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由于矿山开采、金属冶炼、汽车尾气排放和农业生产等活动不断加剧，重金属污染越来越严重，已成为深受全球关注的环境问题。土壤中过量的有毒重金属通过食物链进入人体，危害人类健康和安全。当今虽然植物修复土壤重金属污染的技术较多，其中植物修复技术因其廉价、环保等优点成为一项非常有发展前途的土壤重金属污染治理技术。筛选生物量大、生长迅速、地理分布广、适应性强的重金属耐性植物，并深入探讨植物的重金属抗性机理，是开展重金属污染土壤植物修复的关键科学问题。
通过对位于广东省大宝山矿区的植物和土壤进行一系列野外调查，发现长期生长在矿区的五节芒优势植物群落具有耐受重金属污染胁迫的能力，研究了重金属对五节芒植物群落分布格局及演替的影响。同时将野外调查和温室培养相结合，以不同种群五节芒为材料，综合运用透射电子显微镜技术、扫描电镜—X射线能谱技术、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、高速离心技术等分析手段较系统研究了五节芒的重金属耐性及镉富集特性及其可能的生理生态反应机制，取得的主要研究结果如下：
(1)采用TWINSPAN数量分类方法，将大宝山矿区植被划分为5个群落类型，五节芒群落为该区域的主要群落。典范对应分析CCA排序图明显反映出排序轴的生态意义，第一轴基本上突出反映了各植物群落所在环境的土壤重金属含量和土壤肥力状况，第二轴主要表现了各植物群落或植物种所在环境的土壤pH、含水率WET和海拔ALT变化。Spearman相关分析结果表明，样地的重金属Zn、Pb、Cu、Cd的含量与五节芒群落物种丰富度指数R、盖度以及植物多样性指数都呈极显著负相关(p<0.01)，表明大宝山矿区土壤重金属含量对五节芒植被形成的影响极其显著。本研究结果亦显示重金属含量不仅引起多样性的变化，而且是植物群落分布和演替的重要影响因素，禾本科的五节芒群落具有耐干旱、贫瘠和重金属胁迫等优点，能够形成优势群落，对尾矿库植被的重建和土壤改良有很大意义，值得进一步分析研究。
(2)随着重金属浓度的增加，五节芒根皮层细胞中质壁分离和原生质膜破坏加重，细胞器从较少直至完全溶解，细胞核变得更小，核仁分散，核膜断裂，染色质凝集，直至核膜完全溶解，核质和游离的核仁分散在细胞质中。根维管束细胞中，原生质膜和细胞器结构破坏加重。这些超微结构的改变给植物细胞造成了不可逆的损伤。五节芒根皮层细胞中，重金属重度污染时，核膜上出现黑色沉积，细胞质、原生质膜及导管侧壁上均有有黑色沉积。这一方面说明，重金属离子在植物细胞质、核膜和原生质膜中的大量积累加重了膜系统和细胞质中细胞器的损伤，另一方面也说明，重金属离子在植物细胞内区隔化可能是五节芒耐重金属的重要机制之一。
(3)五节芒两个种群叶片中可溶性蛋白含量随Cd胁迫浓度增加都呈先下降再升高的趋势，并且都低于对照。非矿区种群五节芒叶片中可溶性糖含量随Cd胁迫浓度增加先下降再上升，始终低于对照，矿区种群则是先上升再下降，始终高于对照。Cd胁迫会导致五节芒叶片MDA的积累，非矿区种群MDA积累的幅度要大于矿区种群。五节芒叶片中SOD的活性都被Cd胁迫抑制，POD活性都受到Cd胁迫的诱导比对照有所增加，但矿区种群增加的幅度要大于非矿区种群，矿区种群植株两种酶的活性在最高Cd处理浓度时都显著高于非矿区种群植株。随Cd处理浓度增大，非矿区种群五节芒叶片中PPO的活性呈先增加再下降的趋势，矿区种群则表现出不规则的变化，在最高浓度处理时活性要大于非矿区种群。
