超積累植物東南景天根系對重金屬的吸收積累及根際細(xì)菌群落特征.pdf

1、植物對重金屬的超積累作用及其調(diào)控機(jī)制是當(dāng)今國內(nèi)外土壤修復(fù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是優(yōu)化重金屬污染土壤植物萃取技術(shù)的核心要素。植物根際微環(huán)境中重金屬的生物學(xué)過程是影響重金屬從土壤向植物遷移的重要限制因子，深入研究土壤環(huán)境中超積累植物根系對重金屬的吸收積累過程及其主控因子，尤其是根際微生物的重要作用，對于揭示植物超積累重金屬的關(guān)鍵機(jī)制、推動植物萃取技術(shù)在污染環(huán)境修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
　　東南景天（Sedum al

2、fredii Hance）是我國原生的鋅鎘超積累及鉛富集植物，其對多種重金屬具有很強(qiáng)的耐性和積累能力，是應(yīng)用于污染土壤綠色植物修復(fù)技術(shù)的一種良好潛在材料。然而，目前有關(guān)東南景天超積累重金屬的生理與分子機(jī)制研究多集中于超積累植物對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)與儲存過程，對其根土微界面重金屬的生物學(xué)過程及其在植物超積累重金屬中的作用仍知之甚少。本研究以超積累生態(tài)型與非超積累生態(tài)型東南景天作為供試材料，綜合運(yùn)用同步輻射X射線熒光(SR-XRF)、X射線吸收光

3、譜(SR-XAS)等高通量金屬組學(xué)技術(shù)，原位分析了東南景天根系微觀尺度上重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程，以期明確超積累植物對重金屬的根系吸收過程，為進(jìn)一步揭示根際生物學(xué)過程在植物超積累重金屬中的作用機(jī)制奠定基礎(chǔ);同時(shí)，利用16S rRNA基因擴(kuò)增子測序等技術(shù)比較了不同重金屬污染條件下兩種生態(tài)型東南景天根際土壤微生物學(xué)特征差異，探索特異根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對植物萃取土壤重金屬的潛在作用;基于上述研究，進(jìn)一步分析了東南景天在修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤過程中的

4、根際調(diào)控機(jī)制及其獨(dú)特的微生物結(jié)構(gòu)特征，為重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的改良和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
　　本研究取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.在水培條件下采用SR-XRF和XAS技術(shù)研究比較了鎘在兩種生態(tài)型東南景天根系組織水平和細(xì)胞水平的原位分布、時(shí)空變化特點(diǎn)以及根系鎘的賦存形態(tài)特征。結(jié)果表明，鎘超積累生態(tài)型東南景天根系中鎘主要分布于根尖分生組織和中柱，而非超積累生態(tài)型東南景天根系中的鎘主要集中于分生組織，中柱區(qū)域只有很少量的鎘

5、。側(cè)根發(fā)生部位（包括側(cè)根根尖、側(cè)根原基等處）以及側(cè)根生長區(qū)域的中柱中都有大量鎘的分布。通過根系不同部位對鎘吸收的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)根可以更加快速高效地吸收鎘進(jìn)入根系中。東南景天根系中鎘主要以Cd2+、Cd-檸檬酸、Cd-細(xì)胞壁和Cd-谷胱甘肽形態(tài)存在，其中超積累生態(tài)型根系中Cd2+和Cd-檸檬酸的比例要高于非超積累生態(tài)型。上述結(jié)果表明側(cè)根是超積累東南景天吸收鎘的主要部位，而鎘以離子態(tài)、檸檬酸結(jié)合態(tài)存在于其裉細(xì)胞中，從而促進(jìn)鎘向木質(zhì)部裝載進(jìn)

6、而向地上部運(yùn)輸?shù)男省?br>　　2.在水培條件下采用SR-XRF和XAS技術(shù)對鉛富集與非富集兩種生態(tài)型東南景天根系中鉛等元素的分布特征和賦存形態(tài)進(jìn)行原位分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種生態(tài)型東南景天根系吸收的鉛主要分布于根尖分生組織和中柱部位，與Cl、P等其他元素的分布較為一致。相較而言，鉛富集型東南景天根尖分生組織中鉛含量遠(yuǎn)低于鉛非富集型東南景天，但其中柱中鉛含量明顯高于非富集型東南景天。此外，側(cè)根發(fā)生部位能夠吸收和積累更多的鉛，并直接進(jìn)入根系中

