基于转录组的海州香薷COPT铜转运蛋白家族鉴定及响应铜胁迫表达分析

为了解海州香薷(Elsholtzia splendens)COPT(copper transporter)铜转运蛋白对铜胁迫的响应规律,运用生物信息学方法对海州香薷转录组数据库中的COPT家族成员进行鉴定与分析,构建植物表达载体探究蛋白的亚细胞定位.结果显示:海州香薷转录组中有11个EsCOPT成员,它们编码的蛋白质由72~159个氨基酸组成,等电点介于4.72~9.92,平均相对分子质量为12.870×10^(3).11个成员均为膜蛋白,系统进化树分析显示EsCOPT蛋白分别属于3个亚组.正常条件下,EsCOPT2和EsCOPT9表达量较高,铜处理后,除EsCOPT5的表达无明显变化外,其他EsCOPTs的表达均呈下降趋势.全长EsCOPT9编码的蛋白具有3个跨膜结构域且N末端较短,共定位实验表明EsCOPT9-GFP定位于液泡膜上.

海州香薷(Elsholtzia haichouensis Sun)不同生态型Cu吸收和酸性磷酸酶活性差异

以海州香薷铜矿区种群(大冶铜绿山)和非矿区种群(红安)为对象,通过水培实验,比较分析了两个种群根中铜的吸收、MDA含量、根伤流液量和酸性磷酸酶活性变化的差异。结果显示,红安非矿区种群根中的MDA含量随处理浓度的增加而显著升高,铜绿山矿区种群则没有明显的变化;在≥20μmol/LCu处理时,非矿区种群根伤流液量急剧下降而矿区种群反而增大。红安种群根中的Cu吸收量明显比铜绿山种群的高,如20μmol/LCu处理时,红安种群根中的铜含量在处理后的第1天和第5天分别是铜绿山种群的3倍和4倍;80μmol/LCu处理时,第1天和第5天的Cu含量则分别是铜绿山种群的20倍和5倍。然而,铜绿山种群根分泌的和组织内的酸性磷酸酶活性则明显高于红安种群,如在80μmol/LCu处理的第3天和第5天,铜绿山种群根组织内的酸性磷酸酶活性都约为红安种群的3倍,根系分泌的酶活性则分别为红安种群的1.6倍和1.8倍。两个种群也表现出不同的变化趋势:铜绿山种群在低浓度处理时,根分泌的和组织内的酸性磷酸酶活性有所增强,高浓度处理时下降,而红安随处理浓度的增加则显著下降。总之,铜胁迫下,海州香薷红安种群根系过氧化损伤明显,而铜绿山种群根系没有产生明显的过氧化损伤;铜绿山种群根系增强酸性磷酸酶的分泌以及保持组织内的高活性,可能分别在减少其铜的吸收及胁迫条件下维持体内正常的磷生理代谢方面具有重要作用。

铜毒对海州香薷(Elsholtzia splendens)不同种群光合作用和蒸腾作用的影响

通过水培实验,对种子分别来自湖北省铜绿山、赤马山铜矿区和红安非矿区的海州香薷种群在铜胁迫下的光合作用和蒸腾作用进行了比较研究。结果发现,矿区两个种群在铜胁迫下的光合能力明显比非矿区种群强,尤其在高Cu(100μmol/M)处理更为显著:如铜绿山和赤马山叶片净光合速率分别为13.15μmol CO2m-2s-1和12.59μmol CO2m-2s-1,为红安种群(1.07μmol CO2m-2s-1)的13倍;铜绿山和赤马山种群的光能利用效率分别为0.0221μmol CO2μmol-1和0.0224μmol CO2μmol-1photon,为红安种群(0.003μmol CO2μmol-1photon)的7倍。表观量子产额在两个矿区种群中没有明显的变化,低Cu(5和20μmol/L)处理促进了矿区种群叶绿素(Chl a和Chl b)含量的增加,而非矿区种群的这两个指标则随处理浓度的增加而迅速下降。来自矿区两个种群的蒸腾速率受铜的胁迫影响较小,而来自非矿区种群随处理浓度的加大而明显降低,其叶片的蒸腾速率在5、20μmol/L和100μmol/L浓度处理时迅速下降为对照的62.74%、50.96%和42.6%;水分利用效率在矿区两个种群中随处理水平的增大而提高,在100μmol/L处理时铜绿山和赤马山种群分别是对照的161.83%和130.41%,而非矿区种群随处理浓度的增加而急剧降低。另外,矿区两个种群的呼吸速率和气孔阻力随处理浓度的降低和升高的幅度明显比非矿区小。总之,在铜污染胁迫下,矿区种群保持的这种生理生态特性是其能在这种环境中正常生长定居的重要原因,是其长期进化的结果。

