稳定同位素分馏示踪超富集植物对锌吸收和转运机制的研究

The Zn stable isotopes have shown a great potential to trace the mechanisms associated with Zn uptake and transfer in plants. In this project, by using the Zn model hyperaccumulator Noccaea caerulescens and non-accumulating relative plant, we will study the extents and coefficient factors of stable Zn isotopic fractionation generated by soil solution chemistry within rhizosphere, root uptake and root-shoot translocation. The mass-dependent fractionation model of stable isotopes will be utilized to simulate the correlation between isotopic fractionation and Zn uptake, translocation and partition. The present project aims to establish the relationship between isotopic fractionation and plant physiological responses, to trace the mechanisms associated with Zn accumulation and tolerance in hyperaccumulators, and thus to provide scientific basis for the phytoremediation of Zn contaminated soils.

锌的稳定同位素技术在示踪植物对锌的吸收转运机理方面已展现出巨大的潜力。本项目拟以Zn的模式超富集植物遏蓝菜(Noccaea caerulescens)为材料，以同属非富集植物为对照，系统深入地研究根际土壤溶液化学过程、根系吸收过程和根系-地上部转运过程产生的同位素分馏特征、程度和机制，表征Zn同位素分馏系数，采用同位素质量分馏模型，模拟同位素分馏与Zn吸收、转运和分配之间的关系。项目旨在建立稳定同位素分馏与植物生理生化响应的联系，揭示超富集植物对Zn的吸收富集和耐性机理，为Zn污染土壤的植物修复提供科学理论依据。

稳定同位素分馏技术在示踪植物对重金属的吸收转运机理方面展现出巨大的潜力。本项目以遏蓝菜(Noccaea caerulescens)等锌/镍模式超富集植物为材料，以非富集植物Thlaspi arvense为对照，深入研究了植物锌/镍吸收和转运过程中产生的同位素分馏特征、程度和机制，揭示超富集植物对重金属的富集和耐性机理。主要研究结果如下：.. (1) 植物根部的跨膜运输过程是影响植物体同位素组成的主要过程；综合Ni/Zn浓度及同位素分馏在各处理的变化，推测Ni主要通过Zn的低亲和力吸收通道进入植物体内，植物体不存在专门的Ni吸收通道；Zn在超富集植物N. caerulescens中的吸收主要受高亲和力转运子和低亲和力转运通道共同调控。本研究在国际上首次报道了高等植物体内的Ni同位素分馏现象，并将其应用于示踪超富集植物Ni的吸收机理。.. (2) 在Zn缺乏或胁迫下，N. caerulescens较小的植物-溶液间同位素分馏说明Zn的吸收主要受高亲和力转运子(如转运蛋白)调控，而高Zn胁迫下非富集植物T. arvense整体吸收Zn轻同位素，表明该植物主要通过低亲合力转运系统(如离子通道)吸收Zn。在根部，最大Zn同位素值存在于紧密结合态质外体中，说明高Zn胁迫下根系存在强烈的Zn区室化过程，表明Zn同位素分馏能够很好地揭示Zn胁迫下植物根部解毒过程。本研究将地化领域中的稳定同位素分馏与土壤环境污染修复有机地结合，丰富了重金属污染土壤的植物修复理论和超富集机理。.. (3) 超富集植物N. caerulescens韧皮部中含有高浓度的Ni/Zn；且随着叶龄的增长及叶片Ni/Zn含量的增加，韧皮部汁液中的Ni/Zn浓度也随之增加；韧皮部汁液中高含量的有机酸可能是Ni/Zn的主要络合物质；同位素示踪试验表明，韧皮部转运的主要输出方向是老叶-新叶，因此Ni在韧皮部的运输会显著影响新叶中Ni的积累。在国际上首次研究了超富集植物韧皮部汁液中Ni、Zn的赋存形态，该发现明确了韧皮部转运在Ni、Zn超富集过程中的重要作用，完善了超富集植物的对Ni、Zn的转运/再转运机理。