UVB对杨树镉富集及其耐性调控的生理和分子机制研究

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人类活动,既导致大量重金属经由多途径沉降至土壤,进而引发土壤重金属污染问题;又导致臭氧层被破坏,增加到达地面的UVB辐射量,从而严重影响动植物的生命活动。镉(Cd)污染是土壤重金属污染中,最棘手的问题之一。科学家青睐于应用植物修复技术治理Cd污染土壤。相较于草本,木本植物生物量大、根系发达,对修复重金属污染土壤有一定优势。而杨树更是木本中,速生、抗逆性强、首个进行全基因组测序的模式植物,并在Cd污染综合治理方面展现出修复潜力。有研究发现适量UVB辐射,能诱导植物的抗性机制。84K杨树(Populus alba×Populus glandulosa cv.?84K‘)既已完成全基因组测序,又具修复Cd污染土壤的潜力。当经适量UVB辐射处理时,84K杨树的抗性生理机制,能否以及如何被激活,其对Cd的富集、转运、耐受能力将受到何种影响,或许能为重金属修复提供新思路。本研究以84K杨树幼苗为试验材料,采取室内盆栽试验,模拟UVB预处理对杨树Cd转运、富集、耐受的影响及相关机制。试验设置3个处理组(UVB组、Cd组、UVB-Cd组)和1个对照组(CK组)。主要研究结果如下:(1)UVB、Cd胁迫均能抑制植物株高。本试验中的UVB剂量,尚未抑制生物量的积累;而Cd胁迫程度却显著抑制各组织鲜重的积累。与Cd组比,UVB-Cd组的株高净生长量明显受抑,但其生物量却无变化。(2)UVB、Cd胁迫均抑制植物光合能力。UVB-Cd组的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)指标,均为4组中的最低值,且较Cd组差异显著。UVB-Cd组植物光合受抑程度或许最强。气孔因素是叶片光合速率受限制的主要原因。(3)UVB、Cd处理显著抑制光合色素的产生。Cd胁迫(Cd组、UVB-Cd组)可能损坏叶片光合色素。UVB-Cd组与Cd组相比,在叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)浓度方面并无差异;仅在原花青素(OPC)含量方面有下降。(4)与Cd组比,UVB-Cd组植株抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性更低,而胁迫程度更强,又将导致其过氧化氢(H2O2)含量的显著飙升,从而诱导细胞内丙二醛(MDA)等有毒物质的显著增加,进而造成细胞膜受损、胞质外泄,引起相对电导率数值升高。(5)Cd的定位情况:Cd在根中大量富集,在茎中表皮、厚角组织、皮层、韧皮部、形成层均有分布,在叶中多集中于叶脉,少量分布于叶肉。与Cd组比,UVB-Cd组各器官的Cd分布密度均更高。(6)84K杨各组织的Cd浓度分布情况为:根>叶>茎,地下部分>地上部分。虽然,杨树的富集系数(BF)和转运系数(TF)均小于1;但其地上部分Cd浓度>100mg?kg-1。UVB-Cd组叶、茎、根中Cd浓度,均较Cd组有显著增加。(7)比之Cd组,在UVB-Cd组叶中,除F3H、MYB12、ABCC1、YSL、ZIP4、Ptr CAX-1、Ptr CAX-4基因显著上调,其余多数基因下调;而根中,除了MYB12、YSL基因显著下调,其余多数基因上调。杨树是通过多基因协同调控,以调节UVB辐射对杨树吸收Cd的机制。总之,84K杨树能作为修复土壤Cd污染时的候选木本植物。同时,UVB辐射预处理,能显著提高84K杨树对Cd的吸收、转运和积累能力。探究UVB对杨树富集和耐受Cd的生理及分子机制,将为环境中重金属污染的修复提供新思路和理论基础。
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