外源柠檬酸和草酸对镉胁迫下苎麻生理响应的影响研究

摘要

由冶炼等工业生产，灌溉、施肥等农业活动以及大气沉降等因素所引起的重金属镉(Cd)污染问题已日益受到广泛的关注，也是矿区污染治理和农业生产中粮食安全保障的重点。Cd具有高毒性、致癌变、致畸变、易富集迁移到生物体等特性，其在土壤和水体中长期存在，不仅对生态系统功能结构产生了极大的破坏作用，而且给粮食生产安全带来巨大的威胁，甚至通过食物链富集系统危及人类生命健康。当前，我国有近1/5（约2000万公顷）的耕地受重金属污染，其中镉污染耕地面积近1.33万公顷，范围涉及到11个省份25个地区。因此，Cd污染场地的治理和修复是关系土壤安全生产和高效利用以及生态恢复可持续发展的关键举措。
　　植物修复技术是一种新型、经济和绿色的修复技术。苎麻生长迅速、生物量大、分布范围广、适应能力强、经济附加值高的麻类作物，对重金属Cd有一定的忍耐能力，又具有很强的耐旱、耐贫瘠能力，是矿区修复的良好植物资源，在土壤和水体Cd污染修复及矿山废弃地的生态恢复中具有较高的应用价值和开发潜力。植物受到重金属逆境胁迫时为了适应胁迫环境的压力会自发产生一系列的响应，主要体现在形态学、生理生态学和分子水平上，并形成耐性机制。本文基于植物抗逆性生理学、生态毒理学、植物耐性机理等依据，利用导师研究团队发现的Cd耐性植物苎麻为研究对象，重金属Cd为目标污染源，在筛选出Cd的耐性品种后，进行Cd胁迫水平模拟实验，选取柠檬酸和草酸两种低分子量有机酸为外源添加物质，采用原子吸收分光光度计、紫外可见分光光度、酶标仪等分析仪器，定量研究不同Cd胁迫浓度下苎麻对根部Cd富集及其向茎叶的转运，深入探究苎麻应对不同Cd胁迫下植物生长、相对含水量、根系活力、光合生理、质膜氧化、蛋白质合成、抗氧化酶等方面的形态学及生理学适应机制，比较分析最高Cd胁迫浓度下两种不同浓度的柠檬酸和草酸分别对Cd暴露下植物吸收转运重金属以及重金属耐性生理生化响应的影响。为加快推进经济资源型植物苎麻在湖南省Cd污染农田高效利用及矿区生态恢复中的应用并提高修复效率提供基础性的理论思路。
　　主要研究结果发现如下:
　　水培条件下，大部分的重金属主要富集在植物根部，其含量大约是地上部分含量的9-10倍。随着介质中Cd胁迫浓度的增加，苎麻根部对Cd的吸收及从根部向上转运逐步提高，根部和茎叶Cd含量范围分别在268.0-374.4，25.2-41.2mgkg-1DW。低浓度的柠檬酸(1.5mM)作用对Cd的积累和运输作用效果尤为明显，根部吸收Cd的含量提高了27％，茎叶中的Cd含量增加了近1倍，转运效率与对照组相比也提高了62％。低浓度柠檬酸(3mM)组的转运效率则提高了66％。
　　镉逆境胁迫下，苎麻生物量较少，根系活力降低，对水分的吸收能力也相应减弱;叶片中叶绿素合成受到抑制，光合作用减弱;蛋白质合成水平下降，代谢活动受到影响;膜脂过氧化程度明显加大，给植物组织带来一定损伤;抗氧化酶中除了SOD活性升高外其余均呈下降趋势。与对照组的重金属逆境胁迫下植物生理生化方面的变化相比较，低浓度、高浓度的柠檬酸和草酸实验组的重金属毒性伤害症状略微有所缓解，主要体现在:植物生物量的增大，相对含水量的增加，根系活力的上升，叶绿色和类胡萝卜素含量的增加，根部和叶片中膜脂过氧化程度的减弱，蛋白质合成量的增多，各类抗氧化酶活性的升高等方面。其中，低浓度的柠檬酸(1.5mM)实验组各指标的变化趋势比其它实验组的更为灵敏，在镉胁迫植物引发的一系列生理生化变化及毒性危害症状的表现中发挥着极为重要的作用。外源柠檬酸和草酸可以在一定程度上促进植物对重金属的吸收和转运，并且通过与重金属形成螯合体的形式使得Cd毒害症状尤其是重金属胁迫引起的氧化性损伤得到缓解。由于柠檬酸对重金属的螯合能力较草酸强，柠檬酸对植物逆境生理伤害的缓解效果比草酸更好。
　　综上，结果表明外源柠檬酸和草酸与Cd形成金属螯合物不仅增加了植物体内Cd的移动性，促进了植物体内Cd的积累，而且还能够缓解Cd离子对植物体的毒害。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 重金属污染概况

1．1．1 重金属污染的现状

1．1．2 重金属污染的危害特征

1．1．3 重金属污染的防治技术

1．2 植物修复技术

1．2．1 植物修复技术研究进展

1．2．2 植物修复技术的优势与局限性

1．2．3 植物修复效率的强化措施

1．3 植物对重金属的吸收、转运及耐性机制

1．3．1 重金属对植物的毒性危害

1．3．2 植物对重金属的吸收和转运机制

1．3．3 植物对重金属胁迫的耐性及解毒机理

1．4 选题背景及研究意义

1．4．1 选题背景

1．4．2 研究目的

1．4．3 研究内容

第2章 外源有机酸对植物吸收转运重金属以及逆境生理伤害的作用

2．1 有机酸对重金属形态、有效性以及吸收转运的影响

2．2 有机酸对植物根系形态的影响

2．3 有机酸对植物Cd毒性效应的影响

2．4 有机酸对重金属危害耐受和解毒作用的影响

第3章 柠檬酸和草酸对苎麻吸收转运Cd的机制研究

3．1 前言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 主要实验试剂与仪器设备

3．2．2 水培营养液配备

3．2．3 耐性苎麻品种筛选

3．2．4 植物水培种植与有机酸的施加

3．2．5 植物组织重金属含量分析

3．2．6 数据处理与分析

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同Cd浓度下苎麻对Cd的吸收转运机制

3．3．2 柠檬酸和草酸对苎麻吸收转运Cd的影响

3．4 本章小结

第4章 柠檬酸和草酸对Cd胁迫下苎麻生理响应的影响研究

4．1 前言

4．2 重金属耐性生理分析

4．2．1 植物生物量分析与含水量测定

4．2．2 根系活力测定

4．2．3 叶绿素、类胡萝卜素含量测定

4．2．4 膜脂过氧化程度表示

4．2．5 可溶性蛋白质含量测定

4．2．6 主要抗氧化酶(SOD、POD、CAT)酶活分析

4．3 实验结果分析

4．3．1 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻生物量和含水量的影响

4．3．2 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻根系活力的影响

4．3．3 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻光合色素的影响

4．3．4 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻膜脂过氧化的影响

4．3．5 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻可溶性蛋白质的影响

4．3．6 Cd胁迫下柠檬酸和草酸对苎麻主要抗氧化酶的影响

4．4 机理讨论

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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