（环境科学专业论文）超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究.pdf

摘要 离子及代谢抑制剂对c d 吸收的影响，结果表明长柔毛委陵菜对c d 的吸 收在短时间内以质外体结合尤其是细胞壁沉淀为主，而在此后的吸收则是 需要载体和代谢能量的主动过程；c d 进入长柔毛委陵菜根细胞的跨膜吸 收可能是通过c a 通道和f e 载体进行，而在木质部装载过程中则可能与 z n 共用同一载体且存在协同关系。 ( 2 ) 通过电子显微镜技术、x 射线能谱技术、组织化学技术、荧光探针技术等 手段研究了c d 和z n 在组织水平、细胞水平及亚细胞水平的分布情况。 结果表明，长柔毛委陵菜和滇苦菜根部的c d 和z n 主要分布在表皮、皮 层、内皮层、木质部薄壁细胞及导管等部位，而且主要存在于质外体，尤 其是细胞壁中。在长柔毛委陵菜叶片中，当重金属c d 和z n 的处理浓度 在植物耐受范围内( z n 1 6 0 m gl - 1 、c d ：5 2 0 m gl - 1 ) 时，c d 和z n 表现出 相似的空间分布特征，即优先富集在生理活性较弱的维管束鞘细胞、上下 表皮细胞以及表皮附属物如腺毛等部位，同时也倾向于随叶脉水分运输至 叶缘富集起来。但是，当重金属的处理浓度超出长柔毛委陵菜的耐受范围 ( c d = 4 0 m gl - 1 处理) 后，除了表皮细胞和维管束鞘外，大量的c d 进入 叶肉细胞，而这可能也正是引起植物毒性的直接原因。在亚细胞水平，叶 片中的c d 和z n 主要分布在液泡中，包括上下表皮细胞、维管束鞘细胞， 甚至是高浓度处理下叶肉细胞，而在细胞壁中则很少，细胞质中也未发现。 滇苦菜叶片中c d 的分布与长柔毛委陵菜类似。 ( 3 ) 通过酶解法分离得到了滇苦菜的叶肉原生质体，并利用荧光探针技术研究 了原生质体对c d 的耐性以及实时动态吸收过程。结果发现滇苦菜对c d 的耐性不但表现在整体植株水平，而且也表现在细胞水平。在c d 胁迫下， 滇苦菜叶肉组织中大部分细胞可以避免吸收c d ，而只有一小部分细胞通 过f e 和m n 载体吸收c d ，并且这些吸收的c d 可以快速、有效地从细胞 质转运到液泡中储存起来。结合叶片中c d 的分布特征，推测这些过程可 能是滇苦菜细胞水平甚至组织和植株水平对c d 具有高耐性的重要生理原 因。 关键词：长柔毛委陵菜，滇苦菜，镉，超富集，吸收，分布 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苫菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 p h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m so fc a d m i u mu p t a k e ， t r a n s p o r ta n d d i s t r i b u t i o ni nh y p e r a c c u m u l a t o r p o t e n t i l l ag r i f f i t h i ia n dp i c r i sd i v a r i c a t a m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：h up e n g ji e s u p e r v i s o r ：p r o f q i ur o n g l i a n g a b s t r a c t h e a v ym e t a lp o l l u t i o nw h i c hi sc a u s e db ym i n i n g ，m e t a ls m e l t i n g ，a u t o m o b i l e e x h a u s te m i s s i o n s ，a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o na c t i v i t i e s , h a s b e c o m eas e r i o u s e n v i r o n m e n t a li s s u eo fg l o b a l c o n c e r n r e c e n t l y , t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s ei n r e s e a r c he f f o r t so nt h eu s eo fh i g h e rp l a n t s p a r t i c u l a r l yh y p e r c u m u l a t o r st o p h y t o r e m e d i a t eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l s t h i st e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e da s ac o s t - e f f e c t i v e ，e n v i r o n m e n t a l l ys u s t a i n a b l ea n di ns i t ur e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yf o r h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds i t e s t oo p t i m i z et h ep o t e n t i a lu 8 eo ft h e s e h y p e r a c c u m u l a t o r sf o rp h y t o r e m e d i a t i o n , ab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h eb a s i c