(4) Cd胁迫下五节芒两种群叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、叶绿素含量(Chl)都有不同幅度的下降；叶绿体超微结构遭到破坏。相对于抗性弱的非矿区种群，抗性强的矿区种群随Cd胁迫程度的加深，净光合速率下降较慢，叶绿体的外形及基粒结构受到的影响较小。Cd胁迫下五节芒两种群PsⅡ反应中心最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PsⅡ有效光化学效率Fv/Fm均降低。总体上抗性强的矿区种群降幅较小，PSⅡ利用光能的能力及PSⅡ的潜在活性均较强。PsⅡ光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)的变化表现为Cd胁迫下两种群qP值降低、NPQ值升高，总体上抗性强的矿区种群qP降低的幅度低且NPQ升高幅度大。随着Cd胁迫浓度增加，矿区种群实际光化学反应效率(ФPSⅡ)和电子传递速率(ETR)变化幅度不大，而非矿区种群显著下降，表明矿区种群PSⅡ反应中心电子传递活性受到的影响小，光合机构的损伤程度低。
(5)来源不同的两个五节芒种群植株对土壤中不同浓度的Cd的生长反应不同，低浓度Cd处理，非矿区种群的地上部生物量即受到显著影响，而矿区种群受到的影响不显著。Cd处理浓度提高时，矿区种群地上部生物量受到的影响较小，而非矿区种群显著降低。非矿区种群根部生物量随处理浓度的增加而降低，而矿区种群先升高后降低。随着Cd胁迫程度的加重，五节芒两种群转移系数和耐性指数都有不同程度的下降，矿区种群的转移系数和耐性指数明显高于非矿区种群。相关性分析发现，五节芒根部生物量与地上部生物量正相关性极显著，地上部生物量与根部和地上部Cd含量均呈极显著负相关关系，地上部Cd含量与根部Cd含量及TF均呈极显著正相关关系，耐性指数TI与根部和地上部Cd含量均呈极显著负相关关系，反映了根部和地上部Cd的累积对植物产生了毒性，并对五节芒的生长产生了抑制作用。
(6)五节芒两种群各部位的Cd主要富集在细胞壁和以液泡为主的可溶组分，叶绿体、细胞核和线粒体中的分布较少；两种群根、茎、叶的亚细胞各组分Cd含量的比例均表现为细胞壁组分(F1)>可溶组分(F4)>细胞核和叶绿体组分(F2)>线粒体组分(F3)的次序。Cd在五节芒矿区种群根、茎、叶中的含量均显著高于非矿区种群。提高Cd处理浓度，对于非矿区种群，Cd在细胞壁(F1)和可溶组分(F4)的分配比例下降，在细胞核和叶绿体组分(F2)与线粒体组分(F3)的分配比例上升；而对于矿区种群，Cd在细胞壁(F1)的分配比例上升，在可溶组分(F4)、细胞核和叶绿体组分(F2)与线粒体组分(F3)的分配比例下降，细胞壁对Cd的固持作用增强。五节芒两种群根中Cd的化学形态存在着明显差异：低Cd(5mg·L-1)处理下，矿区种群根中的Cd以水提取态、氯化钠提取态和醋酸提取态为主，其它形态所占比例较少；而非矿区种群根中的Cd以氯化钠提取态、水提取态和醋酸提取态所占比例较大。提高Cd处理浓度，矿区种群根中的氯化钠提取态为优势形态，所占比例提高到41.29％，水提取态所占比例也提高到38.25％，其他提取态所占比例均有不同幅度下降；而非矿区种群根中氯化钠提取态Cd含量比例下降到21.45％，各化学形态的分配比例上表现为平均化趋势。因此，细胞壁固持、可溶组分的液泡区隔化和向活性较弱的结合形态转移可能是五节芒矿区种群耐Cd的主要机制。