引起浮萍富集镉能力差异的镉在细胞壁固持及体内钝化转运差异的机制研究

Cadmium (Cd) pollution of soil, rivers and lakes has evolved as a serious problem with the development of current industrialization and urbanization in China. Duckweed could efficiently accumulate cadmium, and also possess the remediation potential for rice field or water polluted by Cd. It have showed that accumulated difference of Cd exits among different duckweed genera and species, however, the mechanism of Cd enriched in duckweed, and the mechanism of different amount Cd enriched in duckweed are sill unclear. This research focus on pectin and hemicellulose properties in cell wall which could adsorpt Cd into duckweeds. The response of cell wall component with Cd stress, and the chelated and transported process of Cd are also investigated.

土壤、水系及湖泊镉（Cd）污染是当前我国工业化和城市化进程中所面临的严重的环境问题之一。浮萍可以有效富集Cd，具有修复Cd污染水体和稻田土壤的的潜力。当前研究发现浮萍科各属、种间富集Cd的能力存在差异，但对其富集Cd的机理、富集能力存在差异的机制研究少有报道。本研究拟重点研究不同属、种浮萍细胞壁中果胶、半纤维含量、果胶的甲酯化程度与浮萍富集Cd的关系，以及浮萍细胞壁组成对Cd处理的响应变化，浮萍对Cd钝化、转运分配过程差异及相关功能基因分析，以此为突破口研究浮萍高效富集Cd的生理及分子机制，以期更加高效应用浮萍开展水体污染修复，为浮萍种质资源改良提供思路和基因资源。

浮萍科（Lemnoideae）植物具备高富集镉（Cd）和繁殖速率快等特点，可作为受Cd污染静水水体和稻田修复的良好植物修复材料，弥补传统修复方式不足，提供多样化选择。收集浮萍种质资源，研究浮萍科各属、种间存在富集Cd能力差异的现象和机制，开展将浮萍应用于实际水体生态修复治理，从而达到净化环境、创建可持续发展社会具有非常重要的意义。本研究发现：浮萍各属、种间富集Cd的能力均存在较大差异。在5mg/L镉处理下，青萍对镉的生物富集系数（BCF）最大值和最小值分别约为573和237，相差两倍多；而紫萍的最大和最小BCF约为1379和574，相差近三倍。以Cd诱导浮萍叶状体分离作为评价浮萍镉耐性指标，结果表明同样浓度镉处理下，紫萍叶状体分离时间和分离率显著低于青萍；青萍属在低浓度5mg/L Cd处理下叶状体分离率达80%左右，而在此浓度下紫萍属保持不分离，并在10mg/L处理时逐渐开始分离，表明青萍对镉敏感性高于紫萍。在明确紫萍属和浮萍属间镉富集和耐性差异的基础上，又进一步研究分析浮萍对镉富集差异的原因。紫萍属的镉含量明显高于青萍的镉含量，紫萍属比青萍属的镉含量高2倍多。通过对浮萍叶状体和根分开进行测定后发现：两个属浮萍根部镉的含量都高于叶状体，间接说明可能浮萍镉主要从根部吸收，但不能排除浮萍叶状体直接通过叶状体下接触表面从培养吸收镉。鉴于浮萍叶状体的重量远远高于根重，因此可以认为叶状体是浮萍富集镉最多的部位。通过冻融离心分离法（质外体液、共质体液、细胞壁）分析发现镉主要在浮萍根细胞壁累积，根部共质体和质外体镉总量较低。叶状体中镉主要累积在共质体和细胞壁两部分，说明细胞壁累积和液泡区隔化可能在紫萍叶状体对镉的无毒化过程中均发挥较为重要的作用。此外，研究还发现镉诱导浮萍叶状体分离由浮萍叶状体产生的乙烯介导，乙烯抑制剂AVG明显抑制这一过程，这一发现有助于进一步阐明紫萍对镉具有高富集和耐受的机制。