土壤理化性质与海州香薷(Elsholtzia splendens Nakai)铜锌积累的关系

土壤理化性质是决定重金属矿山废弃地植被恢复效率和成败的重要因素之一。选取芜湖市南陵县境内大工山-凤凰山古铜矿区的3处弃土场和两处对照点,调查了其植被覆盖度、物种组成,并分析了土壤性质与海州香薷铜、锌积累的相关性。结果显示,矿区土壤污染程度随废弃时间的增加和植物多样性的提高而降低,但仍未达到安全水平。海州香薷对铜、锌的积累主要发生在地下部分,地上部分的最高铜浓度为179.83mg/kg,远未达到铜超积累植物的标准,只是一种规避植物。海州香薷的铜、锌积累量主要取决于土壤铜、锌浓度水平,同时与土壤全磷、有效磷和pH值等因素显著相关,而与土壤有机质无相关性;并且海州香薷对铜、锌两种主要污染元素的积累可能存在某种协同作用。

海州香薷(Elsholtzia haichowensis Sun)细胞壁转化酶基因启动子(EhcwINVP)的克隆及活性分析

以海州香薷基因组DNA为模板,通过hiTAIL-PCR和walking技术扩增得到其细胞壁转化酶基因启动子(Ehcw INVP)片段,长度为1727 bp。生物信息学分析结果表明,该启动子片段中含有多个对脱落酸、赤霉素、细胞分裂素等激素以及对干旱、低温、重金属铜等逆境胁迫响应相关的顺式作用元件。将通过克隆得到的Ehcw INVP序列替换p CAMBIA1301载体上驱动GUS报告基因表达的Ca MV35S启动子序列,构建Ehcw INVP融合GUS的植物表达载体Ehcw INVP::GUS。转基因拟南芥植株的组织化学分析结果表明,海州香薷细胞壁转化酶基因启动子序列具有驱动GUS基因表达的功能,且在10μmol/L铜胁迫下,转基因拟南芥植株叶和根中的GUS活性分别约是对照组的1.7倍和1.5倍。

氮素形态对海州香薷(Elsholtzia splendens)铜吸收和积累的影响

为了解不同氮源施用对海州香薷铜吸收和积累的差异,通过营养液培养的方法研究了两种氮源(NH4NO3与(NH4)2SO4)对海州香薷生长及体内铜吸收和积累的影响。结果表明,与(NH4)2SO4为氮源相比,NH4NO3处理明显促进海州香薷根部与地上部的生长,并且铜处理浓度增加至200μmol/L时,两种氮源对海州香薷的根系干物质量仍有一定的提高作用,但硝铵态氮的提高程度大于铵态氮处理。而且,两种氮源对铜吸收与积累也有不同的影响:NH4NO3处理海州香薷体内(地上部分和根系)铜的积累量明显高于(NH4)2SO4处理。两种氮源供应下,随着铜水平的提高,海州香薷体内铜含量随之提高,但地下部分铜的含量远高于地上部分。不论在何种铜水平下,地下部与地上部铜含量之比(R/S)均为NH4NO3>(NH4)2SO4。

海州香薷化学成分与应用研究进展

海州香薷是一味历史悠久的中药材,同时也是作为本草文献中以“海州”命名的十三种道地药材之一。近年来,关于海州香薷的化学成分和药理作用研究已有报道,但是缺乏系统的梳理分析研究。本文概述了海州香薷与其他香薷的主要外观性状差异,并综述了海州香薷化学成分,药理作用及环境污染修复的研究进展,为后续对其开发及应用相关研究工作提供了科学依据。

