一种新的多金属超富集植物——圆锥南芥(Arabis paniculata L.)

野外调查和营养液培养试验表明,圆锥南芥(Arabis Paniculata L.)具有超量富集Pb/Zn/Cd的能力,是国内首次发现的Pb/Zn/Cd多金属超富集植物,它的出现填补了国内多金属超富集植物的空白,为重金属复合污染土壤的植物修复提供了新的种质资源。

镉在圆锥南芥(Arabis paniculata Franch.)中的亚细胞分布及其化学形态

通过水培的方式,采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法研究了Cd在圆锥南芥(Arabis paniculata Franch.)叶片和根中的亚细胞分布和化学形态。研究结果表明,在Cd处理浓度为1.0mg·L-1时,圆锥南芥叶片中的Cd主要贮藏在细胞壁和细胞核中,而根系中Cd的分布顺序为:细胞壁>核糖体>细胞核>叶绿体>线粒体;10.0mg·L-1Cd处理时,叶片中的Cd主要集中在细胞壁以及细胞核中,根系中核糖体含量最高,占全量的53.92%。这说明圆锥南芥叶片富集的Cd主要贮存在细胞壁以及细胞核中,而根系富集的Cd主要分布在核糖体与细胞壁中。化学形态结果表明Cd处理水平的变化对圆锥南芥Cd的化学形态有明显的影响。1.0mg·L-1Cd处理时,圆锥南芥叶片中以水提取态Cd为主,根系中乙醇提取态Cd的含量最高;当Cd提高到10.0mg·L-1时,叶片和根系中Cd均以NaCl提取态含量最高,说明随着Cd浓度的增加,Cd与蛋白质、果胶酸等形态结合是圆锥南芥减轻Cd毒害的主要机制。

镉对圆锥南芥锌的吸收、亚细胞分布和化学形态影响

通过营养液培养并采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法,分析了Cd对圆锥南芥Arabis paniculata Franch.叶片和根系中Zn的吸收、亚细胞分布和化学形态的影响。结果表明,Cd的添加不会抑制圆锥南芥的生长及对Zn的吸收。Zn在圆锥南芥中以多种化学形态存在;叶片中乙醇、水、NaCl、HAc提取态Zn分配比例较均匀;根系中主要以乙醇提取态和NaCl提取态为主,HAc与HCl提取态Zn的绝对含量与所占的百分比均较低,表明圆锥南芥中的Zn主要以无机酸盐以及氨基酸盐存在。对圆锥南芥Zn的亚细胞分布结果表明,叶片和根系中的Zn主要贮存于细胞壁中其次为细胞核,两者所占的比例分别为65%～83.5%和42.7%～87.3%,且Cd的添加提高了细胞壁中Zn的比例,促进了Zn向细胞壁中的转移。但Cd的添加对Zn的化学形态变化不明显。

镉对超富集植物圆锥南芥氮素代谢的影响研究

采用土培方法，研究了不同Cd添加（0、10、20、40、80、160和240mg kg^-1）对超富集植物圆锥南芥叶片中氮素含量以及氮代谢关键酶活性的影响。结果表明，随着Cd添加浓度的增加，圆锥南芥的生物量、叶片数、直径长以及Cd含量均呈增加趋势。Cd添加浓度为240mgkg^-1时，生物量增加了137％，叶片数增加了1．02倍，直径较对照增加了130％，叶片中Cd含量达到451mgkg^-1. NO^3- -N和NH4^＋ -N呈先降低后升高的变化趋势，在Cd浓度为240mgkg^-1时，达最大值。在Cd处理浓度为10、20、40 、80mgkg^-1时，NO3^＋ -N和NH4^＋ -N含量间无显著性差异（P〉0．05）。在Cd添加浓度为240mgkg^-1时，硝酸还原酶（NR）活性只相当于对照的67％，与对照间的差异显著。在Cd处理浓度为10—160mgkg^-1时，NR活性与对照间无显著性差异（P〉0．05）。谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）活性以及可溶性蛋白质含量在Cd处理浓度为10-240mgkg^-1时，与对照间无显著性差异（P〉0．05）。谷氨酸脱氢酶（GDH）活性呈先升高后降低的变化趋势。游离脯氨酸含量在Cd浓度为10、20、40、80、160、240mgkg^-1时，分别为对照的0．67倍、1．29倍、1．54倍、2．38倍、2．54倍、1.14倍。

圆锥南芥适应高山干旱环境机制

以高山植物圆锥南芥和其近缘物种拟南芥种子为研究材料,通过在生长培养基中添加不同浓度的甘露醇(150、300和600 mmol/L)模拟干旱胁迫,比较两物种的萌发情况,并检测甘露醇处理前后两种植物种子中的内源激素脱落酸(ABA)含量、热激蛋白HSP101和HSP70的表达量,研究圆锥南芥适应高山干旱环境的可能机制。结果显示:圆锥南芥种子对甘露醇更敏感,当甘露醇浓度超过300 mmol/L时,出现暂时休眠的现象;正常情况下,圆锥南芥种子中ABA含量显著高于拟南芥;甘露醇处理后,两物种ABA含量都有所上升,圆锥南芥ABA含量显著高于拟南芥;正常情况下,两物种的HSP101和HSP70表达量都较低;甘露醇处理后,拟南芥的HSP101和HSP70的表达量明显增强,而圆锥南芥的HSP表达量不受影响。研究表明,圆锥南芥在干旱胁迫下保持高含量ABA以启动种子休眠,推测其不合成HSP蛋白等生物大分子物质是一种节约能量的方式,这是圆锥南芥对高山干旱环境的适应性策略。

