c t d i f f u s a e 和美丽堇菜组s e c t m e l a n i u m 。结合以往研究结果我们推测本研究中堇菜属内耐性物种的起源可能基 于两种策略：一是污染胁迫进化导致新的耐性物种产生：二是杂交起源即污染区 耐性物种与其它物种间的杂交产生新的耐性物种。 5 本研究中根据i t s 序列进行系统树重建的结果显示宝山堇菜( v i o l a b a o s h a n e s i s ) 与蔓茎堇菜( 矿d i f f u s a ) 亲缘关系比较近，而在m a t k 序列分析中 宝山堇菜则与长萼堇菜( 矿i n c o n s p i c u a ) 亲缘关系接近。在野外调查中，宝山堇 菜周围有长萼堇菜( 矿i n c o n s p i c u a ) 和蔓茎堇菜( d i f f u s a ) 的分布。综合考虑 以上因素，认为宝山堇菜( 矿b a o s h a n e s i s ) 可能是长萼堇菜( 矿i n c o n s p i c u a ) 和 蔓茎堇菜( 矿d i f f u s a ) 杂交形成的新种。 关键词：堇菜属；耐性；富集；重金属；进化 h e a v y m e t a lt o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o no f1 1 s d e c l e s ，d o d u l a t i o n si n2 e n u si o a l i t ， i _ a b s t r a c t e l e v e ns p e c i e s p o p u l a t i o n si ng e n u sh o l ag r o w i n go n3m e t a l l i f e r o u ss i t e sa n d4 u n c o n t a m i n a t e ds i t e si nh u n a na n dg u a n g d o n gp r o v i n c e s , w e r ei n v e s t i g a t e dt oa s s e s s t h em e t a lt o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o ni ng e n u sv i o l a ah y d r o p o n i c st r i a lw a sf u r t h e r c o n d u c t e dt od e t e r m i n et o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o no fc d 、z n 、p bi nt h e s ep l a n t s ， a i m i n gt oe x p l o r ew h e t h e rac o n s t i t u t i v ep r o p e r t yo fm e t a lt o l e r a n c eo ra c c u m u l a t i o n w a sp o s s e s s e db yp l a n t si ng e n u sv i o l a i na d d i t i o n , m o l e c u l a rp h y l o g e n yb a s e do n n u c l e a rr d n a ( i t s ) a n dt h ec p d n a ( m a t kg e n e ) o ft h eg e n u sv i o l aw e r es t u d i e dt o s h e dh g h to nt h ep o s s i b l ee v o l u t i o n a r ys c e n a r i o so ft h et o l e r a n tp l a n t si nt h i sg e n u s 1 1 圮r e s u l t sw e r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i nh y d r o p o n i c se x p e r i m e n t ，t h et o l e r a n c eo fv i o l ab a o s h a n e n s i si nt h e2 5l t m c da n d2 5 0p mz nt r e a t m e n tw e r e10 8 、1 9 2 ，r e s p e c t i v e l y kt e n u i si nt h e2 5p m c d 、2 5 0 州z n 、5 0 肛mp bt r e a t m e n tw e r e1 0 0 、2 5 8 、6 0 r e s p e c t i v e l y t h e t o l e r a n c eo ft h eg e n u sv i o