不同硫離子濃度對(duì)超積累生態(tài)型東南天文重金屬積累的影響

不同硫離子濃度對(duì)超積累生態(tài)型東南天文重金屬積累的影響

隨著工農(nóng)業(yè)和人類生活的發(fā)展，土壤中的重金屬污染日益嚴(yán)重，威脅到鏈中上部的人類健康。在眾多的土壤重金屬修復(fù)方法中,以植物修復(fù)為代表的生態(tài)修復(fù)方法以其廉價(jià)、安全的特點(diǎn)受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。由楊肖娥等首次發(fā)現(xiàn)的原產(chǎn)于我國的Zn/Cd超積累生態(tài)型東南景天,其地上部對(duì)鋅、鎘及鉛等重金屬有極強(qiáng)的積累能力,而且生物量大、生長快,顯示出良好的應(yīng)用前景。眾多前人的研究表明:小分子硫醇有機(jī)物如谷胱甘肽(reducedglutathione,GSH)、植物螯合肽(PC)、金屬硫蛋白及有機(jī)酸等對(duì)于植物重金屬耐性和積累能力方面有重要作用。本文以Zn/Cd超積累生態(tài)型東南景天為材料,研究總硫、GSH與Zn/Cd超積累的關(guān)系,為深入認(rèn)識(shí)植物超積累的分子生理機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1高水勢(shì)梯度體的培養(yǎng)超積累生態(tài)型東南景天取自浙江省衢州市的一個(gè)廢舊鉛鋅礦,用帶有頂芽的莖段進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)后備用。預(yù)培養(yǎng)方法為:自來水培養(yǎng)生根后,經(jīng)1/4營養(yǎng)液培養(yǎng)1周、1/2營養(yǎng)液培養(yǎng)1周、正常營養(yǎng)液培養(yǎng)1周。所有培養(yǎng)過程均在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行,相對(duì)濕度維持在70%~80%,白天溫度26℃,夜間20℃,16h光照8h黑暗交替,每天調(diào)整1次pH值,每4d換1次營養(yǎng)液,通氣培養(yǎng)。硝酸鋅[Zn(NO3)2]和氯化鎘(CdCl2)均為AR級(jí),購自上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司。1.2利用cdcl2進(jìn)行苗分化經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的苗用含1000μmol·L-1的Zn(NO3)2或200μmol·L-1的CdCl2營養(yǎng)液處理25d,每隔5d取地上部進(jìn)行化學(xué)分析;另取一批苗也用1000μmol·L-1的Zn(NO3)2或200μmol·L-1的CdCl2處理,但營養(yǎng)液中的SO42-控制在0.5、1.0、2.0、4.0、8.0mmol·L-15個(gè)水平(如果SO42-處理濃度需要高出正常營養(yǎng)液水平,直接加入K2SO4;若需要低于正常營養(yǎng)液水平,則減少營養(yǎng)液配方中的K2SO4,補(bǔ)充KCl以維持正常的K+濃度),處理20d后測(cè)定地上部Zn/Cd含量。1.3吸光度的測(cè)定樣品烘干后,用HNO3-HClO4消化,以空白樣品為陰性對(duì)照,ICP-MS測(cè)定各處理的Zn/Cd含量;消化后的樣品加入BaCl2在400nm下測(cè)定吸光值。用標(biāo)準(zhǔn)曲線換算各樣品的總硫含量;GSH含量測(cè)定:于冰上研磨新鮮樣品,按照南京建成生物工程研究所的GSH測(cè)定試劑盒說明書進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值,用MicrosoftExcelXP做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。2結(jié)果與分析2.1硫濃度對(duì)zn/cd積累能力的影響地上部Zn/Cd的積累都隨著處理時(shí)間的增加而增加(圖1),到25d時(shí)鋅的積累量達(dá)到32280mg·kg-1,鎘的積累量達(dá)到9380mg·kg-1,顯示出極強(qiáng)的Zn/Cd富集能力以及作為重金屬污染土壤修復(fù)的應(yīng)用潛力。前15d地上部Zn/Cd積累量基本呈線性增加,后10d積累速度明顯變緩。20d時(shí)地上部積累基本達(dá)到最大值,Zn/Cd含量分別達(dá)到31075mg·kg-1和9278.333mg·kg-1,所以在測(cè)試硫濃度對(duì)Zn/Cd積累能力的影響時(shí),采用20d的培養(yǎng)時(shí)間。