[目的]旨在探究纳米硒(SeNPs)对铅(Pb)胁迫烟草幼苗的生长、抗逆性、铅吸收和转运的影响,以揭示SeNPs的促生效应、富硒和阻滞铅吸收及转运的机制.[方法]以普通烟草(Nicotiana tabacum)为研究对象,通过盆栽实验设置不同处理,包括低剂量(100 mg/L)和高剂量(200 mg/L)Pb胁迫,无机硒(Na2SeO3)、SeNPs处理和空白对照组.测定各处理组烟草幼苗的生物量、光合生理参数、抗氧化酶活性、脂质过氧化产物含量以及相关基因表达水平,分析铅和硒在植物体内的含量和分布.[结果]与对照组相比,硒处理显著促进了烟草幼苗的生长和光合作用,SeNPs促生效应更显著.硒处理还增强了烟草幼苗的抗氧化酶(SOD、POD和APX等)活性和抗氧化物质(抗坏血酸和谷胱甘肽等)的含量,降低了脂质过氧化产物(H2O2 和MDA)的积累.在铅胁迫条件下,硒处理可显著提高烟草幼苗中硒的含量,同时降低铅的吸收和转运率.[结论]纳米硒能显著提高植物生物量,保护光合系统,激活抗氧化系统,阻滞铅吸收和转运,促进植物硒富集和改善植物对铅胁迫的抗性.

[目的]NRAMP(natural resistance-associated macrophage protein)基因家族是一类广泛存在于植物中的天然抗性相关巨噬蛋白,对植物中二价金属离子的细胞转运具有关键作用.为挖掘沙棘NRAMP基因家族响应重金属铅胁迫的关键基因,阐明沙棘响应重金属铅胁迫的分子机制.[方法]利用生物信息学技术鉴定沙棘NRAMP家族成员,对编码该家族蛋白的理化性质、系统进化、基因结构、保守基序、顺式作用元件、不同浓度铅胁迫下的NRAMP基因表达谱、种内种间共线性、蛋白互作网络进行综合分析.[结果]NRAMP基因家族的 11 个成员不均匀分布于 7 个染色体上,被分为Group1-Group3 三大类群.NRAMP基因家族成员的启动子具有丰富的激素应答、分生组织表达和环境应激响应元件.转录组分析表明,沙棘NRAMP基因家族的 11 个成员在不同浓度的铅离子胁迫下呈现差异表达,其中 8 个基因在 1 000 mg/kg的铅胁迫下显著下调,7 个基因在高浓度铅胁迫(5 000 mg/kg)下表达上调,并对选定的 6 个沙棘NRAMP基因进行了RT-qPCR验证.沙棘与单子叶植物小麦NRAMP基因家族的种间共线性比率高于双子叶植物拟南芥.蛋白质互作网络分析表明,沙棘NRAMP基因家族成员HrLNRAMP8 可能主要通过乙烯途径调控重金属的吸收转运.[结论]在全基因组范围内从沙棘中系统鉴定得到 11 个HrLNRAMP家族成员.Group2 亚族成员基因结构最复杂且一致性较低;所有的沙棘NRAMP成员都含有NRAMP家族特有的转运基序motif1.不同基因家族成员在铅胁迫条件下的表达具有偏好性,该基因家族通过响应重金属铅离子胁迫来调控基因表达水平,从而降低重金属胁迫带来的伤害.

为了探明梭鱼草叶片细胞应对Pb2+胁迫的生理机制,研究以液培法考察了不同浓度Pb2+胁迫下梭鱼草叶片丙二醛(MDA)与叶绿素含量,以及抗氧化酶活性、抗氧化剂含量和乙二醛酶系统的变化规律.结果表明,(1)5.0 mg/L Pb2+胁迫第14天和第21天时,梭鱼草叶片叶绿素含量,过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性,抗坏血酸(AsA)、脱氢抗坏血酸(DHA)、谷胱甘肽(GSH)、非蛋白巯基总肽(NPT)和植物螯合肽(PCs)等抗氧化剂含量没有发生明显变化;第21天时叶片细胞中甲基乙二醛(MG)含量显著增加,而MDA含量无明显增加.(2)10.0 mg/L Pb2+处理至第21天时,梭鱼草叶片MDA、MG、GSH及NPT含量及过氧化物酶(POD)活性明显增加,而脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、甲基乙二醛酶Ⅱ(Gly Ⅱ)活性呈相反变化趋势.(3)在15.0 mg/L Pb2+处理期间,梭鱼草叶片MDA含量显著增加,其GSH、NPT、PCs被诱导合成以螯合细胞中过量积累的Pb2+;同时叶片POD、SOD、APX活性和AsA含量显著增加.15.0 mg/L Pb2+处理第21天时,乙二醛酶系统已经不能缓解高浓度Pb2+胁迫诱发的羰基胁迫.可见,梭鱼草叶片对5.0 mg/L Pb2+具有良好的耐受性;在较高浓度(≥10.0mg/L)Pb2+胁迫下,梭鱼草叶片细胞膜脂过氧化作用加剧,此时其主要通过合成非蛋白巯基化合物、增加抗氧化酶活性及AsA含量来减缓氧化损伤;本试验条件下梭鱼草叶片乙二醛酶系统没有表现出明显的解毒作用.

