近几年来,利用超积累植物修复重金属污染的土壤和水体的技术受到关注。本实验室前期研究中发现,生长在污染环境中的美洲商陆(Phytolacca americana)有很强的重金属积累能力,尤其是镉和锰。为研究美洲商陆是否具有特有的机制积累和抵抗高浓度的重金属胁迫,本论文采用湖南省湘西自治州矿区收集的美洲商陆种子,通过室内溶液培养,研究在镉、锰处理后植物的生理响应,并分析和比较其积累和耐性的生理机理,为植物修复在治理重金属污染土壤的实际应用方面提供理论依据。美洲商陆对锰的耐性高于镉。5μM镉处理对植物根系和叶片生物量有显著的抑制作用,但锰处理(≤10000μM)对生物量的没有抑制作用。镉、锰处理后,美洲商陆根系对叶片敏感；引起根系发生质膜过氧化的重金属处理浓度(5 gM镉,或10000gM锰)均低于叶片(50μM镉),所有浓度的锰处理均没有引起叶片质膜过氧化现象。镉处理后植物叶绿素a、b,类胡萝卜素和叶绿素a/b值均显著下降,而锰过量对各个光合色素含量和叶绿素a/b值没有显著影响。10000μM以下浓度锰处理诱导美洲商陆保护性热耗散功能,锰处理通过气孔因素抑制美洲商陆的光合效率；镉处理破坏光系统结构,引起净光合效率下降。美洲商陆对镉、锰的积累随时间均呈对数趋势增长,当处理到第12天时,根系和叶片中重金属含量趋于饱和。不同浓度的镉、锰处理15天后,根系镉含量是地上部的2.5-2.9倍；而锰更倾向于向地上部运输,显示出美洲商陆体内有不同的转运和积累镉、锰的机制。植物转运和积累重金属的效率与重金属离子在植物体内的结合配体密切相关。为分析比较美洲商陆积转运和累镉、锰配体的类型,测定了重金属处理后美洲商陆叶片和根系中重金属结合形态,分析镉、锰在美洲商陆体内的水溶态、酸溶态以及残渣态含量。发现根系中的镉、锰都以酸溶态为主(分别为55%、71%以上)；而叶片中水溶态镉、锰含量更高,分别占总含量的61%和73%以上。进一步分析各个可能的结合配体,包括磷、果胶、木质素、酚类物质、可溶性蛋白质、游离氨基酸、有机酸和非蛋白巯基(NPTs)等,在重金属处理后含量的变化。镉处理强烈诱导非蛋白巯基,尤其是植物螯合肽(PCs)含量的剧烈增加。镉处理后,根系和叶片PCs与可溶性镉比值分别为1.8-3.6和8.1-31.6。说明植物细胞内有足够量的PC合成并与镉离子结合,尤其是叶。相反,锰处理没有引起NPTs或PCs含量类似的变化。美洲商陆是草酸积累型植物,且草酸含量在锰处理后显著增加,叶片草酸含量到达酸溶态锰的3.7-8.6倍。以上结果显示,美洲商陆可能根据镉、锰本身对配体亲和特性的不同,采用不同的机制积累不同的重金属。为进一步说明PCs和有机酸分别在植物镉、锰积累中的作用,分别采用它们的生物合成前体和合成酶的抑制剂进行外源处理,观察这些物质的加入对美洲商陆生长和重金属积累的效应。外源施加PCs前体谷胱甘肽(GSH)预处理增加根系镉向地上部的转移；另一方面,植物体内GSH含量增加,能够结合更多的镉,降低镉的毒害,缓解了镉胁迫对植物的生长抑制。相对应的,加入GSH合成抑制剂BSO后,GSH合成受到抑制,镉胁迫伤害加重,并且镉的吸收和积累也受到抑制。该结果说明GSH和PCs在植物中镉的转运、积累和耐性中起重要作用。草酸在植物中有多种合成途径。单一草酸合成抑制剂的加入并不一定降低植物组织草酸含量；铵态氮对草酸合成抑制效果最明显。外源加入草酸及其前体之一抗坏血酸增加美洲商陆根系锰的积累但降低叶片中锰含量。另一方面,苹果酸和柠檬酸的加入增加叶片锰含量而降低根系锰含量。说明苹果酸和柠檬酸与锰的转运有关,而草酸是锰在美洲商陆体内的最终结合配体。通过以上实验发现美洲商陆对锰有很强的耐性,质外体环境在植物耐锰能力上有重要作用。论文中分析了锰过量后美洲商陆叶片质外体环境的响应,包括木质素沉积、叶片质外体过氧化物酶(POD)和漆酶的活性,和抗坏血酸氧化还原平衡的变化。美洲商陆对营养液中的锰有很强的积累和耐受能力,超过10000μM锰处理后,叶片没有发现褐色斑点的出现。锰处理显著增加木质素含量和质外体流出液(AWF)中漆酶的活性,催化木质素的沉积,消耗了可作为SPOD底物的酚类物质的量。该过程伴随着AWF中可溶性酚含量和可溶性过氧化物酶(SPOD)活性的平行下降。结果,减少的可溶性酚含量和POD活性降低了毒性中间产物的形成,避免锰毒害的产生。质外体抗坏血酸的氧化还原可能起到维持锰处理后质外体环境的还原势的作用。上述研究表明,美洲商陆根据镉、锰对配体的亲和性不同,采用不同的机制转运积累重金属。质外体漆酶催化的木质素沉积和POD活性的抑制,在美洲商陆耐受锰胁迫过程中有重要作用。