p h y s i o l o g i c a l ，b i o c h e m i c a l ，a n dm o l e c u l a rm e c h a n i s m so fm e t a lh y p e r a c c u m u l a t i o ni s n e c e s s a r y i nt h ep a s td e c a d e s ，m a n yp r o g r e s s e sh a v e b e e nm a d eo nt h em e c h a n i s m s o fm e t a lt o l e r a n c ea n d h y p e r a c c u m u l a t i o n , i np a r t i c u l a r , b yu s i n gt h ew e l l k n o w nz n a n dc dh y p e r a c c u m u l a t o rt h l a s p ic a e r u l e s c e n sa n da r a b i d o p s i sh a l l e r i h o w e v e r , t h e s em e c h a n i s m sa r ed e p e n d e n to np l a n ts p e c i e sa n dm e t a l s t h e r e f o r e ，t h ed e t a i l e d p h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m sf o rh e a v ym e t a lt o l e r a n c ea n dh y p e r c u m u l a t i o na r es t i l l p a r t i a l l yu n d e r s t o o d ，e s p e c i a l l yf o rc d i nt h i st h e s i s ，c dt o l e r a n c e ，a c c u m u l a t i o n , d i s t r i b u t i o na n d t r a n s p o r tp a t h w a y si n i n a b s t r a c t h y p e r a c c u m u l a t o rp o t e n t i l l ag r i f f i t h i ia n dp i c r i sd i v a r i c a t aw e r es t u d i e dv i af i e l d i n v e s t i g a t i o n ，h y d r o p o n i cc u l t u r ea n dp o tc u l t u r e f u r t h e r m o r e ，c da n dz nd i s t r i b u t i o n a tt i s s u e c e l l u l a ra n ds u b c e l l u l a rl e v e l sw a si n v e s t i g a t e dw i t l ls e v e r a lm e t h o d ss u c h 器 e l e c t r o nm i c r o s c o p y , e n e r g yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o m e t r y , h i s t o c h e m i c a lm e t h o d ， f l u o r e s c e n c ep r o b e b e s i d e s ，t h ec e l l u l a rt o l e r a n c ea n dr e a lt i m eu p t a k eo fc dw e r e s t u d i e do nl e a fp r o t o p l a s mo f 卫d i v a r i c a t a t h em a j o rr e s u l t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) pg r i 够t h i ih a sah i 曲a b i l i t yt ot o l e r a t ea n da c c u m u l a t ec di n n a t u r a l c o n d i t i o n ，h y d r o p o n i cc u l t u r es y s t e ma sw e l la sp o tc u l t u r es y s t e m ，i n d i c a t i n g t h a ti tc a l lb ec o n s i d e r e dn o to n l y 弱z nb u ta l s oa sap o t e n t i a lc a d m i u m h y p e r a c c u m u l a t o r f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，b i v a l e n tc a t i o n s a n dm e t a b o l i ci n h i b i t o ro nc du p t a k ea n dt r a n s p o r tw e r ec o n d u c t e di n h y d r o p o n i cc u l t u r e t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tc du p t a k ei nr o o t so fp g r i f f i t h i iw a sp r e d o m i n a t e db ya p o p l a s t i cb i n d i n gp a r t i