l af r o mm e t a l l i f e r o u ss i t e sw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a n f r o mu n c o n t a m i n a t e ds i t e si nt h es a m et r e a m e n t ，i n d i c a t i n gt h a tt h eg e n u sv i o l am i g h t n o tp o s s e s st h ec o n s t i t u t i o n a lt o l e r a n c et oc d 、z na n dp b t h em e t a lt o l e r a n c eo f 矿 b a o s h a n e s i sa n d 形t e n u i sm i g h th ei n d u c i b l e ，a n dm e t a ls t r e s sm i g h tb et h ek e y e l e m e n tf o rt h eo n g i na n de v o l u t i o n a r yo fm e t a lt o l e r a n c ei nt h et w os p e c i e s 2 t h es h o o t sc dc o n c e n t r a t i o n so fv i o l av e r e c u n d a 、矿i n c o n s p i c u a - 2 、矿 d i f f u s a 一1a n d 髟n a n l i n g e n s i s - 1f r o mu n c o n t a m i n a t e ds i t e si nt h e2 5u mc dt r e a t m e n t w e r e3 9 0m gk 9 1 、3 2 6r n gk g - 1 、3 3 0r a gk g 1 、2 5 5n a gk g 1 ，r e s p e c t i v e l y , t h e yh a d s t r o n ga b i l i t yo fa c c u m u l a t i n gc da n dm i g h tp o s s e s st h ec o n s t i t u t i o n a la c c u m u l a t i o n i nt h e2 5 0p mz nt r e a t m e n t ，t h es h o o tz nc o n c e n t r a t i o n so f 形d i f f u s a - 3w a s5 9 8 7n a g k g - 1 ，s h o w e d1 1 0s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ew i t ht h eg e n u sv i o l ap l a n t sf r o mm e t a l l i f e r o u s 1 h a b s t r a e t s i t e s , r e s u l t sr e v e a l e dt h a t 矿d i f f u s a 3l i l i g l i tp o s s e s st h ec o n s t i t u t i o n a la c c u m u l a t i o n t h r e ed i f f e r e n tp o p u l a t i o mo f 矿i n c o n s p i c u ao q a n k u n s h a n 、s u ny a t - s e nu n i v e r s i t y a n dc h e n z h o ue c o l o g i c a lp a r k ) f r o mu n c o n t a m i n a t e ds i t e si nt h e5 0p mp bt r e a t m e n t c o u l da c c u m u l a t e15 4 2n a gk g 1 、12 81n a gk g i 、13 4 3r a gk g 1p bi nt h e i rs h o o t s ，w i t h t r a n s l o c a t i o nf a c t o r8 1 、9 o 、8 5 r e s p e c t i v e l y , t h er e s u l t sr e v e a l e dac o n s t i t u t i v e p r o p e r t yo f r n e t a la c c u m u l a t i o no f 矿i n c o n s p i c u a 3 i np r e s e n ts t u d y , t h et o l e r a n c eo