枸杞植物中钒的分布、赋存形态及生态毒理研究

本项目以两广地区典型食疗蔬菜枸杞植物中钒为研究对象，采用室外盆栽试验和室内研究试验相结合，运用分析化学、环境化学和分子生物学等学科理论和方法，从宏观测定到微观观察探索钒的生物化学作用。在研究枸杞植物中钒的含量分布基础上，借助化学试剂顺序提取法、生物吸附分离、差速离心技术和凝胶过滤技术，结合IC、EDX、XRD、SEM和TEM等现代分析测试技术，重点研究钒在植物中的赋存形态、亚细胞分布和分子分布、细胞外观变化及超微结构的损伤等基本问题，突出研究钒对植物细胞的生态毒性和抗性。通过揭示枸杞植物中钒的分布特点和形态规律，理论上可阐明钒在植物中的积累、运移和转化等生物效应，提出钒的植物毒性和抗性机理的新理论体系，为培育高抗性、低积累的枸杞植物品种提供理论依据，以确保枸杞菜的品质和产量。实践上可建立植物中钒形态分析新方法，灵敏度、准确度满足痕量分析要求，有望在重金属污染土壤的生物修复中发挥良好作用。

本项目针对枸杞、水稻等植物，通过土培、沙培和水培试验，利用连续浸提法、组织化学法结合差速离心技术、凝胶过滤技术和SEM和TEM等现代测试技术，研究钒在植物中积累、细胞分布、形态分布、蛋白分子分布和植物超微结构变化，为探明钒的生态毒性和植物抗性机理提供科学依据，结果表明：.（1）钒在枸杞、芥菜、小白菜和水稻各器官中含量分布依次为：根>茎>叶>籽实，钒在植物中是被动吸收输运。随着钒浓度增加，枸杞根中钒含量和分配比例显著增大，生物富集系数（BCF）增加，转运系数（TF）下降，植物中钒主要富集在根部，可减轻过量钒对植物可食部分的毒害。枸杞植株属于钒的耐性植物，食用枸杞嫩叶不会对人体健康有影响。（2）枸杞叶中钒的亚细胞分布规律为：F1（细胞壁）＞ F4（可溶性组分）＞ F2（细胞核）＞F3（线粒体和叶绿体）。显然，细胞壁是钒重要分布位点，大部分钒贮存于细胞活性较弱的非生理活动区，可大大降低钒对枸杞幼苗的毒害。而钒在细胞壁固持和可溶性组分的液泡区隔化，对植物自身解毒重金属起着重要作用，这可能是枸杞植物耐钒的主要机制。（3）钒在枸杞幼苗不同器官呈现不同的形态分布规律。茎和叶中钒主要以酸溶极性化合物（A3），与蛋白质、多糖及细胞壁上惰性物质结合形式（A7）存在，根组织中钒主要与细胞壁结合（B4）。酶解分析表明，枸杞根组织约60%的钒与果胶或纤维素结合。枸杞中钒主要以难移动金属螯合物形式贮存在细胞壁等部位，而根系细胞壁中的纤维素和果胶对钒具有一定的解毒作用，从而减轻钒对植物的伤害。所以，枸杞植株是钒的耐性植物。（4）随着钒浓度增大，枸杞和水稻幼苗的叶绿素含量、可溶性蛋白含量、CAT、POD和SOD活性等呈先上升后下降的变化；MDA含量和细胞膜透性增加，而根系活力下降。可见，当钒浓度超过一定阈值（＞100 mg•kg-1），明显抑制叶绿素、抗氧化酶活性和根系活力，伤害细胞质膜系统，对植物生长产生危害。而低浓度钒胁迫可以激发植物的防御功能以缓解其对自身的危害，提高其抗性并刺激植物的生长。（5）分析枸杞和水稻叶片的SEM和TEM图发现，钒胁迫下植物的表观形貌发生变化，而超微结构受到明显损伤，其主要受损部分为线粒体、叶绿体、细胞核、高尔基体以及细胞壁，所以钒对植物幼苗的生长发育有毒害作用。从超微结构的损伤程度来看，枸杞受损伤比水稻严重，表明对于钒胁迫水稻比枸杞具有更强的耐性。