c u l a r l yb yc e l lw e l l d e p o s i ti nas h o r t - t i m eu p t a k ek i n e t i ce x p e r i m e n t ，w h i l et h ef u r t h e ru p t a k ei n al o n g e r - t i m ee x p e r i m e n tw a sc o n s i d e r e dt ob eat r a n s p o r t e r - m e d i a t e da n d e n e r g y d e p e n d e n tp r o c e s s b e s i d e s ，i tw a ss u g g e s t e dt h a tc dt r a n s m e m b r a n e u p t a k eb yr o o tc e l l sw a sv i ac ac h a n n e la n d o rf et r a n s p o r t e r , w h i l ec dm a y b et r a n s p o r t e dt h r o u g hz nt r a n s p o r t e rd u r i n gx y l e ml o a d i n ga n dt h e ys h o w e d s y n e r g i s t i cp a t t e r n ( 2 ) c da n dz nd i s t r i b u t i o n a t t i s s u e ，c e l l u l a ra n ds u b c e l l u l a rl e v e l sw a s i n v e s t i g a t e db ys e v e r a lm e t h o d ss u c h 嬲e l e c t r o nm i c r o s c o p y , e n e r g y d i s p e r s i v ex - r a ys p e c t r o m e t r y , h i s t o c h e m i c a lm e t h o d , f l u o r e s c e n c ep r o b e t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a ti nr o o t so ft h e s et w op l a n t s ，c da n dz nm a i n l y d i s t r i b u t e da l o n gt h ew a l l so fe p i d e r m i s ，c o r t e x ，e n d o d e r m i s ，s o m ex y l e m p a r e n c h y m aa n dv e s s e l s i nl e a v e so fpg r i f f i t h mc da n dz ns h a r e dt h e s i m i l a rd i s t r i b u t i o np a t t e r nt h a tb o n lw e r em o s t l ya c c u m u l a t e di ne p i d e r m i s , b u n d l es h e a t ha n de p i d e r m a la p p e n d a g e ss u c h 嬲g l a n d u l a rh a i rb u tk e p tl o w i v 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 c o n t e n to ra b s e n tf r o mm e s o p h y l lw h e nt h ee x t e r n a lm e t a lt r e a t m e n t sw a s w i t h i nt h et o l e r a n tt h r e s h o l do fp l a n t ( e g z n _ 16 0 m gl 一1a n dc d _ 2 0 m gl - 1 i nt h i ss t u d y ) a d d i t i o n a l l y , c da n dz nt e n d e dt ob et r a n s p o r t e dw i t hw a t e r t r a n s p i r a t i o ni nv a s c u l a rb u n d l ea n dw e r ea c c u m u l a t e di nt h el e a fe d g e h o w e v e lo n c et h ee x t e r n a lh e a v ym e t a l se x c e e d e dt h et o l e r a n tt h r e s h o l d ( e g c d = 4 0 m gl - 1i nt h i ss t u d y ) ，t h e yw o u l db et r a n s p o r t e dt om e s o p h y l lc e l l s w h i c hr e s u l t e di np h y t o t o x i c i t y a tt h es u b c e l l u l a rl e v e l ，t h em a j o rs t o r a g e s i t ef o rc da n dz ni nl e a v e so fpg r i f f i t h i iw a sv a c u o l e s ，t oal e s s e re x t e n t c e l lw a l lo rc y t o s 0 1 c dd i s t r i b u t i o np a a e mi npd i v a r i c a t aw a ss i m