以前期在铜污染矿区修复中筛选出的耐铜樟树(Cinnamomum camphora(L.)Presl)为材料,通过盆栽模拟实验,以不添加铜为对照(CK),设置50、150、300、600、900、1 200 mg/kg 6个处理浓度,胁迫处理60 d后,测定樟树的生物量积累、叶绿素含量、生理生化指标及樟树对铜离子的富集和转移量,分析不同浓度铜处理对耐铜樟树生长、生理生化的影响,以及铜在不同组织的富集转运规律.结果显示,樟树对铜胁迫表现出低浓度(150 mg/kg)促进生长,高浓度抑制生长的趋势.超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)、过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)、游离脯氨酸和可溶性糖含量等生理指标在 900 mg/kg处理时没有显著升高;谷胱甘肽还原酶(Glu-tathione reductase,GR)随着处理浓度的升高逐渐降低;丙二醛(Malondialdehyde,MDA)、谷胱甘肽(Glutathione,GSH)含量则随着处理浓度的升高逐渐升高.各器官铜含量的大小顺序为根>叶>茎,樟树主要将铜富集在根系,往地上茎和叶的转移率很低,极大地降低了对茎、叶的铜毒害作用,且随着处理浓度的增加,铜由根系向叶片的转移率IF(Leaf/Root)由对照处理的 0.078逐降至 1 200 mg/kg处理时的 0.007;铜由根系向茎的转移率IF(Stem/Root)由对照处理的0.06逐降至1 200 mg/kg处理时的0.005.综合其生长、生理及铜的富集转运特性,樟树对铜具有较好的耐受性,耐受浓度可达900 mg/kg,是可用于铜污染土壤种植的理想材料.

目前,室内通过人工控制方式开展红树林对环境胁迫的响应研究,忽视了不同红树植物物种的生长习性,且以单一胁迫为主.通过野外生长与人工控制相结合方式,研究 5 个时期(2018.6-2020.8)盐和铜胁迫对 3 种红树植物(秋茄、拉关木和木榄)11 种功能性状的影响,使用单因素和双因素方差分析研究不同时期不同树种下盐和铜胁迫对叶片功能性状的影响,回答红树植物功能性状对盐和铜单一及复合胁迫响应的科学问题.结果表明,不同时期下,三种红树植物功能性状具有明显差异.随着时间增长,三种植物的碳含量和冠层高度均呈升高趋势,其他功能性状因物种不同而表现出不同趋势;与乡土红树植物(秋茄和木榄)相比,外来入侵物种(拉关木)具有更快的生长速度.不同时期下,拉关木比秋茄和木榄具有更好耐盐性,三个物种的植物生长发育对铜胁迫的响应均不敏感.大部分时期下,单一盐胁迫对拉关木的植物功能性状无显著影响(P＜0.05),对秋茄和木榄的碳含量、冠层高度和比叶面积有显著影响(P＜0.05);单一铜胁迫对三个物种的绝大多数功能性状无显著影响.另外,盐-铜复合胁迫对秋茄叶片碳、磷、氮磷比及冠层高度有显著影响(P＜0.05),对拉关木叶片碳、铜含量、冠层高度、比叶面积有显著影响(P＜0.05),仅对木榄SPAD值有显著影响(P＜0.05).在红树林保护修复工作中,研究成果可为红树林退化原因和机理阐释、红树林生长监测评估、生境治理以及树种选择提供一定的理论依据.

红裸须摇蚊Propsilocerus akamusi为华北地区常见耐污种,广泛分布于各种水体中.本研究采用传统培养法对4龄红裸须摇蚊幼虫肠道内细菌种类进行分离,利用16SrRNA基因序列分析比对,结合菌落形态、系统进化分析等方法进一步鉴定菌株种类,同时探究可培养菌株对重金属(铜、镍)的耐受情况.结果表明,红裸须摇蚊幼虫在重金属铜暴露下的 24 h-LC50、48 h-LC50、72 h-LC50、96h-LC50分别为 6304.86、403.59、29.33 以及14.43 mmol/L,在重金属镍暴露下的 24 h-LC50、48 h-LC50,72 h-LC50、96 h-LC50分别为 339.52、182.18、102.59以及60.94 mmol/L.利用LB、NA、BHI、MC 4种培养基,从幼虫肠道分离纯化到16种不同遗传型细菌,分属2门9科16属,其中优势菌门为变形菌门Proteobacteria0另外,丛毛单胞菌科Comamonadaceae丛毛单胞菌属Comnamonas丛毛单胞菌Comamonas sp.对重金属铜和镍有良好耐受性.通过研究红裸须摇蚊幼虫肠道可培养细菌群落组成以及重金属胁迫下摇蚊幼虫肠道细菌群落生长情况,可为水生昆虫肠道菌群资源库的开发提供了一定的思路,也可为筛选出具备重金属代谢功能的细菌资源奠定基础.

