基于转录组测序金丝草叶片响应铅胁迫的抗氧化酶相关基因

为了深入揭示植物抗氧化酶的相关基因及其响应重金属胁迫的作用机制,以重金属铅（Pb）超富集植物金丝草[Pogonatherum crinitum（Thunb.）Kunth.]为研究对象,设置Pb浓度0、300、500、1 000 mg·L^-1和2 000 mg·L^-1的水培模拟胁迫试验,测定不同Pb浓度下金丝草叶片的抗氧化酶活性,并对Pb胁迫处理的金丝草叶片进行RNA-Seq测序,将转录组测序得到的Unigenes通过GO与KEGG富集注释,筛选出叶片抗氧化酶相关的DEGs,并利用实时荧光定量聚合酶链反应（qRT-PCR）进行验证。结果表明：随Pb胁迫浓度的增加,金丝草叶片过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性呈增加趋势,丙二醛（MDA）含量则呈先增加后降低的趋势;转录组测序得到总碱基数为56.34 Gb,各样品碱基质量达到Q20、Q30水平的均大于90%,测序结果可靠;筛选出的DEGs通过GO与KEGG数据库进行对比注释发现,金丝草叶片DEGs在“过氧化物酶体”“氧化还原酶活性”“氧化还原酶活性,作用于CH-OH供体组”“活性氧代谢过程”和“过氧化氢代谢过程”等与抗氧化相关的GO功能条目上显著富集,在“谷胱甘肽代谢”“抗坏血酸和醛糖代谢”“植物激素信号转导”“黄酮类生物合成”和“MAPK信号通路-植物”等与抗氧化相关的KEGG通路上显著富集; Pb胁迫下金丝草叶片抗氧化酶相关基因PcSOD、PcPOD和PcCAT上调表达,qRT-PCR验证结果与转录组测序结果一致,Pb胁迫下这些基因的相对表达量与抗氧化酶活性的变化趋势一致。研究表明,金丝草可通过提高抗氧化酶活性来适应Pb胁迫,抗氧化酶相关基因PcSOD、PcPOD和PcCAT参与了金丝草应对Pb胁迫的调控过程。     

重金属在超富集植物少花龙葵和李氏禾体内的分布和移动特征

通过研究超富集植物少花龙葵和李氏禾在加镉/铬和去镉/铬处理中重金属的富集情况,探讨镉/铬在这两种植物体内的分布和移动特征.结果显示,少花龙葵在100 mg/L Cd污染时生物量显著高于对照,根、茎和叶镉含量分别达到22 930、3 250、94 mg/kg,富集系数分别为229、32.5和0.9.去镉处理改变了镉在少花龙葵体内的分布模式.少花龙葵根、茎的镉浓度在去镉处理比加镉处理降低31.2％和35.9％,叶的镉浓度上升90.3％.少花龙葵在加镉处理成熟叶(第2、3片叶)的镉含量最高,在去镉处理中转移至老叶(第1片)和新叶(第5、6片)中.李氏禾在加铬处理20mg/L Cr(Ⅲ)和20mg/L Cr(Ⅵ)时叶生物显著低于对照,但在去铬处理恢复正常.在20 mg/L Cr(Ⅲ)和20 mg/LCr(Ⅵ)处理中李氏禾根、茎和叶的铬浓度相当,分别为7 114、1 021、223 mg/kg,富集系数分别为352、51和6.8.李氏禾不同叶位的叶片铬浓度相差不大,去铬处理没有改变铬在李氏禾体内的分布模式.结果表明,少花龙葵和李氏禾对镉或者铬污染具有很好的修复效果;镉在少花龙葵体内具有移动性,镉离子进入植物根、茎和叶后,受到外部环境影响可以进行再分配;李氏禾对铬的吸收是一个单方向过程,先在根系中积累,进而跨膜转运至茎中,少部分转移叶中,铬进入植物体各部位,很难进行再分配.     

不同硼浓度对三种超富集植物吸收硼及重金属的影响

通过水培试验研究了0~15 mg·L-1的硼(B)对Zn/Cd超富集植物东南景天(Sedum alfredii)、Zn/Cd/Ni超富集植物遏蓝菜(Noccaea caerulescens)和Ni超富集植物庭荠属(Alyssum murale)在20 mg Zn·L-1及18 mg Ni·L-1胁迫下生长和吸收重金属的影响。试验结果显示:较低浓度的硼促进三种超富集植物的生长和重金属吸收,而高浓度的硼则表现出抑制作用;三种植物在硼处理浓度为10.0mg·L-1时都开始表现中毒的症状,三种植物地上部分的硼含量随硼处理浓度的增加而增大,S.alfredii叶部、N.caerulescens、A.murale地上部分的硼浓度范围分别为40.2~880、115~744、156~922 mg·kg-1干重;当硼处理的浓度为2.0、0.5 mg·L-1时,S.alfredii和N.caerulescens地上部分的重金属吸收达最大值,A.murale地上部Zn和Ni的含量则分别在硼处理浓度为2.0、5 mg·L-1时达到最大。     