i l a rt o t h a ti np g r i f f i t h i i ( 3 ) m e s o p h y l l i cp r o t o p l a s t sw e r ei s o l a t e df r o ml e a v e so fpd i v a r i c a t aa n dc d t o l e r a n c ea n dr e a lt i m eu p t a k ew e r ec o n d u c t e da tt h ec e l l u l a rl e v e l t h e r e s u l t ss u g g e s t e dt h a th i g hc dt o l e r a n c em e c h a n i s m se x i s ta tt h ec e l l u l a r l e v e la sw e l la st h ew h o l ep l a n tl e v e l w h e ns t r e s s e db yc dt r e a t m e n t s ，t h e m a j o r i t yo fm e s o p h y l l i cc e l l st e n dt op r e v e n tc du p t a k ew h i l eo n l yaf e w a c c u m u l a t ei tv i at h ef ea n d o rm nt r a n s p o r t e r s m o r e o v e r , i nt h o s e a c c u m u l a t i n gp r o t o p l a s t s ，t h ea c c u m u l a t e dc di sa b l et ob eq u i c k l ya n d e f f i c i e n t l yt r a n s p o r t e df r o mt h ec y t o p l a s mi n t ot h ev a c u o l e c o m b i n e d 、砘t l l c dd i s t r i b u t i o np a t t e mi nl e a v e s ，w ec o n c l u d et h a tt h e s ep h y s i o l o g i c a l p r o c e s s e sm a yp l a yi m p o r t a n tr o l e si nh i g hc d t o l e r a n c eb o t ha 毫c e l l u l a rl e v e l a n dt i s s u el e v e le v e na tt h ew h o l e - p l a n tl e v e li nh y p e r a c c u m u l a t o rp d i v a r i c a t a k e yw o r d s ：c a d m i u m ，d i s t r i b u t i o n , h y p e r a c c u m u l a t i o n , p i c r i sd i v a r i c a t a ， p o t e n t i l l ag r i f f i t h i i ，u p t a k e v 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 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 法律缉果由本人承担。 学位论文作者签名：棚哟盔 w f 1 7 年只占日 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。 学位论文储鲐稍，蛙锄鲐瞰 p 。年刍r6 日 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 第1 章绪论 1 1 土壤重金属污染与植物修复 1 1 1 土壤重金属污染现状 近几十年来，随着工农业生产的快速发展，尤其是矿产开发、污水灌溉以及 农药、除草剂和化肥的使用，使水体、土壤、大气受到严重的重金属污染。据统 计，目前人类活动引起的铅( p b ) 、镉( c d ) 释放量是自然释放量的1 2 倍和5 倍，其它重金属元素的释放量也超过自然释放量或与自然释放量持平( n r i a g u , 1 9 9 1 ) ，例如全世界平均每年排放汞( h g ) 约1 5 万吨、铜( c u ) 约3 4 0 万吨、 p b5 0 0 万吨、锰( m n ) 1 5 0 0 万吨、镍( n i ) 1 0 0 万吨( e h r l i c h , 1 9 9 3 ) 。重金 属的大量排放，使人类赖以生存的自然环境受到严重威胁。以我国为例，目前受 污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占耕地总面积的1 5 ( 王先进，1 9 9 7 ) ，其中 污水灌溉的农田面积已达3 3 0 多万h m 2 ；截至2 0 0 1 年，全国矿区累计被破坏的 土地面积达2 8 8 万h n 1 2 ，并且每年以大约4 6 7 万h m 2 的速度增长，而其中重金 属是主要的污染物之一( 黄铭洪等，2 0 0 3 ) 。由于土壤重金属污染每年减少的粮食 产量高达1 0 0 0 万吨，另有1 2 0 0 万吨粮食受污染而超标，两者的直接经济损失达 2 0 0 多亿元( 林强，2 0 0 4 ) 重金属如c d 、p b 、z n 、c u 、h g 、n i 被美国环保署( e p a ) 列为了有毒的 首要污染物( n p 对，1 9 9 5 ) 。由于重金属在土壤中不能直接被降解，其存在直接 影响到食品安全和人体健康。例如c d 在环境中性质稳定，且极易被植物根系吸 收累积，并进一步通过食物链富积对人类健康产生威胁。