fh o l ai n c o n s p i c u a - 2a n d d i f f u s a - if r o m u n c o n t a m i n a t e ds i t e si nt h e2 5 肛mc dw e r eo n l y2 9 、15 ，r e s p e c t i v e l y , b u tt h e y c o u l da c c u m u l a t e3 2 6m gk g - 1 、3 3 0n a gk g 1 c d ，r e s p e c t i v e l y , i nt h e2 5 0i x mz n t r e a t m e n t ，t h et o l e r a n c eo f1 4 d i f f u s a - 3f r o mu n c o n t a m i n a t e ds i t e sw a s2 0 ，o n l y1 t 2 0 o f 矿b a o s h a n e n s 西，b u t 矿d i f f u s a 一3c o u l da c c u m u l a t e5 9 8 7m gk g d z n , s h o w e dn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sw i t hkb a o s h a n e n s i s ( 6 5 9 6m gk 9 1 ) i np bt r e a t m e n ts o l u t i o n s , i n c o n s p i c u af r o mu n c o m a m i n a t e ds r e sc o u l da l s on o tt o l e r a t eb u ta c c u m u l a t ep b t h eh y d r o p o n i ct r i a lr e s u ri n d i c a t e dt h a tt h em e t a lt o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o no ft h e g e n u sh o l ah a dn oc o r r e l a t i o n ；t h i sp h e n o m e n o nc o n f n m e dt h a tt o l e r a n c ea n d a c c u m u l a t i o nw e r ei n d e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c s 4 t h em o l e c u l a rp h y l o g e n yb a s e do ni n t e r n a lt r a n s c r i b e ds p a c e r ( i t s ) s h o w e d t h a tt h et o l e r a n tp l a n t si ng e n u s 肠w e r ec l u s t e r e di nt w og r o u p s ：s e c t d i f f u s a ea n d s e c t m e l a n i u m t o l e r a n ts p e c i e si ne v e r yg r o u pw e r ec l o s et oe a c ho t h e r t h e r ew e r e t w op o s s i b l es t r a t e g i e so ft h ee v o l u t i o no ft o l e r a n c e ，m e t a ls t r e s se v o l u t i o n a r ya n d h y b r i d i z a t i o nb e t w e e nt o l e r a n ts p e c i e sa n do t h e rs p e c i e s 5 t h ea n a l y s i so fl t sa n dm a t ks e q u e n c e ss h o w e dt h a t 髟b a o s h a n e n s 扫c l o s e d t o 矿d i f f u s aa n d 矿i n c o n s p i c u a ，r e s p e c t i v e l y t h em o r p h o l o g i c a lf e a t u r eo f 矿 b a o s h a n e n s 妇w a ss i m i l a rt ob o t ho ft h e mm e a n w h i l e ，i nf i e i di n v e s t i g a t i o n , 矿 i n c o n s p i c u aa n d 酽d i f f u s