采用MiSeq高通量测序技术对耐铜植物茵陈蒿根际的细菌16S rDNA基因V3-V4区片段进行了测序,研究了细菌群落结构的变化,并分析了其与土壤环境因子的关系.研究表明,采样点Cu3中细菌群落的多样性、丰富度、均匀度、ACE指数、Chao1指数等均显著低于Cu1和Cu2,但Cu3的覆盖度高于Cu1.排名前10的优势细菌门总相对丰度均在95％以上,其中8个优势细菌门在3个采样点中是相同的,包括Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Gemmatimonadetes(芽单胞菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Verrucomicrobia(疣微菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)和Unclassified(未分类门)等.采样点Cu1中变形菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门的相对丰度显著高于其他两个采样点,而酸杆菌门、放线菌门、疣微菌门、绿弯菌门(Chloroflexi)和未分类门则刚好相反,表明细菌对胁迫环境的适应能力有明显差异.主坐标和冗余分析表明,3个采样点的细菌群落结构发生了明显改变.土壤环境因子与细菌群落的变化关系密切,8个因子的特征值共解释了97.5％的总方差.其中,总铜、总磷、pH、有效磷和有机质为显著性因子,可以解释93.9％的群落变化,但影响不同采样点细菌群落的主导因子有所差异.

双组份信号传导系统(TCS)是细菌最常见的膜传导系统,在细菌对外界环境胁迫响应机制中发挥着的重要作用.贪铜菌属细菌是典型的重金属抗性细菌,对多种重金属具有抗性.但是,迄今为止,有关贪铜菌的TCS研究尚不多见.本研究基于前期研究结果,运用全基因组生物信息学分析的方法,以Cupriavidus gilardii CR3为模式菌株,鉴定和分析了Cup riavidus gilardii的双组份信号传导系统基因分布及编码蛋白结构特征.结果表明,Cupriavidus gilardii CR3共有96个双组份信号系统基因.其中,有22个组氨酸激酶基因和反应调节因子成对存在组成双组份信号传导系统,12个融合组氨酸激酶,13个孤儿组氨酸激酶和27个孤儿反应调节因子.与已有文献报道的Cupriavidus metallidurans CH34、Cupriavidus necator N-1和Cupriavidus taiwanensis LMG 19424的双组分信号传导系统相比,Cupriavidus gilardii CR3的双组份信号系统较少,而融合组氨酸激酶和孤儿反应调节因子所占比例较大.Cupriavidus gilardii CR3含有特有组氨酸激酶功能域(PDB,MEDS,KdpD)和反应调节因子功能域(ABC),这与Cupriavidus gilardii CR3的生存环境密切相关.本研究有助于全面了解贪铜菌属细菌双组分信号传导系统的功能机制,挖掘其在生物领域的应用潜力.

铜锌超氧化物歧化酶(CuZnSOD)是一种清除超氧阴离子自由基的金属酶,与多种抗逆性相关.该研究利用CaMV35S启动子融合巨尾桉EuCuZnSOD1基因通过根癌农杆菌介导的叶盘转化法导入巨尾桉中,经卡那霉素初步筛选和PCR鉴定,得到10株转基因阳性植株.结果表明:通过-13.1℃暗处理5 h的抗寒性实验,发现40和41号植株在低温下无叶片萎蔫现象,组培室培养100 d后全株存活无白化叶片,说明这两株转基因巨尾桉的抗低温和冻害后恢复能力较强.在4 ℃低温胁迫下跟踪监测转基因温室苗的SOD酶活性发现,与对照相比转基因植株的SOD酶比活力无规律性且变化不大,但是相同条件下实时定量PCR检测结果表明抗寒性较强的40和41号植株在常温下EuCuZnSOD1的表达量较对照增加了约9倍,4 ℃处理36 h后EuCuZnSOD1的表达量相比对照植株分别增加了16倍和36倍,说明EuCuZnSOD1在低温胁迫下的表达量增加提高了巨尾桉的耐寒性.分析转基因组培苗全株的硫酸木质素含量,表明EuCuZnSOD1高表达不影响甚至降低了巨尾桉的木质素含量,40号植株的木质素含量与对照相同,而41号整株植株的木质素含量相比对照降低了56%,其他检测转基因植株的木质素含量均有不同程度的降低.该研究结果表明巨尾桉中大量表达EuCuZnSOD1基因可以提高巨尾桉的抗寒能力以及寒害后的恢复能力,不影响甚至可能是负调控了转基因巨尾桉的木质素生物合成.

