不同积累型苋菜镉吸收转运的生理机制研究

不同积累型苋菜镉吸收转运的生理机制研究在我国的土壤污染中,以重金属为代表的无机污染物中镉（Cd）为首要污染物。Cd污染不仅会引起土壤质量下降、土壤功能失调,还会损害植物的生长代谢。

Cd通过植物吸收而转移进入食物链危害人类健康。植物修复技术作为一种

成本低廉、环境扰动小的原位修复技术成为世界范围内关注的热点。

本研究比较不同积累型的两种苋菜Cd吸收转运特征差异性及Cd的细胞学分布规律。采用水培试验,添加代谢抑制剂来研究两种苋菜根系吸收Cd的主要途径。

采用非损伤微测技术（NMT）,进行植物活体动态测试,研究了两种苋菜根系Cd²⁺离子流特征,揭示苋菜吸收与转运Cd的生理机制。采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析技术（SEM-EDS）和透射电子显微镜技术（TEM）,在组织与细胞水平进行植物根和叶片Cd分布成像,通过两种苋菜Cd分布特征来揭示高积累型品种Tianxingmi耐受性强,高积累Cd的机理。

研究结果概括如下:1.不同Cd处理时间对两种苋菜Cd吸收与转运特征的影响。在30μmol/L CdCl₂处理1d后,高积累型品种Tianxingmi生物量达到最大值5.90g/plant,是低积累型品种Zibeixian生物量的二

倍;Tianxingmi根、茎和叶中Cd浓度分别为609 mg/kg、254mg/kg和62.3mg/kg,分别是Zibeixian的1.4倍、1.9倍和1.6倍,地上部和全株的Cd累积量分别高达602.0μg/plant、1308μg/plant;Tianxingmi富集系数（BCF）与转运系数（TF）分别为Zibeixian的2.1倍和1.5倍,这些结果两品种均表现出显著性差异

（P<0.05）。

2.不同Cd处理浓度对两种苋菜Cd吸收与转运特征的影响。除了60μmol/L CdCl₂处理之外,在7d的试验期内Tianxingmi生长良好并未出现中

毒症状。

当处理浓度为30μmol/L时,Tianxingmi根、茎和叶生物量最大,总生物量达3.69 g/plant,与对照组（CK）相比增加了42%（P<0.05）。当处理浓度增加到60μmol/L时,由于Cd的毒害作用导致Tianxingmi叶片生物量出现显著下降（P<0.05）;当处理浓度为5μmol/L时,Zibeixian各器官生物量最大,总生物量为2.35 g/plant。

当处理浓度高于5μmol/L时,Zibeixian生物量就已开始显著下降

（P<0.05）。植物各器官中Cd浓度随着营养液中CdCl₂处理浓度的增加而增加,根中Cd浓度最高。

生物量最大时,Tianxingmi根、茎和叶中Cd浓度分别为950mg/kg、305mg/kg 和205mg/kg,地上部和全株的Cd累积量分别高达736.3μg/plant、1344μ

g/plant;而Zibeixian根、茎和叶中Cd浓度分别为269mg/kg、62.9mg/kg和74.8mg/kg,地上部和全株的Cd累积量分别只有134.3μg/plant、260.7μ

g/plant。当处理浓度从10μmol/L继续增加时,我们发现Tianxingmi根、茎和叶中Cd浓度均有显著增加（P<0.01;P<0.05）,且转运系数（TF或S/R,即地上部重金属含量/根中重金属含量）都大于1;而Zibeixian只有根中Cd浓度显著增加（P<0.05）,茎和叶中Cd浓度基本保持不变。

3.非损伤微测技术（NMT）测定两种苋菜根系Cd²⁺离子流。通过扫描位点测定发现,距根尖0-300μm范围内两种苋菜根系Cd²⁺内流最强有力且差别最大,并在此做定点位点测定,结果表明Tianxingmi根系

Cd²⁺内流是Zibeixian根系Cd²⁺内流的3.75倍,说明了两品种的富集特征与NMT结果一致。

4.利用羰基氰化物间氯苯腙（CCCP）研究两种苋菜根系吸收Cd的主要途径及累积特征。添加代谢抑制剂处理显著降低了高积累型Tianxingmi各器官中的Cd浓度,富集系数（BCF）与转运系数（TF）,以及根系Cd²⁺内流（P<0.05）,但对低积累型Zibeixian的相关生理指标影响不大。

5.不同积累型两种苋菜Cd的细胞学分布。扫描电子显微镜结合X射线能谱分析（SEM-EDS）及透射电子显微镜（TEM）成像技术来研究两种苋菜Cd分布规律。

Tianxingmi Cd主要累积在表皮细胞、皮层细胞以及木质部导管中,而ZibeixianCd主要累积在表皮和外皮层细胞中。Tianxingmi根系中Cd的主要累积位置是质外体,特别是细胞间隙和细胞壁,Cd胁迫加重时,少部分进入根系皮

层细胞的大液泡中存储;低积累型Zibeixian根系中的Cd则主要累积在表皮和外皮层细胞内。

同时Tianxingmi叶片中Cd主要累积在表皮细胞的液泡中,超过其自身耐受限度时,才向叶肉细胞内累积。综上所述,两苋菜品种Cd吸收转运特征均表现出显著性差异。

Tianxingmi具有更强的Cd吸收和向地上部转运与累积能力,并且根系对Cd 的吸收与转运是主动需能的过程,共质体途径在Cd进入根系并向地上部运输的过程中起着主要作用。Tianxingmi比Zibeixian拥有更强的Cd耐受和累积能力。

两苋菜品种根系存在着不同的木质部装载调控系统,Tianxingmi根系Cd的分布规律和向地上部高效转运累积的关键在于共质体对Cd的迅速吸收和木质部的高效装载。根系Cd优先被细胞壁和细胞间隙滞留,相对较少的在表皮和皮层细胞的液泡中累积,是Tianxingmi Cd耐受性强的重要机理。

叶片中Cd优先在表皮细胞的大液泡中储存,减少在叶肉细胞中累积,保证光合作用正常进行,也是Tianxingmi重要的解毒机理。