aw e r ef o u n di nt h es u r r o u n d i n ga r e ao f 形b a o s h a n e n s i s t h e r e f o r e ，w es p e c u l a t e dt h a t 形b a o s h a n e n s i si i l i g h to r i g i n a t ef r o mt h eh y b r i d i z a t i o n b e t w e e n d i f f u s aa n d i n c o n s p i c u a k e y w o r d s ：v i o l a ；t o l e r a n c e ；a c c u m u l a t i o n ；h e a v ym e t a l ；e v o l u t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：炱建平 日期：2 0 0 9 年6 月6日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 导师签名：掳 日期：2 0 0 9 年6 次建子 月6 日 第1 章前言 第1 章前言 1 1植物的重金属耐幽富集特性及其进化 1 1 1 植物的重金属耐性富集 1 1 1 1 植物的耐性及其机理 尽管大多数高等植物在重金属污染的环境中不能生存，但人们发现一些植物 在较高浓度的重金属环境中仍然能够正常地生长和繁殖，而这类植物我们就称之 为抗性植物( b a k e r , 1 9 8 7 ) 。一般认为植物对重金属抗性的获得可通过两种途径： 避性和耐性。一些植物可通过某种外部机制保护自己，使其不吸收环境中高含量 的重金属从而免受毒害称之为避性；耐性是指植物体内具有某些特定的生理机 制，使植物能生存于高含量的重金属的环境中而不受伤害；前者植物体内重金属 浓度并不高，而后者植物体内具有较高浓度的重金属。 对植物避性而言，在重金属胁迫条件下，植物可反馈分泌一些物质，通过这 些物质与重金属离子发生络合反应，降低植物周围环境中重金属离子的有效态含 量，减少植物对重金属的吸收，避免受害。戴玲芬等( 1 9 9 8 ) 报道，一些藻细胞 可通过体外分泌物或厚而粗糙的外壁吸收积累重金属，从而降低周围水体重金属 离子的相对浓度。高等植物也可以通过根系分泌物与重金属离子络合，如柠檬酸、 苹果酸、乳酸等。同时植物还可以通过限制重金属离子跨膜吸收从而降低体内的 重金属离子的浓度。m e h a r g 等( 1 9 9 2 ) 曾对不同品种的h o l c u sl a n a t u s 进行对比 研究，发现耐性品种体内a s 的累积速率远低于敏感品种。现已证明，它们主要 是通过减少重金属向细胞质的运输而解毒，细胞质膜是有机体与外界环境之间的 一个界面，细胞质膜的透性大小是决定外界重金属离子能否进入细胞和进入多少 的主要因素，所以在重金属污染条件下，植物之间的膜组成和变化能力的差异可 能是不同植物对重金属抗性不同的原因之一。 植物的耐性具备两条基本途径，即金属排斥和金属积累。所谓金属排斥性即 第1 章前言 重金属被植物吸收后又被排出体外，或重金属在植物体内的运输受到阻碍。重金 属从生物体内排除是一种很好的解毒方式。这已在微生物和动物的试验中得到证 实，植物体内的重金属离子也能被排除体外。n i e s ( 1 9 8 9 ) 研究了不同耐性植物 的金属离子吸收与代谢的关系，认为植物原生质膜有主动排出金属离子的作用。 他发现当生长介质中p b 浓度达到4 0 0p g 矿1 时，a r i c e n n i am a r i n a 的根部可以将 p b 排出体外。m a e f a r l a n e ( 2 0 0 0 ) 认为这一过程发生在根表皮层细胞上。植物还 可以通过老叶的脱落把重金属离子排出体外( e r n s t ，1 9 9 2 ；d a h m a n i - m u l l e r , 2 0 0 0 ) 。另外许多研究认为，一些植物能在根部积累大量重金属离子，而限制其 向地上部分运输，从而使地上部分免遭伤害，在一定程度上提高了植物的耐性。 例如，玉米在1 0 0 0m gk g - 1 p b 处理条件下，其根部p b 含量可达到1 0 4 3m gk g 1 ， 而其地上部分仅为6 8 8m gk g 1 ( 匡少平，2 0 0 2 ) 。s a l t 等( 1 9 9 5 ) 报道，在重金 属胁迫条件下，b r a s s i c a j u n c e a 根部重金属含量明显高于地上部分。 植物耐性的另一个途径是金属积累，但可自身解毒，即重金属在植物体内积 累，但以不具生物活性的解毒形式存在。金属积累可以通过以下方式来实现：( 1 ) 与细胞壁结合；植物细胞壁是重金属离子进入的第一道屏障，它的金属沉淀作用 可能是一些植物耐重金属的原因，这种作用能阻止重金属离子进入细胞原生质， 而使其免受伤害。