马缨丹富集重金属镉的生理机制和蛋白质组学基础研究

针对土壤重金属镉污染日趋严重所造成作物产量与品质降低，并间接危及人类的生命和健康等问题，本项目以地上部生物量大、生长迅速的马缨丹（Lantana comara L.）为试材，采用盆栽模拟试验，研究马缨丹对重金属镉的积累特性及蛋白质组学基础研究。通过测定马缨丹体内镉富集量和亚细胞水平的区域化分布，结合根系分泌物对根际环境的影响，探讨马缨丹富集镉的生理机制；运用双向凝胶电泳技术（2-DE），获得镉胁迫下马缨丹植株的蛋白质表达图谱，并对差异蛋白和特异蛋白进行生物信息学分析，进一步对差异蛋白进行免疫印迹（Western-blotting）分析，以此来探讨马缨丹响应镉胁迫的蛋白质基础。该研究可为镉污染土壤的植物修复技术提供理论依据，具有重要的理论价值和应用价值。

以马缨丹为试材，采用盆栽模拟试验，研究了不同浓度镉处理对马缨丹植株体内镉的富集特征、根系分泌物和根际土壤环境、马缨丹体内差异蛋白和特异蛋白表达、活性氧代谢及根际土壤镉形态的影响。结果表明：（1）随着镉处理时间的延长和处理浓度的增加，马缨丹根、茎、叶及地上部中的镉含量和富集量均呈逐渐增加趋势；不同浓度镉处理下，马缨丹地上部镉富集量显著高于根中镉富集量；马缨丹通过根部对镉的沉淀限制镉向地上部的转运，以及液泡区隔化和细胞壁固持来减缓镉对植株的毒害作用。（2）随着镉处理浓度的增加，马缨丹根系分泌物中有机酸和氨基酸总量显著增加；导致马缨丹根际土壤pH和Eh降低，有利于镉的活化和马缨丹对镉吸收；马缨丹根际土壤酶活性普遍高于非根际土壤酶，且均随着重金属浓度的增加受到抑制，但受抑制程度也是根际土壤酶大于非根际土壤酶。（3）镉处理下，马缨丹叶片和根系中分别有98和120个蛋白点在不同处理间表达差异显著。选取40个叶片差异蛋白点和30个根系差异蛋白点进行鉴定，其中36个叶片蛋白点和16个根系蛋白点鉴定成功。这些差异蛋白分别涉及卡尔文循环、蛋白质生物合成、能量代谢、胁迫防御、碳氮代谢、结构蛋白和调节蛋白、转录因子、其他或未知功能蛋白。镉处理显著提高了上述生物过程相关酶的表达，与卡尔文循环、TCA循环、糖酵解途径、氨基酸生物合成关键酶表达的增强可能与马缨丹的镉耐性密切相关。（4）中低浓度镉处理下，马缨丹通过调整Rubisco 活性、RCA 含量等的表达维持较高的碳同化能力，提高光合能力；而高浓度镉处理下，马缨丹体内卡尔文循环的关键酶活性或表达受到了抑制，光合能力受到影响，从而抑制了植株的生长。（5）马缨丹叶片和根系中O2¯. 产生速率、H2O2和MDA含量及电解质渗漏率均随镉处理浓度的升高和胁迫时间的延长逐渐升高。胁迫90d时，叶片和根系中O2¯. 产生速率、H2O2和MDA含量及电解质渗漏率分别在镉浓度高于60 和30 mg•kg-1时显著低于对照。叶片和根系抗氧化酶SOD、POD、APX和CAT活性随着镉处理浓度的增加大体呈先升高后降低的趋势，并在镉浓度分别高于90 和60 mg•kg-1时，叶片和根系抗氧化酶活性显著低于对照。上述结果说明，高浓度镉处理显著降低了马缨丹体内抗氧化酶活性，导致活性氧大量积累，引起严重的膜脂过氧化伤害，从而显著抑制了植株的生长。