施用EDDS对海州香薷铜锌吸收的强化作用及淋溶风险

通过田间盆栽试验,研究了加入易降解螯合剂EDDS后污染土壤及修复植物海州香薷地上部Cu和Zn含量的变化,及地下50 cm处渗滤水中Cu、Zn浓度。结果显示,添加EDDS提高了海州香薷对Cu和Zn的吸收量,同时增加了50 cm土层处渗滤液的Cu和Zn浓度,但是渗滤液中重金属浓度仍低于国家Ⅲ类地下水水质标准,表明EDDS对于海州香薷吸收铜、锌有一定的促进作用,且对于地下水的潜在淋滤风险较小。

铜胁迫对海州香薷和紫花香薷根系形态及铜富集的影响

通过水培试验,研究了在不同Cu浓度处理条件下海州香薷和紫花香薷根系形态和植物各器官铜含量、累积量间的差异。结果表明:低浓度Cu处理(<50μmol/L)对海州香薷的生长有一定的促进作用,植株干重、根系长度、根系表面积、根体积和侧根均略有升高。但随着Cu浓度(100～500μmol/L)增加,表现出一定的负效应,海州香薷在500μmol/LCu处理时植株干重、根系长度、根系表面积、根体积和侧根明显受到抑制,与对照相比差异达显著或者极显著水平。紫花香薷在50μmol/LCu处理时根系生长就受到严重抑制,而当浓度再增加时,根系形态的各项指标则无明显变化。海州香薷地上部铜含量明显高于紫花香薷。

海州香薷和鸭跖草铜吸收机理

研究了解偶联剂、P-型ATP酶抑制剂、离子通道抑制剂、蛋白合成抑制剂和缺铁缺锌诱导对海州香薷(Elsholtziasplendens)和鸭跖草(Commelinacommunis)铜吸收的影响。结果表明,海州香薷对铜的富集能力高于鸭跖草,但鸭跖草对铜的运输能力大于海州香薷。解偶联剂2,4 二硝基苯酚(DNP)和P-型ATP酶抑制剂钒酸钠(Na3VO4)对海州香薷和鸭跖草铜吸收均有一定的抑制作用,说明两种植物对铜可能存在主动吸收。钙离子通道抑制剂LaCl3对海州香薷铜吸收有抑制作用,而对鸭跖草铜吸收没有抑制作用;蛋白合成抑制剂放线菌酮(CHD)对海州香薷铜吸收没有抑制作用,而显著抑制了鸭跖草对铜的吸收。说明海州香薷铜吸收与钙离子通道密切相关。缺铁诱导大大提高了海州香薷与鸭跖草对铜的吸收。低浓度铜处理下,缺锌诱导对两种植物铜吸收影响不大;但高浓度铜处理下,缺锌诱导促进了铜吸收。

油菜-海州香薷轮作修复铜镉复合污染土壤:大田试验

通过高积累镉油菜与高积累铜植物海州香薷轮作的田间试验,研究了镉铜复合污染土壤上植物轮作对重金属的吸收累积规律以及修复效率。结果发现:在镉铜复合污染土壤上,油菜-海州香薷轮作体系中,油菜地上部的生物量达到7.67t·hm-2,籽粒产量1.59t·hm-2,但是籽粒中镉和铜含量超过标准限值90%和33%。油菜-海州香薷轮作体系,植物地上部吸收积累的镉和铜总量分别为35.16g·hm-2和400.68g·hm-2,其中油菜对镉积累的贡献占83%,海州香薷对铜积累的贡献占73%。轮作体系中植物对镉和铜的提取效率分别为0.2%和0.07%。研究结果表明,油菜与海州香薷轮作不适用于该铜镉重度复合污染土壤,不仅油菜籽粒达不到食品卫生标准的要求,而且土壤修复的年限比较长。

螯合剂EDDS和EDTA诱导海州香薷积累土壤重金属的比较研究

用土培试验的方法,比较研究了可生物降解螯合剂EDDS和难生物降解螯合剂EDTA对耐Cu植物海州香薷地上部积累土壤Cu、Pb、Zn和Cd的影响。结果表明,施加5mmol·kg-1EDTA和EDDS可增加海州香薷地上部的Cu、Pb、Zn和Cd的含量和积累量。其中,EDDS比EDTA具有更强的溶解土壤Cu、Zn和增加植物吸收积累Cu、Zn的能力。但对土壤Pb、Cd的溶解及Pb、Cd在植物地上部积累的促进作用,EDTA大于EDDS。