n i s h i z o n o ( 1 9 8 7 ) 在1 9 8 7 年发现，a t h y r i u my o k o s c e n s e 细胞 壁中积累大量c u 、z n 和c d ，占整个细胞总量的7 0 9 0 ，彭鸣等在电子显微镜 下直接地证明了细胞壁的重金属沉淀作用( 彭鸣，1 9 8 9 ) 。( 2 ) 进入液泡；液泡 中含有的各种蛋白质、糖、有机酸等物质都能与重金属结合而解毒，因此液泡常 被认为是贮存重金属元素的结构。w a n g 等( 1 9 9 1 ) 曾对烟草液泡中c d 的化学 状态进行模拟，发现液泡内c d 与无机磷酸根能形成磷酸盐沉淀，降低了c d 的 毒性。v a z q u e z ( 1 9 9 2 ；1 9 9 4 ) 用电子探针观察了遏蓝菜属的t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 植物中的离子分布状况，观察到根中的z n 大部分分布在液泡中，细胞壁中相对 较少，而在叶片组织中，供应低z n 时液泡与质外体中的z n 浓度几乎相同；而 供应高z n 时，则z n 在液泡中分布明显高于质外体。这些结果显示，液泡可能 是重金属贮存的主要场所。( 3 ) 隔离并贮存在特殊器官中；某些重金属超积累植 物可把重金属贮存在某些不影响植物生长发育的器官中( 例如：叶片表皮毛) ， 从而避免重金属对叶肉细胞的直接伤害( b l a m e y , 1 9 8 6 ) 。s a l t ( 1 9 9 5 ) 用c d 处 2 第1 章前言 理芥菜b r a s s i c a j u n c e a ，其叶片表皮毛中积累的c d 含量比叶片组织高4 3 倍，表 明叶片表皮毛是该种植物贮存重金属的主要器官。( 4 ) 形成重金属结合物；螯合 是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一。当部分重金属穿过细胞壁和细胞膜 进入细胞后，能和细胞质中的蛋白质、谷胱甘肽、草酸、柠檬酸、苹果酸等形成 复杂的稳定螫合物，它们多能使重金属的毒性降低。研究发现，植物体中的z n 和n i 主要与有机酸或含氧和氮的物质进行配位，而c d 则主要与植物螯合肽相 结合( n i e b o 既, 1 9 8 0 ) 。 1 1 1 2 超富集植物 长期的研究发现：在耐性植株中，有一些植物能积累超寻常高含量的重金属， 远远超过土壤中重金属含量。b a k e r ( 1 9 8 1 ) 根据植物对重金属的吸收转移和积 累机制将植物分为3 类：积累型( 超积累型) 、指示型( 敏感型) 和排斥型，超积 累型植物即超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) ，是指能够超量吸收重金属( 或非金 属) 并将其转运到地上部分贮藏起来的植物。1 9 7 6 年j a f f r 6 在“s c i e n c e ”上发表 的文章“s e b e r t i aa c u m i n a t e ：ah y p e r a c c u m u l a t o ro f n i c k e lf r o mn e wc a l e d o n i a 中， 首先引用“超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 一这一术语。随后，b r o o k s 提出了超 富集植物的概念( b r o o k s , 1 9 7 7 ) ，随着越来越多的超富集植物的发现，富集的金 属种类也相应扩展，超富集的标准也得到调整并已为研究者所认可，符合超富集 植物的地上部浓度阈值分别是：1 0 0 0 0m gk g n i 、蝴z n ，1 0 0 0r a gk g p b 、 c u 、c r 和c o ，1 0 0r a gk g d c d 和s e ( r e e v e s & b a k e r , 2 0 0 0 ) ，1 0 0 0m g 埏以a i ( j a n s e n e ta ，2 0 0 2 ) 和a s ( m ae t 讲，2 0 0 1 ；m e h a r g ，2 0 0 2 ) 。根据超富集植物的生理特点， 在认定超富集植物时还要考虑两个因素：植物地上部金属含量高于根部的含量， 即金属转移率大于l ；植物地上部金属含量高于根际土壤重金属浓度，即生物富 集系数大于l 。 从空间上看，超积累植物一般只生长在矿山区、成矿作用带或者由富含某种 或某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上，它们常常构成一个孤立的“生态 学岛屿一，种类组成明显不同于岛外的植被。从时间上看，超积累植物分布特点 主要表现在第四纪冰川作用对正常植物演化出超积累植物存在的控制作用( 唐世 荣，2 0 0 1 ) 。超富集植物不仅在时空上有一定的分布特点，而且表现在植物科属 第l 章前言 内也有一定的分布特点。