在根中,Zn含量先增加后下降(圖2),前5d增加非常迅速,5~15d期間緩慢增加,15~25d又逐漸下降;鎘含量也是在前5d迅速增加,但此后的20d一直下降。2.2mol3gf含量的變化地上部GSH含量在Zn/Cd處理的前15d呈逐漸增加趨勢(shì),到15d分別達(dá)到277μmol·kg-1FW和1610.5μmol·kg-1FW,15d后含量逐漸下降,到25d時(shí)分別下降到98.3μmol·kg-1FW和1010.5μmol·kg-1FW,相當(dāng)于在處理5d時(shí)的GSH含量(圖3)。在整個(gè)變化過程中,雖然Cd的積累量低于Zn,但Cd處理時(shí)所誘導(dǎo)的GSH含量都高于同時(shí)間點(diǎn)Zn處理時(shí)的誘導(dǎo)量,這說明Zn作為一種必須營養(yǎng)元素,在大量積累時(shí)對(duì)細(xì)胞的毒性低于Cd的毒性。2.3gsh在天麻體內(nèi)的變化Zn/Cd處理時(shí)地上部總硫含量的變化趨勢(shì)與GSH含量變化趨勢(shì)基本一致,都呈現(xiàn)前15d上升后10d下降的變化趨勢(shì)(圖4),說明在景天體內(nèi)GSH可能是硫存在的主要形式;同時(shí)也可看出含硫有機(jī)物不是鋅鎘積累的最終結(jié)合物質(zhì)(不是重金屬的最終配體),否則總硫含量應(yīng)出現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)。2.4硫及gsh含量從表1可以看出,在低硫水平下(0.5、1.0mmol·L-1SO42-處理濃度時(shí)東南景天不顯示缺硫癥狀)增加硫的供應(yīng)可明顯提高地上部Zn/Cd積累值,但供硫?qū)d積累效果大于Zn,這與Zn/Cd處理不同時(shí)間下硫及GSH含量的變化趨勢(shì)一致;但硫供應(yīng)過多時(shí),會(huì)導(dǎo)致積累能力逐漸下降,其原因與含硫有機(jī)物不是Zn/Cd積累的最終配體有關(guān),當(dāng)然也可能是硫中毒所致。3超積累植物的基因表達(dá)從超積累東南景天整株植物的積累曲線看,Zn處理的前15d,地上部Zn積累量呈線性增加,根中Zn含量也表現(xiàn)出增加趨勢(shì);在Zn處理的后10d時(shí)間里,地上部Zn積累速度逐漸降低,地下部Zn含量也逐漸下降,表明作為必需營養(yǎng)元素的鋅離子從根部的吸收到地上部的積累是主動(dòng)代謝的結(jié)果。而鎘處理時(shí),根部的積累量在5d時(shí)就已經(jīng)達(dá)到最大值,地上部在20d時(shí)才接近最大值,表明鎘元素做為一種有毒的、非必需重金屬離子,其吸收和積累是一個(gè)被動(dòng)的過程。在眾多重金屬對(duì)植物的影響研究中,基本都是研究重金屬脅迫的短期效應(yīng),GSH的誘導(dǎo)量都是隨處理時(shí)間的增加而增加。在本研究長達(dá)25d的處理時(shí)間內(nèi),無論是鋅還是鎘處理,GSH都呈現(xiàn)出低-高-低的變化趨勢(shì),但地上部重金屬Zn/Cd離子的積累量卻一直上升。結(jié)合分析Zn/Cd離子的積累速度,推測(cè)其可能原因是:在處理的前15d,由于往地上部的運(yùn)輸速度較快,而最終起螯合作用的配體的合成速度落后于運(yùn)輸速度,造成細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)的Zn/Cd離子逐漸增加,進(jìn)而需要越來越多的GSH來解除其毒性,從而造成前期GSH含量呈增加的變化趨勢(shì);而在后期,地上部Zn/Cd離子的積累接近飽和時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生一種信號(hào)物質(zhì),而這種信號(hào)物質(zhì)將抑制根部Zn/Cd離子繼續(xù)吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),使得地上部細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)Zn/Cd離子含量降低,因而只需要較少量的GSH即可解除毒性?？偭虻淖兓f明含硫有機(jī)物不是鋅鎘積累的最終配體,這與SunQ等人的研究結(jié)果相似,他們用Zn/Cd/Pb處理超積累東南景天時(shí)也未發(fā)現(xiàn)PC的誘導(dǎo),而PC是另外一種以GSH為底物合成的含硫有機(jī)物,已被證明在多種重金屬超積累植物中起重金屬配體作用。Isaure等發(fā)現(xiàn)在擬南芥葉中Cd主要與O/N鍵結(jié)合在細(xì)胞壁中,只有少部分是與SH-