海州香薷对铜的蓄积及铜的毒性效应

研究了不同浓度铜对海州香薷的毒性及海州香薷对铜的蓄积 .结果表明 0 5mmol/kg的铜能促进海州香薷的生长 ,使其生物量增大 .低浓度的Cu2 +使叶绿素a含量上升 ,而高浓度Cu2 +则使叶绿素a下降 ,但Cu2 +对叶绿素b的影响并不明显 .反映到a/b上则表现为低浓度下Cu2 +处理会提高a/b值 .海州香薷的蓄铜浓度随土壤中铜浓度的增加而升高 ,可达 1 5 0 0mg/kg ,达到了超量积累植物的标准 .铜对SOD、POD活性的影响也表现为低浓度的刺激效应和高浓度的抑制效应 ,最高值出现在 0 5mol/kg .

丛枝菌根真菌对海州香薷生长及其Cu吸收的影响

在温室盆栽条件下研究了接种丛枝菌根(arbuscularmycorrhiza,AM)真菌对灭菌土壤中海州香薷生长及其Cu吸收的影响.试验设0,50,100,200,400mg.kg-1等5个外施Cu水平,Glomuscaledonium90036(36)、AcaulosporamelleaZZ(ZZ)2种菌剂处理和1个不接AM真菌的对照处理(CK).苗后60d收获植株.结果表明,尽管菌根侵染率随Cu水平的升高而降低,但都高达50%以上,说明AM真菌易于侵染海州香薷.36和ZZ处理在各Cu水平下都显著提高了海州香薷地上和根系干重.在200mg.kg-1及以下各Cu水平时,2种菌剂处理提高海州香薷地上部分Cu浓度,在400mg.kg-1Cu水平时,地上部分Cu浓度在36、ZZ和CK之间没有显著差异.在施Cu水平为0mg.kg-1时,海州香薷根系Cu浓度在36、ZZ和CK之间差异不显著,在50mg.kg-1及以上各Cu水平时,36和ZZ降低海州香薷根系Cu浓度.36和ZZ处理在各Cu水平提高地上部分Cu吸收量,在100mg.kg-1Cu水平时提高根系Cu吸收量.总之,接种AM真菌可以促进海州香薷向地上部转运Cu,提高其地上部分Cu吸收量.

海州香薷和紫花香薷对Cu、Zn的吸收和积累

采用水培试验方法,研究了Cu、Zn处理对海州香薷和紫花香薷(两种分别在铜矿和铅锌矿上良好生长的优势植物)生长及Cu、Zn吸收和积累的影响。结果表明,50μmol·L-1的Cu有利于海州香薷根系的生长,但却明显抑制紫花香薷地上部分的干物质产量,而Zn处理浓度直到200μmol·L-1也未对两种香薷的干物质量产生影响。低Cu(对照)时Zn的增加并未影响海州香薷地上部分Cu的含量和积累量,但高Cu(50和200μmol·L-1)时,Zn浓度的增加减少了海州香薷地上部分Cu的含量和积累量;而紫花香薷地上部分Cu含量和积累量无论是高Cu还是低Cu时都随Zn的增加而减少。同样,海州香薷和紫花香薷地上部分的Zn含量和积累量在低Zn时并未受Cu浓度的抑制,但在高Zn时,Cu的增加却减少了Zn含量的增加。而且海州香薷在高Cu(200μmol·L-1)和高Zn(200μmol·L-1)时对Cu和Zn的积累量明显高于紫花香薷,在Cu和Zn的修复上表现出优势。

木霉制剂对海州香薷生长和铜吸收的影响

将里氏木霉FS10-C用苜蓿粉发酵制成固体木霉制剂.采用温室盆栽试验,研究在外源铜浓度为0,100,200,400mg/kg的土壤上,施加木霉制剂对海州香薷生长和铜吸收的影响.结果表明:施加木霉制剂后,除400mg/kg外源铜浓度土壤上地上部干重外,海州香薷生物量在各外源铜浓度土壤上均呈增加趋势.施加木霉制剂的各外源铜浓度土壤NH4OAc提取态铜含量均显著高于空白组(P<0.05),且除100mg/kg外源铜土壤上地上部外,海州香薷铜积累量均呈增加趋势.其中地上部积累量在200和400mg/kg外源铜土壤上均差异显著(P<0.05),根积累量在100mg/kg外源铜土壤上差异显著(P<0.05),总积累量在100和400mg/kg外源铜土壤上均差异显著(P<0.05).可见,里氏木霉FS10-C制剂可通过促进植物生长和提高土壤铜的植物有效性而提高海州香薷对铜的吸收能力,是一种颇具研发潜力的生物修复剂.