蜈蚣草的超微结构和砷、钙的亚细胞分布

本文对砷和钙处理下蜈蚣草羽叶中砷、钙的亚细胞分布、超微结构变化及钙定位进行了研究。无砷处理下,各亚细胞组分中砷的分布为:细胞壁>胞质>细胞器。0.2.mmol/L砷处理下,羽叶各亚细胞组分中砷的分布为:胞质>>细胞壁>细胞器。不同处理下,各亚细胞组分中钙含量变化规律相似:细胞壁最高,胞质其次,而细胞器远低于前两者。5.mmol/L钙处理对蜈蚣草羽叶细胞超微结构产生破坏,使细胞出现明显的质壁分离。在高砷高钙环境中,钙可能会增强砷对蜈蚣草的毒害效应,导致羽叶细胞的超微结构受到破坏。     

Zn超富集植物长柔毛委陵菜对Cd的耐性与富集特征

通过野外调查和营养液培养,证明Zn超富集植物长柔毛委陵菜(Potentilla griffithii var.velutina)无论在自然条件下还是营养液培养条件下,都对Cd具有很强的耐性和富集能力,是一种潜在的重金属Cd超富集植物。自然条件下生长于铅锌矿区的长柔毛委陵菜,其根系土壤Cd总量为101～1331mg·kg-1,平均320mg·kg-1;植物Cd含量叶片为39～765mg·kg-1,平均178mg·kg-1,叶柄为64～1422mg·kg-1,平均280mg·kg-1;Cd转运系数为0.64～1.18,平均值0.84;生物富集系数为0.22～1.68,平均0.80。营养液培养条件下,长柔毛委陵菜在Cd浓度≤20mg·L-1的介质中能够正常生长;植物叶片、叶柄及根部Cd含量随介质中Cd浓度的增大而增大,叶和柄中Cd含量在60mg·L-1的Cd处理时都达到最大,分别为1604和6145mg·kg-1;不同组织的Cd含量顺序为根>柄>叶;体内累积的Cd有60%以上储存在地上部。营养液培养的Cd转运系数小于自然状况。     

小飞扬草(Euphobia thymifolia L.)对土壤Cr Cd Ni复合污染的反应和积累特征研究

针对目前植物修复中对Cr、Cd、N i复合污染的超富集杂草类植物缺乏的状况,采用盆栽试验方法,研究了小飞扬草(Euphobia thym ifoliaL.)对3种重金属的积累特性以及重金属复合污染对植物生长的影响。结果表明,小飞扬草在低浓度组合下对Cr、Cd、N i的富集系数最大值均>1,分别为1.54、3.93、5.68,且能同时富集Cd、N i,具备了作为超富集植物的特征;3种重金属在小飞扬草内的迁移率大小顺序为Cd>Cr>N i;小飞扬草能耐受Cr、Cd、N i复合污染,可作为尾矿废弃地植被重建到修复过程中的优先选择植物。     

氮对超积累植物东南景天生长和镉积累的影响

通过水培试验,研究了氮素水平对超积累植物东南景天植株生长和镉吸收积累的影响。结果表明,在一定范围内供氮（4.0-16.0 mm ol/L）能明显促进东南景天的生长,随着氮素水平的升高,地上部和根系的生物量也提高,在供氮水平为16.0 mm ol/L时达到最大值,而当供氮水平≥32.0 mm ol/L时,东南景天的生长受到严重的抑制,其地上部和根系的生物量开始下降,各项根系形态的指标（包括根系长度、根系表面积、根系直径、根系体积）均有所降低。氮对东南景天体内镉积累有一定的促进作用,随着氮素用量的增加,体内镉含量逐渐升高,与生物量不同,镉含量在氮水平32.0 mm ol/L条件下达到最大。研究结果表明,适当提高营养液氮素水平,有利于东南景天的生长和镉吸收,为进一步利用东南景天修复镉污染土壤,提高修复效率提供科学依据。     

Intercropping with hyperaccumulator plants decreases the cadmium accumulation in grape seedlings