长期摄入c d 会影响钙 和磷的代谢，引起肾、骨和肝的病理变化，诱发骨质疏松、骨软化和肾结石等疾 病，较为典型严重的是2 0 世纪6 0 年代末在日本富山县神通川流域发现了“骨痛 病一( a s a m ie ta 1 ，1 9 8 1 ) 。因此，对于重金属污染土壤的治理问题已受到了全 第1 章绪论 世界的广泛关注。 目前关于重金属污染土壤的治理方法有很多，可以概括为物理法、化学法、 和生物物法。传统的物理、化学方法如客土法、化学淋洗、化学固定等，成效比 较快，已被成功用于土壤重金属修复，但这些方法成本都非常高，而且还可能导 致二次污染。c h a n e y 在1 9 8 3 年提出了植物修复的概念，即利用自然生长植物来 清除土壤污染物，这个概念一经提出，便受到了全球科学家的广泛关注( c h a n c y e t a l 1 9 8 3 ) 。 1 1 2 植物修复技术 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是一种利用自然生长植物或遗传培育植物修 复重金属土壤污染技术的总称( c h a n c y e ta 1 ，1 9 8 3 ；s a l te ta 1 ，1 9 9 5 ) 。根据重金 属污染土壤的植物修复技术的作用过程和机理，该技术可分为以下几种类型( s a l t e ta 1 ，19 9 5 ；c h a n e y , 19 9 7 ；a l e x a n d e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ：植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 、 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 、植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 、根际过滤 ( r h i z o f i l t r a t i o n ) 。对于重金属污染土壤的修复，目前最为关注的植物提取技术。 植物提取是指利用重金属超富集植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并将其转 移、贮存到地上部分，随后收割地上部分并集中处理，连续种植这种植物，即可 使土壤中重金属含量降低到可接受水平。 “超富集植物 由b r o o k s 等人( 1 9 7 7 ) 首次提出，它特指某些生长定居于 重金属污染土壤并对重金属具有很强耐性和富集作用的植物，其植株地上部对重 金属的累积能够达到普通非富集植物的1 0 0 倍。目前，报道的重金属超富集植物 有近5 0 0 多种( b r o o k se ta 1 ，1 9 9 8 ；v e r b r u g g e ne ta 1 ，2 0 0 9 ) ，大多为重金属n i 的 超富集植物，z n 超富集植物有2 0 种左右，c d 的超富集植物有7 种。t h l a s p i c a e r u l e s c e n s 是第一个确认的c d 超富集植物( r o b i n s o ne ta 1 1 9 9 8 ) ，尤其是 g a n g e s 生态型，其地上部可富集超过1 0 0 0 0 m gk g 1 ( 干重) 的c d ( l o m b i e ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。继t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 之后，其它植物也陆续被确定为c d 超富集植物， 包括a r a b i d o p s i sh a l l e r i ( k t i p p e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 、v i o l ab a o s h a n e n s 括( 宝山堇菜) ( 刘 威等，2 0 0 3 ) 、s e d u ma l f r e d i i ( 东南景天) ( y a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 、s a l s o l ak a l i ( r o s a d 2 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 a 1 ，2 0 0 4 ) 、s o l a n u mn i g r u m ( 龙葵) ( 魏树和等，2 0 0 4 ) 及a r a b i s g e n m m i f e r a ( k u b o t a a n dt a k e n a k a , 2 0 0 3 ) ，其中7 = c a e r u l e s c e n s 、a h a l l e r i 、a l f r e d i i 及a g e n m m i f e r a 同时也是重金属z n 的超富集植物。超富集能够耐受并富集高浓度的重金属，可 能与其特有的生理机制有关，而了解这些内在的生理机制则是植物技术得以成功 应用的基础。 1 2 超富集植物对c d 的吸收、分布、解毒机理 与普通植物相比，超富集植物可以从根际吸收大量重金属，并将其有效地运 输和积累到地上部，同时还可以保持正常的生长状况，这暗示超富集植物存在一 套特殊的生理调节机制。目前，一般认为超富集植物对重金属的吸收和解毒的过 程主要有以下几个方面：( 1 ) 根系吸收；( 2 ) 木质部装载；( 3 ) 木质部卸载与叶片细 胞吸收；( 4 ) 液泡的区室化；( 5 ) 络合解毒等等( v e r b r u g g e ne ta 1 ，2 0 0 9 ) 。 1 2 1 根对c d 的吸收机理 重金属要进入植物，最先接触到的是根细胞壁。l a s a te ta 1 ( 1 9 9 6 ) 发现z c a e r u l e s c e n s 和za r v e n s e 对z n 2 + 的吸收动力学分为两个阶段，开始是快速的线性 动力学阶段，随后是较缓慢的饱和吸附阶段，作者认为前者与根细胞壁吸附有关， 而后者与跨根细胞原生质膜有关。