已发现的超富集植物有4 0 0 多种( a s s u n c a oe ta 1 ，2 0 0 3 ) ， 主要分布在热带和温带富含金属的土壤，分布在不同的属中，其中大多数为n i 的超富集植物，超过3 0 0 种( b a k e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，占总量的2 3 以上。发现的n 超 富集植物主要分布于“五科一、“十属 内。“五科一是指大戟科、十字花科、大 风子科、堇菜科和苦脑尼亚科，分布在这些科内的n i 超富集植物占已发现的n i 超富集植物总数的8 0 以上；“十属修是指庭荠属、叶下珠属、l e u c o c r o t o n 属、 黄杨属、遏蓝菜属、柞木属、天料木属、g e i s s o i s 属、b o r n m u e l l e r a 属和鼠鞭草属。 t h l a s p i 属( b r a s s i c a c e a e 科) 中有许多种对n i 的积累可以达3 0 0 1 3 之间，并且有 些种可以超量吸收z n 、c d ( r e e v e s e t a l 。1 9 8 3 ) 。s e 超积累植物主要分布于豆科 紫云属( a s t r a g a l u ) 、十字花科芸苔属( b r a s s i c a ) 和藜科滨藜属( a t r i p l e x ) 。已 报道的z n 的超富集植物大部分为t h l a s p i 属和a r a b i d o p s i s 属植物。上述科属分布特 点表明，超积累植物主要集中在少数科属内，或许这少数科属已演化出耐重金属 或积累重金属的特性( 唐世荣，2 0 0 1 ) 。 b a k e r ( 1 9 9 4 ) 研究了不同生境、不同种群t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 对重金属的 富集，结果表明不同种群间对重金属的吸收差异不大。在zg o e s i n g e n s e ( r e e v e s e ta 1 ，1 9 8 4 ) 、zm o n t a n u m ( b o y de ta 1 ，1 9 9 8 ) 、zc a e r u l e s c e n s ( b a k e re ta 1 ，1 9 9 4 ) 的研究中也发现这些不同种没有统计学上的显著累积差异。而在大尺度的研究 中，l l o y d - t h o m a s ( 1 9 9 5 ) 采用土培和水培的方法比较了来自英国、比利时、西 班牙zc a e r u l e s c e n s 对重金属的富集，结果却显示zc a e r u l e s c e n s 不同的生态种 对z n 、n i 、c d 的吸收能力存在极显著的差异。p o l l a r d ( 1 9 9 6 ) 为了研究个体间、 种群间对重金属吸收差异，采集近亲植株和一个母本植株上的种子进行发芽，培 养于营养液中，结果显示从共同种子发芽得到的植株对重金属的吸收都存在很大 差异( p o l l a r de ta 1 ，1 9 9 6 ；c h a n e ye ta 1 ，1 9 9 7 ) 。以上研究显示，超富集植物对重 金属的吸收在个体间、种群间存在一定的差异。 1 1 2 植物的重金属耐性超富集关系 大多数的超积累植物都生长在金属富集的土壤上，同时具有金属耐性的特征 ( b e r t & m a c n a i r , 2 0 0 0 ) ，但是对于一些超积累植物，例如t h l a s p ic a r e r u l e s c e n s 和a r a b i d o p s i sh a l l e r i 在正常上壤也有分布并具有金属耐性，对于这些种类，许 4 第l 章前言 多学者认为其积累性和耐性是不相关或相反的特性( m e e r t s & v a ni s a e k e r , 1 9 9 7 ) 。 m a e n a i r 和b e r t ( 1 9 9 9 a ) 认为，a h a l l e r i 对z n 的耐性和超积累性是两个相互独 立的遗传特性。b e r t 和m e c r t s ( 2 0 0 3 ) 认为，a h a l l e r i 对c d 的耐性和积累性也 是由独立遗传控制的。这些研究暗示了超积累特性与耐性至少在一定程度上是由 不同基因控制的。相反，l o m b i 和z l m o ( 2 0 0 0 ) 研究zc a r e r u l e s c e n s 的结果显 示其对c d 的耐性和积累性是相互有关联的，虽然缺乏确凿的遗传证据，但他们 仍提出c d 超耐性和超积累性以某种方式相联系。到目前为止，植物对金属耐性 及超积累性之间的关系在分子水平上仍不完全清楚。 一般情况下，超富集植物对金属的耐性与植物的来源有关，即耐性是种群， 生态型特异性，同时也有金属特异性。植物种群来源于金属浓度高的地方，其对 相应金属的耐性相对也高。