岩溶地区甜玉米对土壤钒的吸收、转化及其分子机制

Vanadium is a potentially hazardous chemical contaminant in soil, plant and the whole agricultural ecosystem. Distribution and chemical changes of vanadium in soil have been studied systematically, but the molecular mechanisms of the biological effects of vanadium on plant are still not fully understood. Recent results showed that vanadium absorbed by plants existed mainly in the cell wall and the soluble fraction of cell. But the effects of vanadium on plant protein synthesis suggest that vanadium toxicity to plants and its detoxification occurs by other means. The distribution and transport of vanadium in the soil plant system in Guangdong and Guangxi is to be investigated by pot experiment and gel filtration technology, with help of LTQ-Orbitrap and LC-MSMS. The study will focus on absorption and utilization of vanadium in soil by plants, synthesis and change of the vanadium-induced phytochelatin and other associated proteins, responses of antioxidant enzyme system to vanadium, molecular biological mechanisms of phytotoxicity of vanadium and detoxification of plant. The results may reveal absorption kinetics of vanadium by plant and bioavailability, vanadium biotransformation, vanadium-induced damage to plant cell structure and detoxifying effect of metal-binding proteins from the molecular level. Based on the tolerance mechanism of sweet corn plants, scientific basis for cultivating the new sweet corn varieties with high resistance and low accumulation of vanadium can be provided, hence promoting the sustainable development of the regional economy.

钒是一种可以侵害土壤、植物乃至整个农业系统的潜在危险化学污染物，关于钒在土壤中的分布和化学变化已有系统深入研究，而钒对植物生物效应的分子机理至今尚不完全清楚。近期研究表明，植物吸收的钒主要分配在细胞壁和细胞可溶性组分，但钒对植物蛋白合成的影响提示：钒可能通过其他途径参与对植物的毒性及解毒。本课题拟以两广地区广泛种植的甜玉米植物为研究对象，通过盆栽试验，借助凝胶过滤技术结合LTQ-Orbitrap、LC-MSMS等现代测试技术，研究植物对土壤钒的吸收利用、钒诱导植物螯合肽等相关蛋白合成和变化、植物抗氧化酶系统对钒的应答响应，重点研究钒的细胞毒性和植物解毒的分子生物学机制。其研究结果可揭示植物对钒的吸收动力学特性和生物有效性，从分子水平探明钒的生物转化、钒对植物细胞结构的损伤及金属结合蛋白解毒效应，进而提出植物耐性机理，为培育高抗性、低积累的甜玉米品种提供科学依据，促进区域经济的可持续发展。

本项目针对环境中钒的过量累积已成为农业系统潜在化学污染物，研究了钒在甜玉米植物中积累、细胞分布和形态分布、蛋白分子分布，非蛋白巯基化合物和植物超微结构变化，为探明钒的生态毒性和玉米耐性机理提供科学依据。.（1）钒在玉米中含量分布：根>茎>叶>>籽实。随钒浓度增加，根中钒的分配比例显著增大，转运系数（TF）下降。根系对钒的固持可降低钒对植物的危害。玉米植物为钒的耐受非超富集型植物。.（2）低浓度钒可激发植物防御功能，玉米生物量、株高、根长、叶绿素含量和抗氧化酶活性（CAT、SOD、POD和APX）增加；当钒浓度超过一定阈值（V＞10 mg·L−1），MDA、脯氨酸（Pro）等有毒物质生成和累积，伤害细胞质膜系统，对玉米生长产生危害。.（3）形态和细胞分布表明，玉米茎叶中钒与小分子色素、氨基酸（A1）和酸溶性极性物质（A3）结合，根中主要与细胞壁（B4）结合。钒在植物细胞壁（F1）和可溶性组分（F4）比例之和达75%以上。细胞壁固持和液泡区隔化是玉米植物耐钒的主要机制。细胞壁中碱溶性果胶是钒重要结合位点，有效降低钒的生物活性。.（4）植物体内非蛋白巯基类物质诱导量与钒存在响应关系。一定浓度钒会促进NPT 、GSH和PCs合成，增强其耐性。根部是合成NPT、GSH和PCs主要器官，对植物自身解毒重金属起着重要作用。玉米是钒的耐性植物。.（5）玉米幼苗蛋白分子分布研究表明，玉米根系蛋白可通过降解成小分子或多肽以抵御钒的影响，也可通过调节不同基因表达诱导合成新蛋白，降低钒的毒害。钒主要与分子量5.8 ~ 14.4 KD的蛋白结合，植物螯合态（PCs，3 ~ 5KD）可能络合细胞中大量钒。.（6）由玉米叶片和根系SEM和TEM图发现，钒胁迫下植物细胞表观形貌发生变化，超微结构的线粒体、叶绿体、细胞核、高尔基体以及细胞壁受到明显损伤，钒对植物幼苗的生长发育有毒害作用。美甜糯1号玉米比益甜608号玉米对钒具有更好的耐性。