对于超富集植物zc a e r u l e s c e n s ，n e d e l k o s k a a n dd o r a n ( 2 0 0 0 ) 发现了短时间暴露下根部细胞壁的对c d 具有很强的截留作用。 k n p p e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 对a h a e r 含水冷冻组织中元素的分布研究发现，营养液中 生长的根中z n 和c d 富集在根表皮的细胞壁里，主要是因为磷酸锌和磷酸镉沉 淀。细胞壁主要由纤维素、果胶质、木质素等组成，具有丰富的负电荷位点，如 羧基、硫酸根、氨基等，这这些位点可以结合进入根表皮层和根毛皮层上的金属 离子，减少其跨膜运输和细胞原生质体内的浓度，减轻原生质体受到重金属的伤 害，使其有更充足的时间来启动防御机制，继而维持植物细胞的正常生理代谢 ( a l l e na n dj a r r e u ，19 8 9 ；k r a t o c h v i la n dv o l e s k y , l9 9 8 ) 。 重金属透过细胞壁后即会接触到细胞膜，在载体蛋白或通道蛋白的作用下跨 第l 章绪论 过细胞膜，进入共质体途径运输。关于超富集植物对c d 跨膜吸收机理研究，主 要是研究c d 通过何种途径进行跨膜运输，是主动运输还是被动扩散，是通过某 种营养元素的通道或载体运输，还是存在特异性的c d 载体。目前，研究最多的 超富集植物材料是zc a e r u l e s c e n s ，另外还有a h a l l e r i 、印度芥菜等。研究的方 法主要有各种共存离子对长时间c d 吸收转运的影响、对短时间c d 内流动力学 参数的影响，还有从遗传学特征、基因水平等角度来论证c d 的吸收机理。但迄 今为止，有关超富集植物对c d 的吸收机理尚没有定论，甚至有完全相反的结论。 一般认为植物对c d 的吸收是通过c a m g 阳离子或z n c u f e 载体进行( w e l c h a n dn o r v e l l ，1 9 9 9 ) 。c d 和z n 同属于z n 分族，两者具有相似电子层结构( b a k e r e ta 1 ，1 9 9 4 ) 。z n 和c d 在根部吸收过程的竞争作用在非超富集植物如小麦( h a r t e ta 1 ，2 0 0 2 ) 和大豆( c a t a l d oe ta 1 ，1 9 8 3 ) 等植物中都有过报导，这可以解释为 z n c d 竞争载体蛋白重金属结合点位。现今发现的c d 超富集植物如z c a e r u l e s c e n s 、a h a l l e r i 、sa l f r e d i i 等同时都是z n 的超富集植物，因此许多研究 者认为c d 和z n 存在共同的吸收转运机制。研究发现，z n 的存在会抑制z = c a e r u l e s c e n s 对c d 吸收( l o m b ie ta 1 ，2 0 0 0 ，2 0 01 ) ；z h a oe ta 1 ( 2 0 0 6 ) 证明彳 口， 中z n 的存在抑制短时间( 2 0 m i n ) 1 0 9 c d 的吸收，消除了低浓度范围1 0 9 c d 吸收 的饱和部分，而且在长时间( 3 周) 实验中，外界z n 浓度的增加降低了c d 在根 部和地上部的积累、降低了c d 从根部向地上部的转运，同时减轻了c d 对植株 的毒性。b e r te ta 1 ( 2 0 0 3 ) 发现a h a l l e r i 对c d 和z n 的富集呈正相关，说明至少 在一定程度上两者的吸收是通过相同载体或由共同调节机制控制。c o s i oe ta 1 ( 2 0 0 4 ) 通过z n 和c d 转运的竞争关系说明c d 在zc a e r u l e s c e n s 叶片中是通过z n 载体转运的，l o m b ie ta 1 ( 2 0 0 1 ) 在两种生态型zc a e r u l e s c e n s 根部重金属转运参 数的研究也有相似结论。 但zc a e r u l e s c e n s 不论在溶液中还是土壤中都能同时富集高浓度z n 和c d ， 说明与非超富集植物相比，超富集植物存在不同的或改变的竞争性离子相互作用 ( p a p o y a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。由于发现zc a e r u l e s c e n s 的p m y o n 和g a n g e s 两种种群 对c d 吸收存在显著差异，说明这两个种群对z n c d 的吸收富集可能不同( l o m b i e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。z h a oe ta 1 ( 2 0 0 2 ) 证明z n 抑制了p r a y o n 对c d 的吸收，但未抑制 4 超富集植物长柔毛委陵菜和滇苦菜对镉的吸收、转运及分布机制研究 g a n g e s 对c d 吸收，而且其它元素包括f e 、m n 、c u 、c o 、n i 等都没有抑制g a n g e s 对c d 吸收，这使学者们认为，p r a y o n 中z n 和c d 是通过同一载体转运，而c d 在g a n g e s 中通过单独载体进行。许多学者进一步从基因水平来研究超富集植物 对c d 的吸收机理。从7 = c a e r u l e s c e n s 的p r a y o n 种群中克隆的z n 载体z n t l ，属 于z i p 家族，在酵母中表达可以介导高亲和性z n 和低亲和c d 的吸收( p e n c ee ta 1 2 0 0 0 ) 。 除了c d 和z n 的关系之外，c d 和f e 的关系是近年来研究的又一重点。l o m b i e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 研究发现zc a e r u l e s c e n s 的g a n g e s 种群对c d 吸收系统可能与f e 吸 收系统有关，因为f e 缺乏显著增加了g a n g e s 种群对c d 的吸收。