[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.

我国矿产资源不合理开发导致的重金属污染较为严重,植物修复是解决土壤重金属污染问题的有效方式,因此亟需开展耐重金属胁迫植物筛选和尾矿堆积区重金属修复的研究.本研究以云南干热河谷地区广泛引种的辣木(Moringa oleifera)为对象,通过盆栽试验模拟不同浓度土壤复合重金属(Cd-Pb-Cu-Zn)胁迫,探讨了辣木叶片光合作用能力、植株生长特性和生物量分配对复合重金属胁迫的响应,揭示了辣木对复合重金属胁迫的适应机制和不同重金属的富集特征.结果表明,复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力、植株生长特性、生物量分配特征均产生了显著影响.复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力的影响整体表现为低促高抑;辣木株高、地径、根长、根粗的生长都受到显著抑制,且随着胁迫的加剧,抑制作用逐渐增强;随着胁迫的加剧,辣木将更多的生物量投入至地下部分.适应重金属胁迫过程中,辣木将更多的重金属储存在地下生物量中.此外,辣木对4种重金属元素的耐受性和富集能力不同,其中对Cu2+和Zn2+的耐受性较好,对Cd2+和Zn2+富集能力较强.综上,辣木对复合重金属胁迫有一定的耐受性,且生物量较大,生长较快,可考虑作为重金属污染较轻区域的辅助修复植物.

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.

藓类植物作为敏感的环境指示物,已被广泛应用于重金属污染的监测.以前期筛选的3种西北地区藓类植物——齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)、真藓(Bryum argenteum)、尖叶匐灯藓(Plagiomnium acutum)为材料,通过室内模拟Pb胁迫和生理生化测定,比较3种藓类植物叶绿素含量、渗透调节物质含量及抗氧化酶活性对不同浓度Pb胁迫的响应差异,为西北地区藓类监测提供科学依据.结果表明:真藓和尖叶匐灯藓的Chl含量对中低浓度Pb胁迫(1～5 mmol·L-1)具有应激效应,齿肋赤藓Chl含量在不同浓度Pb胁迫(1～10 mmol·L-1)下均表现为持续抑制,3种藓类植物的Chla/b值受Pb胁迫的影响显著降低.在Pb胁迫下,3种藓类植物会产生游离脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖来调节细胞渗透平衡,但在不同浓度处理的增幅情况有所不同,而高浓度的Pb(10 mmol·L-1)对3种藓类植物将产生严重的毒害现象,导致渗透调节物质含量显著降低.3种藓类植物丙二醛(MDA)含量随Pb浓度的增加显著上升,超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性的变化总体表现为低浓度(1～5 mmol·L-1)刺激正向应答,高浓度(10 mmol·L-1)产生抑制作用.综合分析得出,3种藓类植物对Pb胁迫的敏感性为:齿肋赤藓＞真藓＞尖叶匐灯藓,可将齿肋赤藓作为Pb污染敏感指示植物,耐Pb能力较强的尖叶匐灯藓具有Pb污染生物修复的潜力.比较不同生理指标变化发现,MDA含量对Pb胁迫具有单一浓度依赖性,可将其作为检测Pb污染的生物标志物.

为研究淹涝条件下水稻幼苗株高及碳水化合物消耗对不同外源生长调节剂的响应,本试验选用籼型常规稻IR64和导入耐淹涝基因Sub1的IR64-Sub1为试验材料,秧龄20 d时喷施1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)、多效唑(PB)、赤霉素(GA)3种外源生长调节剂,以喷施清水为对照(CK).喷施处理2d后进行0、4、8、12、16d没顶淹涝胁迫,淹涝胁迫结束后常温恢复7d,取样分析不同外源生长调节剂对水稻成活率、株高、叶绿素降解及恢复、地上部非结构性碳水化合物(NSC)消耗的影响.结果表明:淹涝导致水稻幼苗株高显著增长,叶片SPAD值快速下降,叶片可溶性糖迅速消耗,但耐淹涝品种IR64-Sub1淹水前茎鞘NSC含量明显高于IR64,淹涝中NSC消耗速率低于IR64,淹水结束后地上部淀粉含量高于IR64.外源PB处理显著抑制水稻幼苗株高增长、叶绿素降解及NSC消耗,提高存活率,且对IR64-Sub1效果更为显著.外源GA处理水稻幼苗叶绿素降解、株高增长和NSC消耗最快,植株恢复能力最低,耐淹涝能力最差,但与IR64相比,GA对IR64-Sub1淹涝耐性的抑制明显减弱.外源ACC促进伸长效果明显低于外源GA处理.淹水前喷施PB可有效抑制植株水下伸长,延缓叶绿素降解,减缓NSC消耗,保留更多NSC,为淹水胁迫解除后水稻快速恢复提供有利条件,这对于易涝地区减轻涝渍危害具有重要意义.

以阔叶树种木荷和栾树1年生幼树为对象,采用室内盆栽,通过配制3个不同浓度梯度的PbCl2溶液于盆栽土壤中(L1＜L2＜L3),对比研究Pb胁迫下两种幼树叶片叶绿素荧光参数的响应规律,运用Lake模型从能量平衡及分配的角度揭示不同浓度Pb胁迫下木荷和栾树光系统Ⅱ运转状况,并为木本植物幼树耐Pb程度的快速诊断提供数据支撑.结果表明:3个不同浓度的Pb处理下,两种供试幼树随着入射光强(PAR)的增大,除非调节性能量耗散(YNO)以外其他叶绿素荧光参数均随着PAR的变化而变化,相对电子传递速率(rETR)和可调节性能量耗散(YNPQ)呈上升趋势,而光系统Ⅱ(PSⅡ)量子效率(YⅡ)和光化学猝灭(qL)呈下降趋势.同时,两种供试幼树的最大光能利用效率(Fv/Fm)、rETR、YⅡ、qL,随着Pb污染浓度的增加而降低,而YNPQ和YNO则随着Pb污染浓度的增加而升高.Pb对两种供试植物叶绿素荧光参数的抑制效果在最大净光合速率(Pn)上也有体现.本实验还得出,在L1浓度时木荷PSⅡ反应中心的开放程度能保持在较高水准,随着污染浓度的增大,其光能转化能力弱于栾树.同时,栾树调节能量耗散的能力和对Pb胁迫的敏感程度均高于木荷,进一步说明了栾树对Pb的耐性高于木荷.综合分析后得出,YNO和YNPQ可作为植物Pb胁迫的评价指标.

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.