Cd胁迫下超富集植物圆锥南芥抗氧化机理

采用土培的方法研究了不同Cd2+添加量(0、10、20、40、80、160、240mg.kg-1)对多金属超富集植物圆锥南芥(Arabis paniculata Franch)抗氧化酶(超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶POD、抗坏血酸过氧化物酶CAT、过氧化物酶APX)活性、非酶物质(巯基SH、谷胱甘肽GSH、植物络合素PCs)含量以及生物量、叶绿素、丙二醛(MDA)、半胱氨酸(Cysteine)、脯氨酸(Proline)含量的影响.结果表明,随着Cd添加量的增加,圆锥南芥的生物量、Cd含量、富集系数、转运系数呈增加趋势,SOD活性、叶绿素含量呈下降趋势.POD、CAT、APX活性以及MDA含量均呈先升高后降低的变化趋势.圆锥南芥叶片中SH、GSH、PCs含量随Cd添加量的增加而增加,当Cd添加量为240mg.kg-1时,SH、GSH、PCs含量分别比对照提高了92.7%、70.2%、143.4%,表明SH、GSH、PCs在解毒Cd毒害中起着重要作用.

高山植物圆锥南芥的光合系统耐热性及其修复机制(英文)

高温胁迫包括极端高温和中高温,严重影响了植物的一系列生理活动,尤其是光合作用,而植物应对极端高温和中高温胁迫具有不同的策略。高山植物因长期生长于相对寒冷的环境中,相比而言应缺少对高温胁迫的适应机制。本文以圆锥南芥作为一种高山模式植物来探索其在中高温下是否表现出耐热能力,如果具有耐热能力,那么在光合方面与拟南芥存在怎样的差异。研究发现,圆锥南芥在中高温处理后具有更高的光化学效率及快速可逆的恢复过程,表现出了较强的耐热能力。两物种的F0没有明显的差异,而圆锥南芥在热处理后及恢复过程中具有更高的Fm,促进其快速光合修复。在热处理后,非光化学能量耗散快速瞬时上升,及时保护光系统II免受光损伤和热伤害,另外,HSP101蛋白迅速诱导可能启动了光化学修复。最后,圆锥南芥在严重高温处理后具有更高的存活率再次验证了它在中高温下的耐热能力。结果表明,圆锥南芥具有更耐热的光合系统以及有效的光合修复机制来耐受中高温胁迫。

圆锥南芥适应高山环境极端高温的系统性耐热能力(英文)

高山生态系统的主要气候特征是温度变化幅度较大,目前研究主要集中于高山植物的抗冻机制,而很少关注其对极端高温(高于45℃)的适应性。本研究发现高山物种圆锥南芥跟拟南芥比,具有更强的基础耐热性和获得性耐热性。通过叶绿素荧光检测发现在极端高温下,圆锥南芥具有更稳定的光系统II和更有效的能量耗散机制来维持更高水平的光合效率。通过电导率和丙二醛含量的检测发现圆锥南芥的膜伤害更小,膜流动性与脂肪酸链的长度和不饱和度紧密相关,圆锥南芥脂肪酸具有更低的16∶3含量,更长的碳链,不饱和度没有明显的变化,这些可能有助于维持膜的稳定。另外,更高表达量的HSP101和HSP70可能为圆锥南芥提供了更好的保护作用。以上结果表明,圆锥南芥能利用生理生化活动的调整来适应高山环境中的极端高温,这种耐热策略与低地耐热植物相似,因此圆锥南芥具有系统性耐热能力,可以作为研究植物耐热分子机制的模式物种。

圆锥南芥叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

为探究圆锥南芥(Arabis paniculata Franch)叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性,本研究利用MISA、CUSP和CodonW等软件对圆锥南芥的叶绿体基因组的SSR位点、系统发育及密码子偏好性进行分析。研究结果表明,圆锥南芥的完整叶绿体基因组长度为153541 bp,基因组平均GC含量为36.41%,其IR、LSC及SSC区长度分别26419 bp、82679 bp及18024 bp。注释得到128个基因,包括85个蛋白编码基因,35个tRNA基因和8个核糖体rRNA基因。SSR分析共发现67个SSR位点,绝大多数属于单碱基重复的A/T类型。系统进化分析表明,圆锥南芥与所选的两个南芥属物种遗传距离较远,单独聚为一支。密码子偏好性分析显示,圆锥南芥叶绿体基因组密码子使用模式主要受到自然选择和突变双重因素的影响,共筛选出22个最优密码子,其中21个(95.45%)以A/U结尾。本研究可为圆锥南芥系统发育、叶绿体基因组密码子优化、外源基因表达效率以及进一步的遗传改良和育种相关研究提供参考依据。