如：对于t h l a s p ic a r e r u l e s c e n s 和a r a b i d o p s i sh a l l e r i ， 来自z n 、c d 含量高的矿山型对z n 、c d 的耐性和富集能力高于蛇纹岩型，后者 又高于非污染型；而来自n i 含量高碱性的蛇纹岩型在n i 的耐性和富集能力要高 于矿山型，矿山型高于非污染型( p o l l a r d & b a k e r , 1 9 9 6 ；m e e r t & v a ni s a k e r , 1 9 9 7 ； e s e a r r 6e ta ，2 0 0 0 ；r o o s e ne ta 1 ，2 0 0 3 ；a s s u n g 孙e ta 1 ，2 0 0 3 ；m o l i t o re ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 a s s u n 蜩i o 等( 2 0 0 3 ) 在水培条件下比较zc a e r u l e s c e n s 三种生态型( 蛇纹岩型， 矿山型，非污染型) 对z n 、c d 、n i 的耐性和富集差异，矿山型能耐受z n 和c a 的浓度非常高，分别是1 0 0 0i ，t m o ll - 1 和5 0i t m o ll 一，而非污染型和蛇纹岩型对 z n 的耐受阈值分别是5 0 和1 0 0i x m o ll ，对c d 的阈值分别是0 5 和5p m o ll 一； 蛇纹岩型能在2 5 0r t mn i 溶液中正常生长，其它生态型在1 0 0l x m o ll 以n i 时已表 现失绿；非污染型对z n 的富集能力高于矿山型( l o m b ie ta 1 ，2 0 0 0 ) 。对于z n c d 超富集植物东南景天( s e d u ma l f r e d i i ) ，同样是矿山生态型的z n 、c d 耐性远高 于非矿山生态型( d e n ge t 以，2 0 0 6 ) 。a h a l l e r i 也有相同的现象( b e r te ta 1 ，2 0 0 0 ； p a u w e l se ta 1 ，2 0 0 6 ) ，同一生态型的种群间也会有耐性水平的差异，a h a l l e r i 种群间对z n 的耐性表现出连续的差异( p a u w e l se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 1 1 3 植物重金属耐性富集的进化 有关耐性迸化的研究现在比较认同以下两个观点：一是由于具备金属耐性的 基因型在非污染种群出现的频率明显较低，因此在植物定居污染地方过程中存在 第1 章前言 奠基者效应( t a f 色b v r e & v e r n c t , 1 9 9 0 ；m e n g o n ie ta l 。2 0 0 1 ) 。这些种群在富含重 金属的地方定居时，重金属毒性对植物的选择压力( b r a d ye ta ，2 0 0 5 ) ，使种群 可能遭受了强烈的瓶颈效应( b r a d s h a w , 1 9 8 4 ) ，导致污染种群相对于非污染种群， 其遗传多样性下降( m e n g o n ie ta 1 ，2 0 0 1 ；p a n w e l se ta 1 ，2 0 0 5 ) 。二是污染种群的 独立进化。考虑到在欧洲富含重金属的地方是高度分散的，相互之间的距离非常 远，自然扩散难以跨越这个距离，而如果非污染种群突然遭受重金属胁迫，其对 重金属耐性的进化会快速而频繁地发生( a i h i y a l ye ta 1 。1 9 8 8 ) 。s c h a t 等( 1 9 9 6 ) 提出地理距离隔离的污染种群可能是由临近的非污染种群发生变异，多次独立进 化，然后组成一个系统的组。在这样的情况下，污染和非污染种群在构成谱系上 没有分离，污染种群在遗传方面与紧邻的非污染种群更接近，而不是和相隔甚远 的其它污染种群接近( k o c he ta l ，1 9 9 8 ；p a u w e l se ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 针对植物的超富集特性形成机制，b o y d 等( 1 9 9 4 a ) 提出了5 种假设： ( 1 ) 植物本身具有超富集的功能，因此吸收过多的重金属；( 2 ) 重金属超富集增加 植物叶片对干旱的抗性；( 3 ) 提高和其它植物间的相互竞争作用，比如增加土 壤重金属活性；( 4 ) 矿区有益元素比例失衡造成的重金属补偿性吸收；( 5 ) 对 虫害和病害的抵抗。在这些假设中只有第五种假设得到了实验的直接支持。 m a r t e n s ( 1 9 9 4 ) 的实验显示n i 超富集植物t h l a s p im o n t a n u m 会对以此为食的昆虫 的幼虫产生毒害。在z n 超富集植物zc a e r u l e s c e n s 的研究中也有相应的结果 ( p o l l a r de ta 1 ，1 9 9 7 ) 。