微生物辅助下旱柳对镉的生理响应及富集特性研究

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植物修复镉(Cd)污染是一种低成本且环境友好的方式。然而,作为植物的非必需元素,Cd会干扰植物的生长发育。植物促生微生物具有多种促生特性,有望增强植物对Cd的耐受性和富集能力。旱柳(Salix matsudana Koidz)是一种分布广泛的柳属植物,具有生物量大、速生、根系发达和抗逆性强等优势,是处理Cd污染的良好材料。鞘氨醇菌广泛存在于自然界,常用作提高植物修复效率的辅助手段。因此,本文以旱柳为研究对象,采用水培的方法,从生长特性、细胞壁多糖重塑和抗氧化应激方面阐释了旱柳对不同浓度Cd(0μmol/L(Control)、25μmol/L(Cd25)、50μmol/L(Cd50)和75μmol/L(Cd75))的解毒和富集策略;通过接种鞘氨醇单胞菌(Sphingobium yanoikuyae Sy310)探究微生物对旱柳Cd(Cd50)耐性和积累策略的调节途径。主要研究成果如下:1.旱柳具有较高的Cd富集能力和耐受性。根系约保留了植株Cd含量的68.45%~84.46%。根系的Cd耐性高于新枝,表现为新枝干重在Cd处理下相比对照显著下降(p<0.05),根系干重仅在Cd75处理下显著低于对照(p<0.05)。Cd胁迫下,旱柳根长减少(p<0.05),这种根系形态的改变有利于减少对Cd的吸收。细胞壁对金属离子的区隔对于Cd的富集和保护原生质体至关重要,其中细胞壁多糖发挥重要作用。旱柳根系细胞壁的Cd含量约占根系Cd含量的26.98%~63.47%。Cd胁迫下,根系细胞壁果胶含量和果胶甲酯酶(PME)活性显著提高(p<0.05),意味着更多的羧基可结合Cd。此外,半纤维素1(HC1)和半纤维素2(HC2)的含量在Cd胁迫下呈现不同程度的提高(p<0.05),表明羟基等负电基团的数量增加。2.Cd诱导旱柳氧化还原反应的紊乱,表现为Cd胁迫下,叶片H2O2、O2-和丙二醛(MDA)的含量增加(p<0.05),根系H2O2和MDA水平显著提高(p<0.05)。旱柳具有发育良好的抗氧化系统来应对Cd诱导的氧化应激。Cd胁迫下,叶片和根系过氧化物酶(POD)活性和还原型谷胱甘肽(GSH)含量呈现不同程度的提高(p<0.05),超氧化物歧化酶(SOD)活性显著提高(p<0.05)。过氧化氢酶(CAT)活性对Cd较敏感,Cd处理下CAT活性显著降低(p<0.05)。3.对原始菌株进行链霉素驯化,获得具有300μg/m L链霉素耐性的菌株Sy310。Sy310的16S r DNA序列经多序列比对和亲缘关系分析,证实Sy310为鞘氨醇单胞菌(Sphingobium yanoikuyae)。Sy310为革兰氏阴性,驯化和Cd50处理对菌落、菌体形态和吲哚乙酸(IAA)产量无明显影响(p>0.05)。Cd会抑制Sy310的生长,表现为对数期和稳定期推迟,稳定期的菌体量下降(p<0.05)。4.接种Sy310显著提高旱柳生物量和根长(p<0.05),并缓解了Cd引起的生长抑制。这可能与接种Sy310显著提高根系中的IAA含量有关(p<0.05)。Sy310显著提高根系中Cd的富集(p<0.05)。接种Sy310后根系细胞壁中Cd的含量比不接菌处理高53.07%(p<0.05)。Sy310提高了Cd胁迫下细胞壁中果胶、HC1和低甲酯化果胶的进一步合成,根尖细胞的投射电镜图像显示Cd50+Sy310和Cd50处理的细胞壁相比对照呈现部分加厚。细胞壁中Cd结合位点增加和因加厚引起的孔隙度降低有助于细胞壁对Cd的隔离。仅接种Sy310不会诱导细胞壁重塑。5.接种Sy310缓解了Cd诱导的氧化应激,表现为Cd胁迫下,接种Sy310处理的叶片H2O2、O2-和MDA的含量显著低于不接菌处理(p<0.05)。与Cd50相比,Cd50+Sy310处理的根系H2O2和MDA含量维持在更低的水平(p<0.05)。Sy310提高了Cd胁迫下叶片和根系的CAT活性(p<0.05)。而Cd50+Sy310处理的POD和SOD活性以及叶片GSH的含量相比Cd50处理显著降低(p<0.05)。表明Sy310的存在缓解了Cd引起的毒性反应,使氧化应激反应维持在一个相对低的水平。综上,本研究发现旱柳可通过改变根系形态、重塑根系细胞壁多糖和提高抗氧化能力来应对Cd胁迫。内生菌Sy310可调节Cd胁迫下旱柳的生长,根系细胞壁多糖重塑和氧化应激水平,从而提高旱柳对Cd的耐受性和富集能力。
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