接种土壤微生物对铜胁迫下海州香薷生长及光合生理的影响

采用框栽试验方法,模拟Cu胁迫条件下,探讨接种土壤微生物对海州香薷(Elsholtzia splendens)生长和光合生理的影响。结果表明:(1)在Cu胁迫下,海州香薷株数、株高、基径、生物量、茎重比均显著低于对照;与Cu胁迫相比,接种土壤微生物能显著缓解Cu胁迫对海州香薷生长的抑制作用,使植株的株数、株高、生物量、茎重比显著提高。Cu胁迫下,接种土壤微生物均降低了植株体内不同器官Cu含量,茎和叶Cu的累积量显著减少,但对其它器官的Cu含量影响不显著。(2)秋季,各处理的海州香薷的净光合速率(Pn)日变化均呈"单峰"曲线,接种土壤微生物显著提高了Cu胁迫下海州香薷的日均Pn、日均蒸腾速率(Tr),而日均气孔导度(Gs)、日均胞间CO2浓度(Ci)显著降低。(3)Cu胁迫下,接种土壤微生物显著提高了植株的最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY)、最大羧化速率(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)、磷酸丙糖利用率(TPU),且使光补偿点(LCP)显著降低。表明接种土壤微生物通过提高光能利用率、利用弱光和碳同化能力来增强光合作用能力及有机物的积累,缓解Cu胁迫对海州香薷的毒害。因此,接种土壤微生物可促进Cu胁迫下海州香薷的生长,在重金属污染土壤的植物修复中具有较好的应用潜力。

不同铜污染土壤上海州香薷生长及铜吸收动态

盆栽试验表明,生长期内海州香薷植物体内Cu含量呈现2个随着不同处理中Cu浓度的提高而斜率递增的阶段;海州香薷植株内Cu含量对外界Cu浓度的响应曲线以200mg/kg为转折点,当Cu浓度>200mg/kg时曲线斜率显著增加。在开花初期,Cu400处理污染土壤中Cu清除量达到最大值27.2mg/盆,其污染土壤重金属去除率仅为1.30%。而盛花期,各处理污染土壤中海州香薷植物内Cu含量均明显高于开花初期,Cu400处理污染土壤中Cu清除量达到最大值143mg/盆,其污染土壤重金属去除率达6.85%,与开花初期差异显著(p<0.05)。

EDDS对海州香薷修复重金属复合污染土壤的田间效应

两年田间小区试验研究了加入易降解络合剂EDDS后污染土壤及修复植物海州香薷地上部Cu、Zn、Pb含量及地下水水质变化。结果显示,添加EDDS能在一定程度上提高海州香薷对Cu、Zn、Pb的吸收量,但是对地下水水质影响不大,符合国家III类地下水水质标准。EDDS强化海州香薷修复复合污染土壤有一定的应用前景,且对于地下水的潜在淋滤风险较小,但是在应用期间应注意对环境因素特别是降水及地下水的影响。

不同来源的海州香薷和野胡萝卜的铜抗性及铜积累差异

以来自矿区(铜绿山和赤马山铜矿)和非矿区(红安、武汉严西湖)的海州香薷和野胡萝卜种群为对象,通过土培实验,研究了2种植物的铜抗性及铜吸收积累差异。结果显示,来自矿区的海州香薷和野胡萝卜种群的铜抗性都明显高于非矿区种群,但2种植物种群的铜吸收积累特征明显不同:海州香薷植物吸收的Cu主要集中在根中,但矿区种群吸收积累的铜量明显低于非矿区种群;而野胡萝卜吸收的Cu主要集中在地上部分(地上部分的Cu富集量是根的1.5倍),但积累的铜量在矿区和非矿区种群间没有明显的差异。因此,来自矿区的海州香薷可能进化为铜避性对策,而野胡萝卜的铜抗性与其吸收积累的总量没有明显的关系,但有很好的向地上运输能力。