大气沉降是叶菜类农作物可食部位重金属铅(Pb)累积的主要来源,但大气湿沉降下铅在油菜(Brassica chinensis L.)体内的形态累积特征及氧化胁迫效应,尚不十分清晰.通过模拟大气湿沉降铅胁迫,研究油菜体内重金属Pb的累积、亚细胞分布、化学形态特征及油菜抗氧化响应.结果表明,油菜可食部位Pb含量为 1.72-6.35 mg/kg,超出标准(GB 2762-2017)4.73-20.16 倍.Pb大量分布在油菜茎和叶的细胞壁中(52.14%—86.99%),以草酸盐沉淀的形式存在(20.07%—59.27%),这可能会导致Pb在可食部位的大量累积(>95%).细胞壁的固持作用和Pb主要以草酸盐和不溶性磷酸盐存在,可能是油菜重要的解毒耐性机制之一.湿沉降铅胁迫可以增加叶和茎的丙二醛(MDA)含量,造成细胞的氧化损伤,抑制叶绿素的合成.油菜可以通过提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性(7.73%—346.91%),增加抗氧化剂(AsA和GSH)和可溶性物质(可溶性糖、可溶性蛋白)含量(9.11%—279.59%),来有效应对湿沉降Pb胁迫.抗氧化酶在叶中变化最大,过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别上升 49.41%—91.62%和 123.42%—346.91%.抗氧化剂则在根中变化最显著,抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量分别上升了 134.15%—182.93%和 238.78%—279.59%.可溶性糖、可溶性蛋白、POD、CAT和GSH可能是油菜叶能缓解湿沉降Pb氧化胁迫的主要因素之一(P<0.05).研究结果可加深对大气沉降下Pb在叶菜体内累积分布行为的理解,并为大气重金属胁迫地区农作物重金属风险评估提供一定的理论依据.

重金属铅(Pb)是造成土壤污染进而对生物安全构成严重威胁的重金属之一,微生物在缓解植物受Pb的毒害中发挥重要作用.与植物根际相互作用过程中,土壤微生物通过多种途径改善根际微生态环境促进植物对Pb的修复及降低Pb的毒害作用.聚焦了土壤微生物与重金属Pb生物化学作用过程,综述了微生物对植物修复Pb污染的作用机制,结论如下:(1)微生物细胞壁表面存在大量的结合位点和带负电荷的官能团,对Pb具有较强的吸附作用.(2)微生物在与重金属作用过程中,阳离子与重金属发生离子间的相互交换作用.(3)微生物通过代谢分泌胞外分泌物,与重金属形成稳定的Pb络合物.(4)微生物通过氧化还原反应改变或转化土壤中重金属的形态,或将Pb氧化还原为难溶沉淀,降低土壤重金属的毒性.(5)微生物分泌的生长激素可以促进植物生长发育,提高植物抗性,其代谢产物可以改善根际重金属的特性,促进植物对Pb的吸收或将Pb固定在植物根际以降低Pb对植物的毒害作用.对微生物吸附Pb的主要机理进行了全面讨论,总结了微生物联合植物修复Pb污染土壤中微生物与植物间的作用关系,为深入了解土壤重金属修复过程中植物、微生物、重金属三者间相互作用的机制提供依据.

本试验以烟草(Nicotiana tabacum)‘吉烟9号’为供试材料,采用盆栽的方法,探讨铅(Pb)胁迫对烟草生长和生理生化指标的影响.研究结果显示:随着Pb胁迫浓度的升高,‘吉烟9号’的叶长、叶宽、株高、茎围逐渐减小;叶绿素(Chl)含量下降;过氧化氢酶(CAT)与超氧化物歧化酶(SOD)活性先升后降;过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量逐渐上升;烟碱含量降低;淀粉含量先降后升;总氮、蛋白质、总糖、还原糖含量先升后降;可溶性糖含量在Pb胁迫浓度为150mg·kg-1时最高.总体来说Pb胁迫浓度大于150mg·kg-1条件不利于优质烟叶形成.