1 3 0 y d ( 1 9 9 4 b ) 研究发 勇 s t r e p t a n t h u s p o l y g a l o i d e s 对n i 的 超富集与防御真菌与细菌有关系。然而植物对重金属的超富集是植物对昆虫的适 应对策，还是昆虫对植物的天然选择造成的，这还需要对植物进行饲喂实验并研 究植物的数量遗传特点( p o l l a r de ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 超富集植物对重金属的富集有先天特性( c o n s t i t u t es p e c i e s g e n u sl e v e lt r a i t ) 和适应性之分。早在1 9 7 1 年a n t o n o v i c s 否定了某些植物具有先天耐受重金属能 力的假说，但是随后仍然出现很多令人信服的报道说在植物耐性阈值内种群的个 体问耐性水平存在相当大的差异( w u & a n t o n o v i c s ，1 9 7 6 ) ，m c n a u g h t o n ( 1 9 7 4 ) 和t a y l o r & c r o w d e r ( 1 9 8 4 ) 研究对比了污染地区和非污染地区的t y p h al a t i f o l i a 种群，没有发现种群分化的现象，即使污染地区土壤污染的相当严重，由此，他 们认为这种植物具有先天耐性。r e e v e s & b a k e r ( 1 9 8 4 ) 对比了蛇纹岩污染区以 6 第1 章前言 及非污染区的t h l a s p ig o e s i n g e n s e 种群，得出了同样的结论，他们发现污染地区 和非污染地区植物对重金属的吸收和富集具有相似性，表明在这个物种内存在一 种非特异性的金属脱毒机制。f i e l d e r ( 1 9 8 5 ) 研究了l i l i a e e a e e 科c a l o c h o r u s 属的 重金属富集特性，得出这样一个结论：c a l o c h o r u s 属的植物具有先天耐性，可以 耐受较高浓度的n i 、c o 和c u 。同时研究表明zc a r e u l e s e n c e s 采d a h a l l e r i 对z n 富集 是先天特性。野外调查发现，生长在正常土壤的非污染型植物体内z n 含量相当 高，虽然低于超富集标准，但远高于同生境的非富集植物，对z n 的富集系数甚 至高达1 0 0 0 ( r e e v e se t a ，2 0 0 1 ；b e r te t a l ，2 0 0 2 ；m o l i t o r e t a l ，2 0 0 5 ) ；水培或土 培实验结果表明，在没有受到伤害的z n 浓度下，非污染种群富集z n 的量高于相 同条件下的污染种群( m a e n a i re la 1 ，2 0 0 2 ) 。同样也发现蜈蚣草对触有先天富集 特性( m e h a r g e ta ，2 0 0 2 ；王宏斌，2 0 0 5 ) 以及风尾蕨属植物对舡有先天富集性 ( z h a oe ta 1 ，2 0 0 2 ；w a n ge ta 1 ，2 0 0 6 ) 。但是在对z n 超富集的水平上，超富集植物 的种群生态型间有基于遗传水平上的数量差异。超富集植物对c d 、n i 的富集是 一种适应性机制，生态型种群间的富集能力是截然不同的，污染型( 矿山型或 蛇纹岩型) 的富集能力显著高于非污染型( a s s u n 婶t oe ta ，2 0 0 3 ；y a n ge ta ， 2 0 0 3 ) 。东南景天对z n 、c d 、p b 的富集不是先天特性，野外、水培和土培实验都 显示污染种群z n 富集量显著高于非污染种群( y a n ge ta ，2 0 0 6 ；d e i l ge ta l ， 2 0 0 6 ) ，并且矿山生态型中的湖南种群对z n c d 超富集能力比浙江种群低( d e n ge 讲2 0 0 6 ) 。 1 2 植物抗重金属污染进化的研究方法 总体上看，抗污染进化研究的历史不足5 0 年。2 0 世纪5 0 年代，f o r d 和 k e t t l e w e l l 首先对英国矿山“工业黑化现象进行了研究，开辟了抗性分化进化 研究之先河。但由于认识和研究手段的局限性，直到2 0 世纪8 0 年代分子生物学 技术日臻完善，相关分化进化研究才得以广泛开展，人们对污染效应的认识才转 移到污染对生物的进化效应。通过比较国内外抗污染进化研究资料可看出，对抗 性分化进化研究主要有3 个层次：外部数量性状分化研究，蛋白质多态性研究， 分子水平上的基因、d n a 、r n a 序列多态性研究。 目前直接从核酸水平进行植物抗性进化研究尚少见报道，然而此研究已引起 第l 章前言 了国内外众多学者高度重视。一般认为植物抗性分化进化具有可遗传性并表现出 明显的数量遗传特性。b r a d s h a w ( 1 9 8 4 ) 首先对金属抗性种群的建立发展及有关 生态