为评价铜绿微囊藻的有毒(Microcystin-producing Microcystis aeruginosa)、无毒(Microcystin-free M.aeruginosa)品系对轮虫种群增长和表型特征的影响,研究探讨了萼花臂尾轮虫(Brachionus calyciflorus)在不同微囊藻溶液中的生活史参数及形态变化.实验中各处理组单位体积总含碳量为(20.61±0.15)g C/mL,以使轮虫获得等碳量的食物供应.实验组轮虫分别用蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)、有毒和无毒微囊藻溶液单独投喂,并用有毒、无毒蓝藻菌分别与不同绿藻的混合液投喂.生命表实验结果表明,不同微囊藻混合液投喂的轮虫净生殖率R0 (F=102.71,df=32,P＜0.001)、世代时间T(F=17.05,df=32,P＜0.001)和内禀增长率rm (F=18.89,df=32,P＜0.001)与对照组相比降低1.36％-210.34％.侧棘刺长(F=28.18,df=65,P＜0.001)和游泳速度(F=181.69,df=65,P＜0.001)下降2.63％-39.07％,轮虫体长(F=690.04,df=65,P＜0.001)变化显著.与绿藻投喂的轮虫参数值相比,轮虫的生命表参数和表型特征变化规律随微囊藻溶液浓度改变.萼花臂尾轮虫受到铜绿微囊藻胁迫时,生长繁殖受到抑制并通过改变自身形态以抵御不利的生存环境.

以柠檬香蜂草(Melissa o f f icinalis)幼苗为材料,设置不同浓度Cu2+胁迫(CK、200、400、800和1000 mg· kg -1)盆栽实验,测定胁迫0、7、14、21、28 d后植物生物量、叶绿素含量、抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量以及植物体内Cu含量等指标,探讨柠檬香蜂草对Cu2+的耐受性及其积累特征.结果表明:(1)相同处理时间下,柠檬香蜂草除MDA含量外其他所有指标均随着Cu2+胁迫处理浓度的增加呈低浓度促进、高浓度抑制的变化趋势,且高浓度组(800和1000 mg·kg -1)与低浓度组(200和400 mg·kg -1)之间差异显著(P<0.05);MDA含量在1000 mg·kg -1浓度下持续增长至第14天后开始下降.(2)柠檬香蜂草体内Cu的积累量随Cu胁迫浓度的升高呈先增加后减少的趋势,并在浓度为400 mg·kg -1时达到最高值(0.71 mg/盆).(3)在整个胁迫过程中,柠檬香蜂草植株的铜富集系数及其耐性系数均随Cu浓度的增加而减小,各处理浓度对Cu的耐性系数均大于0.5,富集系数均大于1.研究发现,柠檬香蜂草对Cu胁迫具有一定耐受性和富集能力,具有成为铜污染土壤修复植物的潜力.

少根紫萍(Landoltia punctata)是一种浮水生、多功能、高环境适应能力的能源植物,为了解其生理特性的分子机制,利用少根紫萍转录因子预测数据与拟南芥、水稻、玉米数据库数据进行宏观比较,并结合转录组测序技术对少根紫萍营养胁迫后转录因子表达分析.结果显示,少根紫萍有1 076个转录因子,分属于66个家族,其中在bZIP、WRKY、AP2/ERF-ERF、MYB、NAC、MADS-box等家族基因数明显减少,一定程度上解释了浮萍高黄铜低木质素、难开花的生理特性;少根紫萍在营养胁迫下偏向上调AP2/ERF-ERF、MYB、bHLH家族特定基因和下调AP2/ERF-ERF、WRKY家族特定基因来响应营养胁迫,尤其是AP2/ERF-ERF、WRKY两个家族中特定基因表达下调在响应水体营养胁迫中有非常重要的作用.本研究在转录因子层面对浮萍的生理特性,特别针对营养胁迫下转录因子的表达进行了探究,可为建立浮萍水生模式植物系统、深入探讨少根紫萍响应营养胁迫机制以及改造成耐受胁迫的高效淀粉积累能源植物提供理论指导.

采用盆栽试验,添加不同浓度(0、200、400 mg·kg-1)铜(Cu),研究接种丛枝菌根真菌(AMF)摩西球囊霉(Glomus mosseae)对白术(Atractylodes macrocephala)幼苗生长、光合特性、膜脂过氧化程度及抗氧化酶活性的影响.结果表明:与对照相比,Cu胁迫使白术幼苗生长和叶片光合系统受到明显抑制,膜脂过氧化水平升高,抗氧化酶活性降低;接种摩西球囊霉后发现其能够较好地侵染白术根系,接种摩西球囊霉的白术幼苗在不同浓度Cu胁迫下,均表现为叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量增加,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)显著升高,胞间CO2浓度(Ci)显著下降,质膜相对透性(MRP)及膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量显著降低;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性较对照显著增加,植株生长量和体内Cu积累量较对照均有所下降.以上结果说明接种摩西球囊霉可提高Cu胁迫下白术幼苗叶片光合能力和抗氧化能力,降低膜脂过氧化水平,减少白术根系对Cu的吸收,缓解Cu胁迫对白术植株的伤害,提高白术产量和品质.