为明确不同浓度铅污染对苘麻(Abutilon theophrasti)光合特性及生长的影响程度,揭示苘麻对铅胁迫的光合适应能力,在铅污染土壤区域提供潜在物种.该研究设置五个铅浓度梯度(0、500、1 000、1 500、2 000 mg·kg-1) ,分析了在不同浓度铅污染胁迫下,苘麻的铅积累、气体交换参数、叶绿素荧光特性及生物量的变化.结果表明:当铅浓度在1 000 mg·kg-1以下时,净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs) 、光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ETR)的值分别与空白组的Pn、Gs、Fv/Fm、ETR值相比均不显著(P＞0.05),表明铅浓度小于1 000 mg·kg-1时,苘麻的光合活性未受到损伤,有很强的光合适应能力.苘麻生物量在500、1 000 mg·kg-1铅胁迫下为空白组的88.6%、106%,苘麻能够正常生长,说明苘麻能够适应铅污染的胁迫.当铅浓度低于1 000 mg·kg-1时,苘麻地上部与地下部对铅富集与转移的效果较好,表明在铅污染区苘麻也具有较强的铅积累能力.根据铅污染土壤区域的实际情况,结合苘麻在低浓度铅污染修复效率高的特点,认为苘麻可以作为铅污染地区修复的潜在物种.

为了解长期持续铅胁迫下植物不同世代间生理生化指标的变化,分析植物对铅污染的适应机制及植物对长期持续污染的响应机理,该研究以在250 mg·kg-1Pb持续污染的实验田中种植所得的第4、第8、第10、第13和第15世代蚕豆种子为材料,通过盆栽法,与同世代未受Pb胁迫的蚕豆做对照,分析了与抗氧化酶系统、总代谢等相关的8个生理指标,即叶绿素、蛋白质、可溶性糖、脯氨酸(PRO) 、丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD) 、谷胱甘肽还原酶(GR)和苹果酸脱氢酶(MDH)活力.结果表明:(1)在长期持续Pb胁迫下,与蚕豆光合作用能力有关的叶绿素含量在第8代与第13代之间与对照组相比具有显著的差异性(P＜0.05).(2)可溶性糖含量随胁迫时间的延长而逐渐升高,并在第10代时达到最高,随后开始向无污染的正常水平恢复并趋于稳定;蛋白质含量在胁迫至第13代后开始增加.(3) MDA与PRO含量在胁迫至第10代时达到最高,并随胁迫时间的延长而降低,至第13 代后逐渐趋于稳定.(4)抗氧化酶系统中的SOD、GR和MDH也同样呈现出先高后低的趋势,且GR的变化程度最大,MDH活力最早表现出与对照组的最大差异.研究认为:在长期的持续Pb污染胁迫下,蚕豆种群对Pb污染胁迫的适应性不断提高.

对不同浓度铅(Pb)胁迫下三叶鬼针草(Bidens pilosa L.)叶、茎和根中内源一氧化氮(NO)和活性氧(ROS)的生成机制及根系活力的变化,内源NO对Pb胁迫下三叶鬼针草幼苗氧化损伤的缓解效应进行了研究.结果显示,在0～1000 mg/L范围内,随着Pb浓度的增加,叶片中NO含量呈升高趋势,根中NO含量呈先升高后降低的趋势,但仍高于对照,Pb浓度在0～400 mg/L范围内,茎中NO含量与对照持平,Pb浓度大于600 mg/L时,茎中NO含量低于对照;600 mg/L Pb处理能显著增强叶、茎和根中一氧化氮合成酶(NOS)和硝酸还原酶(NR)活性,显著增加叶和茎中亚硝酸根离子(NO-2)和类胡萝卜素(Car)含量,NOS、NR、NO-2和Car均能促进叶片中内源NO的生成,NOS是根中内源NO生成的主要途径.Pb胁迫使超氧阴离子(O·-2)产生速率、过氧化氢(H2O2)含量、丙二醛(MDA)含量和相对电导率(REC)显著升高,从而造成幼苗严重的膜脂过氧化损伤,而胁迫诱发产生的NO能降低根中ROS的产生,促进幼苗根系活力,进而缓解胁迫造成的膜脂过氧化损伤.

该研究从中国烟草主栽品种'云烟87'的EMS突变体库中,通过TILLING技术筛选,获得NtHMA4的EMS突变体hma4-4h12.对突变体进行测序表明,该突变体核苷酸突变方式为C152T,氨基酸突变方式为T51I.利用100μmol/L氯化镉对突变体进行镉胁迫试验表明,hma4-4h12与对照'云烟87'相比,叶片中镉、锌、铜、砷、铅、镍含量分别降低55.48％、21.11％、20.96％、27.50％、16.23％和19.28％,铁、锰和铬含量与对照没有显著差异.hm a4-4 h12突变体大田农艺性状观察表明,其株高、节距、茎围等与对照相比显著变小,推测hm a4-4 h12中含有影响这些性状的突变位点.该研究获得的低镉突变体hm a4-4 h12可以作为培育低镉烟草品种的材料,但是育种中利用该突变体,后续还需要通过回交去除不利突变的影响.