In this experiment, four cadmium (Cd) hyperaccumulator species (Crassocephalum crepidioides, Galinsoga parviflora, Sigesbeckia orientalis, and Solanum nigrum) were intercropped with grape (Vitis vinifera) cuttings together in Cd-containated soil to study the effects of intercropping with the Cd-hyperaccumulator plants on growth and Cd accumulation of grape seedlings. Compared with the monoculture, intercropping with S. nigrum increased the biomass of grape seedlings, but intercropping with the other three hyperaccumulator species decreased the grape seedling biomass. Intercropping with S. nigrum increased chlorophyll a and total chlorophyll contents in leaves of grape seedlings compared with the monoculture, whereas intercropping with the other three hyperaccumulator species showed either a decrease or no effect. Intercropping with hyperaccumulator plants had no significant effects on chlorophyll b and carotenoid contents in leaves of grape seedlings compared with the monoculture. Compared with the monoculture, intercropping with C. crepidioides, G. parviflora, S. nigrum and S. orientalis significantly decreased Cd contents in shoots of grape seedlings by 78.7%, 12.7%, 29.8% and 26.5%, respectively. Therefore, intercropping with hyperaccumulator plants can decrease Cd accumulation in grape, and intercropping with S. nigrum can also promote grape seedling growth.     

Enhanced Lead Uptake by an Association of Plant and Earthworm Bioaugmented with Bacteria

Lead (Pb) is recorded as the second most hazardous pollutant of the environment. Previous cases of Pb bioremediation has been reported using single biosystem, but very few reports are available in biological approaches using multi-biosystems to achieve an enhanced bioremoval of Pb. The present study evaluated the capacity of a unique association of Pennisetum purpureum, a hyperaccumulator plant, and Lumbricus terrestris (earthworm) bioaugmented with a Pb-resistant bacterium, obtained from an industrially contaminated site and identified as isolate VITMVCJ1 Klebsiella variicola, to bioremediate Pb. The Pb-resistant gene was amplified in the bacterial isolate VITMVCJ1. The study was conducted for 60 d. Results verified that the bioaugmentation process enhanced 1) root and shoot length of the plants, 2) chlorophyll content of the plants, and 3) biofilm-producing ability of the microbes from the rhizosphere region of the plants. The total phenolic and flavonoid contents were found to be lower in the plants in the bioaugmented setup. The study also observed a reduction in the toxic effects of Pb on earthworm and plant. The earthworm was used to assess the Pb-induced stress syndrome after exposure to sublethal concentrations of Pb in the soil. A reduction in the content of malondialdehyde, a potential biomarker, on exposure to Pb demonstrated the role of the inoculum to alleviate heavy metal-induced stress in earthworms. All three symbionts accumulated Pb; Pb was accumulated mainly in the root of the plant, and poorly in the shoot of the plant and body mass of the earthworm. The bioaugmentation system exhibited stable and excellent uptake of Pb from the contaminated soils. The results of the present study suggest the positive effect of the synergistic association of the plant and earthworm with appropriate microbes for the bioremoval of Pb.     

青葙对镉的超富集特征及累积动态研究

通过盆栽试验,研究了青葙(Celosia argentea Linn.)在0(对照)、1、5、10、15、20、25 mg·kg~(-1)七个浓度下对土壤Cd的耐受和富集特征,评价了青葙对CdCl_2、CdSO_4、CdCO_3、Cd(OH)_2、Cd S、Cd O和Cd(NO_3)_2等形态Cd的富集能力,并在Cd污染的水稻田土壤中测试了青葙体内Cd的动态累积过程。结果表明,青葙对Cd具有极强的耐受和富集能力,在土壤Cd处理浓度≤15 mg·kg~(-1)时,其生物量未出现显著下降(P0.05)。除对照外,青葙叶片Cd含量均高于100 mg·kg~(-1),并且转运系数和富集系数均大于1,符合Cd超富集植物的基本特征。实验同时发现,青葙不仅能大量富集水溶性Cd,对难溶性Cd也表现出很强的超富集能力,在外源添加Cd(OH)_2、CdS和CdO等难溶性Cd的土壤中,青葙叶片Cd含量分别达到134、102、90.20 mg·kg~(-1),表明青葙具有修复不同形态Cd污染土壤的性能。总体而言,青葙对Cd的累积量随时间增加而增大,但在第8~12周时,其地上部植株Cd的富集量增加不显著(P0.05),由此判断第8周是青葙收获的适宜时期。青葙收获期短这一特性,对于缩短修复周期,提高修复效率有重要的意义。由于青葙生长快速,具有较大的生物量,对Cd耐受和富集能力强,可以认为青葙是一种具有潜在应用价值的Cd超富集植物资源。