7、柱部位進(jìn)行運(yùn)輸。鉛在根系中主要與細(xì)胞壁進(jìn)行結(jié)合，減少了鉛向地上部的遷移，其在東南景天鉛耐性和解毒中可能發(fā)揮重要作用。綜上可知，側(cè)根是鉛的主要吸收部位，而富集型東南景天則更容易將鉛裝載到木質(zhì)部進(jìn)而運(yùn)輸?shù)降厣喜?，而非富集型東南景天將更多的鉛滯留在根尖，其可能原因在于細(xì)胞壁的固持作用。
　　3.采用土壤根袋培養(yǎng)方式，利用16S rRNA基因擴(kuò)增子測序技術(shù)比較了鎘污染土壤上兩種生態(tài)型東南景天的根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異。東南景天的種植和鎘濃度的

8、提高均顯著降低了細(xì)菌群落的α-多樣性，改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。與非根際土壤及非超積累東南景天的根際土壤相比，超積累東南景天的根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成明顯不同。在高鎘污染水平下，超積累東南景天根際中一些來自放線菌門(Actinobacteria)，擬桿菌門(Bacteroidetcs)和TM7菌門的種屬尤為豐富。放線菌門的鏈霉菌屬Streptomyces是造成超積累型根際與其他樣品細(xì)菌群落組成差異的主要原因，在高鎘水平下，其豐度是其他樣品

9、的3.31-16.45倍。以上結(jié)果說明，在超積累植物東南景天對鎘污染土壤的植物修復(fù)過程中，其根系生長和土壤鎘污染共同塑造了一個(gè)特殊的根際細(xì)菌群落，一些關(guān)鍵細(xì)菌，如Streptomyces的OTU8159，可能在重金屬的超積累過程中發(fā)揮重要作用。
　　4.利用16S rRNA基因擴(kuò)增子測序技術(shù)比較了鉛污染土壤中兩種生態(tài)型東南景天的根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異。與鎘類似，東南景天的種植和鉛濃度的提高（特別是中度鉛污染水平）也顯著降低了細(xì)菌群

10、落的α-多樣性，改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。與非根際土壤及非富集型東南景天的根際土壤相比，富集型東南景天的根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成明顯不同。富集型東南景天根際Alphaproteobacteria綱(Asticcacaulis、Dongia)、Betaproteobacteria綱（Dechloromonas和Rhizobacter）和Bacteroidetes門（Flavobacterium）尤為豐富，而非富集型東南景天根際則有更高豐度的

11、Firmicutes門(Clostridium sensu stricto1、Paenibacillus)、Deltaproteobacteria綱（Geobacter）和Gammaproteobacteria綱（Pseudomonas）。隨著鉛水平的提高，富集型和非富集型東南景天根際特異OTUs種類逐漸減少。以上結(jié)果表明，鉛污染條件下，超積累東南景天根際形成了特異的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，但其群落結(jié)構(gòu)特征及特異細(xì)菌組成與鎘污染條件下明顯不同，說

12、明根際細(xì)菌對不同重金屬有不同的適應(yīng)性機(jī)制。
　　5.采用根箱模擬試驗(yàn)綜合比較了種植在鎘鉛復(fù)合重金屬污染土壤條件下超積累和非超積累生態(tài)型東南景天的根際微域特征差異，并重點(diǎn)分析了兩種生態(tài)型東南景天的根際微生物學(xué)特征。相較于非超積累型東南景天，超積累東南景天對于重金屬有著更高的耐性，且地上部積累了更多的鎘和鋅。超積累型的根際微域特征與非根際土壤和非超積累型的根際土壤差異顯著，表現(xiàn)為根系發(fā)達(dá)、根際土壤酸化、金屬生物有效性提高以及微生物活性

13、提高等。16S rRNA測序表明，超積累生態(tài)型具有特異的根際細(xì)菌群落特征，并在根際定殖了大量的Streptomyces、Kribbella等細(xì)菌。PICRUSt分析表明超積累東南景天根際中有更為豐富的與膜轉(zhuǎn)運(yùn)和氨基酸代謝相關(guān)的預(yù)測功能基因。本研究揭示了復(fù)合重金屬污染植物修復(fù)過程中超積累東南景天根際的一系列生物化學(xué)行為，表明超積累植物東南景天對土壤重金屬的活化及吸收作用可能與其根系對重金屬的高耐受性，根系分泌物導(dǎo)致的土壤酸化作用，尤其是根