忍冬对镉超富集机理及其与Hormesis效应关系的研究

Phytoremediation as an effective pollution control technology has attracted international attention. The key of phytoremediation is to find hyperaccumulator. However, few Cd-hyperaccumulators have been found and most research focus on crops and plants in mining area.In this proposal, a newly found woody hyperaccumulator-Lonicera japonica Thunb. as plant material,different exposure duration and different Cd concentrations will be given to the plant in hydroponic culture and pot-soil environment.The Cd accumulation and the physiological and biochemical response mechanisms in L.japonica will be investigated comprehensively and systematically. Through data integration and a multi-parameter regression analysis, a dose-response relationship model will be built to illustrate the Cd hyperaccumulation and Hormesis effect, and explain the mechanisms of dual effects system, providing a reference for screening hyperaccumulators for phytoremediation of contaminated soils.

植物修复作为一项有效的污染治理技术，已引起国际社会普遍关注。植物修复的关键是找到超富集植物，而已知的Cd超富集植物很少，且研究对象多集中于农作物及矿区植物。本研究以一种新发现的Cd超富集木本植物忍冬为研究对象，采用室内水培和室外土培试验相结合的方法，全面系统地研究不同暴露时间、不同浓度的Cd处理下，忍冬对重金属Cd的积累特性和生理生化响应机制，并通过数据集成及多参数耦合回归分析，构建剂量－效应关系模型，阐明超富集效应与Hormesis效应之间的关系，揭示其双重效应体系对重金属污染土壤的修复作用机理，并为超富集植物应用于污染土壤修复提供科学依据。

我国土壤重金属镉（Cd）污染日益严重，许多研究表明Cd对植物的影响表现出双相剂量-效应，即为毒物兴奋效应（Hormesis）。然而，国内外学者尽管在相关研究中提到了低浓度Cd的促进作用，但并未引起足够的重视，且很缺乏将低浓度Cd对植物的Hormesis效应与高浓度Cd对植物的超富集效应结合起来研究。因此，本项目采用室内水培与室外土培相结合的实验方法，全面系统地研究了超富集木本植物忍冬对重金属Cd的积累特性、生长及生理生化响应机制，探究了低浓度Cd对忍冬Hormesis效应的定量特征，阐明了超富集机理与Hormesis效应之间的关系，揭示了其双重效应体系对重金属污染土壤的修复作用机理。通过本项目的研究，结果表明：1. 忍冬茎和地上部中Cd含量均远远高于Cd超富集植物的临界含量标准，即茎或地上部分富集Cd超过100 mg kg-1，表明忍冬对Cd具有很强的超富集能力；2. 低重金属Cd对忍冬的生长产生Hormesis效应，低浓度（营养液0.5、2.5和5 mg L-1和土壤2.5、5和10 mg kg-1）Cd处理对忍冬的生长有明显促进作用，高浓度时表现出不同程度的抑制效应；3. 浓度Cd（2.5、5和10 mg kg-1）不同程度地促进了忍冬净光合速率（Pn）等光合参数；4. 处理28 d后，低浓度Cd处理下，叶片中MDA含量显著低于对照，氧化胁迫有所缓解，而较高浓度Cd胁迫引起忍冬叶中SOD活性的增强。这些研究结果已明确忍冬对Cd超富集特性与Hormesis效应间的关系，并表明Hormesis效应可有效激发植物体内防御系统，增强抗氧化能力、清除自由基，快速诱导保护性依赖产生适应性反应，有助于其超富集特性的发挥，而这在一定程度上与Calabrese and Baldwin、Kaiser等学者在《Nature》、《Science》和《Plant Physiology》杂志提出的机制假说吻合。基于本项目研究目标的顺利完成，申请人成功晋升为副研究员，并赴美国康奈尔大学交流访问3个月，已发表英文SCI论文6篇，英文SCI摘要1篇，英文EI论文3篇，中文CSCD论文3篇，授权国家专利1件，培养博士研究生1名、联合培养硕士研究生3名及本科实习生1名。