作物根系菲短距离运输特征与木质部装载机制研究

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多环芳烃(PAHs)具有强烈的“三致”效应,环境中的PAHs会通过食物链传递进入人体,进而对人类的健康造成危害,因此PAHs在土壤-植物中的迁移过程引起不少研究者的高度关注,其对农作物的污染也是人们研究的热点。然而,关于PAHs在作物根系的短距离运输特征与机制鲜有报道。本文以小麦、玉米、大豆和蓖麻为研究对象,通过水培实验研究了小麦、玉米和大豆根系质外体特征与根系菲运输的关系;玉米和大豆根系质外体与共质体菲吸收量的时间动态与浓度效应及其动力学和热力学过程;玉米、大豆、蓖麻在不同菲浓度处理下伤流液中菲浓度及pH变化;玉米和蓖麻伤流液中菲浓度的影响因素。本文旨在揭示作物根系PAHs短距离运输特征与机制,为保证农产品的安全生产和污染土壤的植物修复提供理论指导。论文的主要研究结果如下:(1)小麦、玉米和大豆根系的菲吸收量与各农作物质外体特征有关,不同苗龄的农作物,根系质外体阳离子交换量(CEC)会发生变化,随着根系质外体CEC交换量的增加,各农作物质外体和共质体菲吸收量均会增加;植物根系细胞壁作为一个复杂的动态结构,各组分含量会随着植物生长发育发生变化,三种作物根系质外体菲吸收量随着果胶和木质素的含量增加而减少,随着纤维素和半纤维素含量的增加而增加。(2)在15℃、25℃和35℃三个不同温度处理下,玉米和大豆根系质外体与共质体中菲吸收量随着处理时间的增加而增加,在0-8h内吸收速率较快,在8-36h内吸收速率会下降吸收量逐渐达到平缓;相同温度条件下,玉米和大豆根系质外体与共质体菲吸收量存在差异,且共质体菲吸收量大于质外体吸收量;不同温度条件下,同一作物对菲的吸收量在35℃处理达到最大值,15℃处理菲吸收量最小。两种作物根系质外体和共质体菲吸收量的时间动态符合Elovich方程,吸收过程所需活化能为正值,该过程吸热,且共质体所需活化能小于质外体。不同菲浓度处理下,玉米和大豆根系质外体与共质体菲吸收量随着菲浓度的增加而增加,且在介质中菲浓度较低时吸收速率较快;同一作物不同温度处理下,质外体与共质体菲吸收量大小为15℃处理<25℃处理<35℃处理。(3)主动运输参与了菲的木质部装载。玉米、大豆和蓖麻伤流液中菲浓度随着介质中菲浓度增加而增加,pH呈缓慢降低的趋势,且各浓度处理下pH低于对照组pH。PAHs在植物木质部的装载受代谢抑制剂、低温和溶解氧等影响。代谢抑制剂钒酸钠、低温和溶解氧都对伤流液中的菲浓度有抑制作用,在不同的菲浓度处理下,钒酸钠对伤流液中菲浓度的抑制率在19.80%-25.82%之间;而低温对伤流液中菲浓度的抑制作用因作物种类和菲浓度而异;低氧条件下,抑制率为20%左右。综上所述,作物根系PAHs的短距离运输受多种因素的影响,包括作物种类、温度、时间、PAHs浓度、抑制剂、溶解氧等,H+-ATPase参与了 PAHs自木质部薄壁细胞到导管的主动装载过程。
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