c d 吸收的浓度 动力学表明，f e 缺乏的g a n g e s 中c d 的v m 是f e 充足g a n g e s 的3 倍，而p r a y o n 中f e 缺乏没有显著提高c d 的v m 。长短期实验都表明，只有g a n g e s 生态型中 f e 缺乏提高了c d 内流。两种生态型的f e 状况对z n 吸收无影响，这与基因表达 研究结果一致，即不同f e 处理或不同生态型下z n t i gm r n a 的丰富度一样。 但f e 缺乏时仅有g a n g e s 根部的t c l r t i - gm r n a 丰度升高。f e 缺乏刺激g a n g e s 生态型对c d 吸收，可能与f e l i 基因t c i r t l g 的上调表达有关。z h a oe ta 1 ( 2 0 0 6 ) 研究表明植物z n 和f e 供应状况对c d z n 的调节吸收是明显不同的，低z n 上调 6 5 z i l 的吸收，而只有f e 缺乏才上调1 吒d 吸收，这与p e n c ee ta 1 ( 2 0 0 0 ) 报导的 低z n 下z n 载体基因的上调表达促进z n 吸收的结果一致。低z n 未促进c d 吸 收可能是因为随后的溶液中存在相同摩尔数的z n ，竞争超过了上调表达的c d 载体。相比而言，f e 缺乏导致f e 载体基因( 如i r t l ) 的表达可以介导高亲和 c d 吸收( e i d ee ta 1 ，19 9 6 ；k o r s h u n o v ae ta 1 ，19 9 9 ；c o n n o l l ye ta 1 ，2 0 0 2 ；l o m b ie t a 1 ，2 0 0 2 ；v e r te ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 以上说明，不同的超富集植物对c d 的吸收可能不同，同种超富集植物的不 同种群间c d 的吸收也可能存在差异。那么这些差异之间是否存在比较统一的解 释，还有待更深入的研究。 1 2 2c d 在木质部的装载 非富集植物倾向于将吸收的金属分布在根部，与此相反，超富集植物则可以 5 第1 章绪论 将吸收的重金属大部分都转运到地上部。生理研究表明，根木质部装载可能是控 制其对z n 和c d 超富集能力的关键因素( l a s a te ta 1 ，1 9 9 6 ，1 9 9 8 ；p a p o y a na n d k o c h i a n ，2 0 0 4 ；p a p o y a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。研究表明，与非富集植物za r v e n s e 相比， zc a e r u l e s c e n s 不但根细胞对z n 的吸收速率要高，而且木质部汁液中z n 的浓度 要高出好几倍( l a s a te ta 1 ，1 9 9 6 ) 。同样，富集型东南景天将c d 从根向地上部的 转运速率是非富集型东南景天的1 0 倍以上( l ue ta 1 ，2 0 0 8 ) 。深入研究发现富集 型东南景天根部c d 优先分布到中柱里，同时富集型的木质部汁液中c d 的浓度 要高出3 5 倍，而非富集型则不同。因此推测高效的c d 木质部装载过程是富集 型东南景天中c d 能快速转移到地上部的原因。 目前关于c d 在超富集植物木质部装载过程的生理机制目前的了解还很少。 p a p o y a n e ta 1 ( 2 0 0 7 ) 研究了不同z n 和c d 供应状况对zc a e r u l e s c e n s 地上部富集 重金属的影响，发现高z n 处理可以显著提高植物地上部c d 的富集，反之亦然。 作者推测zc a e r u l e s c e n s 中z n 和c d 在木质部的装载过程中可能共用了一个选择 性不强的载体，而且高z n 和高c d 处理都会提高这个载体的表达，继而促进了 对方向地上部的转运。 目前发现的参与c d 在超富集植物木质部装载的基因仅有h m a 4 。h m a 4 基 因编码p l b - 型a t p 转运蛋白，该载体在拟南芥中对z n 和c d 向地上部的转运起 关键作用，这可能是由于其参与了木质部薄壁细胞中的z n 和c d 向导管的转运 ( m i l l se ta 1 ，2 0 0 3 ；h u s s a i ne ta 1 ，2 0 0 4 ；v e r r e te ta 1 ，2 0 0 4 ；m i l l se ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 b e r n a r de ta 1 ( 2 0 0 4 ) 和p a p o y a na n dk o e h i a n ( 2 0 0 4 ) 从zc a e r u l e s c e n s 克隆到同源 的t c h m a 4 基因，其主要功能是将z n c d 等金属离子从维管束细胞转运到木质 部中，而且z n 缺乏及高z n 和高c d 处理都可以显著诱导p r a y o n 生态型根部 t c h m a 4 的表达。同样h m a 4 在么 口耽一也有高表达，而且主要通过保持根细 胞质中低浓度c d 来增强植物对c d 的耐性( c o u r b o te ta 1 ，2 0 0 7 ) 。但值得注意的 是，b e r n a r de ta 1 ( 2 0 0 4 ) 发现不同生态型zc a e r u l e s c e n s 之间t c h m a 4 的转录丰 度并无显著差异，x i n ge ta 1 ( 2 0 0 8 ) 也认为，不同生态型zc a e r u l e s c e n s 之间对 z n 和c d 转运能力的差异可能并不是因为h m a 4 表达的差异。而且不同z n 和 c d 浓度处理对t e h m a