本课题组经过前期试验研究发现木本植物中的泡桐(Paulownia fortunei)耐锰性好,并通过改良剂筛选试验发现蘑菇渣是很好的改良剂,但蘑菇渣改良剂对泡桐耐锰机制的影响尚不清楚。本研究以泡桐为材料进行盆栽试验,研究不同浓度Mn胁迫下泡桐的响应机制;然后以锰矿渣为基质,蘑菇渣为改良剂进行盆栽试验,研究锰矿渣改良条件下泡桐的响应机制,旨在揭示改良锰矿渣下泡桐的耐性机理。研究结果主要分为以下两个部分:1.Mn胁迫下泡桐响应机制(1)泡桐属于锰高耐受性植物,可通过发达的根系固定Mn,使泡桐具有耐锰性。低浓度锰促进泡桐根系的生长,增强泡桐的耐锰性,维持细胞内一系列生命活动正常运行,使得泡桐可以正常生长发育,而高浓度锰抑制泡桐的生长发育。(2)泡桐在低Mn胁迫下,会提高SOD、CAT的活性清除体内自由基,缓解细胞受损,提高自身耐锰性;然而过量的Mn胁迫会抑制抗氧化酶活性,造成更严重的细胞损伤,抑制泡桐的生长发育。(3)细胞壁是固定Mn的重要部位,Mn在细胞壁组分的占比达39%-90%。并且Mn主要积累在泡桐根部,通过Mn与根部细胞壁组分螯合形成稳定的化合物,减少Mn向地上部的转运,降低Mn对茎、叶的毒害;随着Mn浓度的不断增加,根部由于高Mn胁迫导致细胞壁的固定能力下降,细胞器遭受Mn毒害加深。Mn在泡桐根、茎、叶中主要无机盐和氨基酸盐,果胶酸盐和蛋白质结合态的形式存在,共占57%-86%。随着Mn浓度的不断增加,Mn在植物细胞内的迁移性也随之增强,使得Mn毒害加深。(4)TEM试验分析表明,Mn胁迫造成泡桐根、茎、叶的细胞壁变形,细胞器模糊不清,特别是高Mn胁迫下细胞内部结构被严重破坏,影响细胞内的一系列生命活动的运行。FTIR分析表明,泡桐可通过增加细胞内-CH3、-COOH、N-H等官能团来结合Mn形成稳定的化合物,减少Mn毒害对细胞造成的损伤;然而高Mn胁迫下,细胞壁的固定能力减弱,Mn毒害加深抑制了泡桐的生长。2.蘑菇渣改良锰矿渣下泡桐的响应机制(1)添加蘑菇渣改良剂可以使矿渣土质疏松,提高锰矿渣的渗透性和肥力,通过有机质的螯合作用固定更多的重金属,降低矿渣中重金属毒性;并促进植物根系生长以及重金属向植物根部的迁移,提高泡桐修复锰矿渣的能力。(2)锰矿渣胁迫会产生大量自由基对泡桐叶片细胞内部造成损伤,破坏叶绿体结构,抑制了光合代谢过程,此时植物会启动抗氧化防御机制来抵抗逆境。添加蘑菇渣改良剂可通过提高抗氧化酶活性去除细胞内多余的自由基,使得细胞膜脂过氧化程度减轻了 25%-48%,泡桐叶片叶绿素含量增加了 46%,这有利于细胞内光合、代谢等生命活动的正常运转。(3)细胞壁的固定作用与液泡的区隔作用是泡桐耐锰矿渣的重要原因。本试验中,Mn主要分布在细胞壁组分(57%-84%)和可溶性组分(8%-41%)中。添加蘑菇渣改良剂可以增加Mn在细胞壁组分与可溶性组分的占比,进而减少Mn在细胞器的占比,这减少了 Mn对细胞器的毒害。Mn在泡桐根茎叶中主要以果胶酸盐和蛋白结合态形式(49%-82%)存在,其次以有机盐的形式(3%-35%)存在。添加蘑菇渣改良剂使得Mn向迁移活性弱的提取态转化,形成更稳定的化合物,减少Mn毒害。(4)TEM试验分析表明,Mn胁迫导致泡桐根、茎、叶的细胞受损,细胞壁变形,细胞器发生解体。添加蘑菇渣改良剂能够减少Mn胁迫对泡桐各组织的毒害。FTIR分析表明,添加蘑菇渣改良剂可以增加植物细胞内-CH3和-COOH等官能团,这些官能团可与Mn2+螯合成稳定的化合物,减少Mn毒害。