镉胁迫对杨树亚细胞结构、生理生化特征的影响及抗性机理研究

木本植物具有生物量大、根系发达，不与食物链相连等生物学特点，用于修复重金属污染的土壤具有明显的优越性。本项目拟选Cd作为胁迫因子，杨树作为模式树种，以现代生物技术为研究手段，开展《镉胁迫对杨树亚细胞结构、生理生化特征的影响及抗性机理研究》。主要内容包括：ICP分析杨树不同器官中Cd的吸收、转运和积累规律；电镜观察Cd胁迫对杨树根、叶片细胞超微结构的影响；细胞化学方法定位金属结合蛋白在亚细胞结构中的分布及含量；生理生化方法测定Cd胁迫对杨树幼苗生长生理生化特性的影响。通过研究，掌握Cd离子在杨树不同器官中分布规律；建立忍耐Cd毒害的亚细胞形态学特征；阐述金属结合蛋白质在Cd脱毒中的重要作用；探讨Cd胁迫下杨树体内生理生化特性的变化规律。为揭示木本植物对重金属毒害的抗性机理，开展木本植物修复土壤重金属污染提供重要的科学依据。本研究以论文形式发表研究成果，总计发表3-4篇SCI收录论文。

选用Cd作为胁迫因子，四种速生杨作为研究对象，开展《镉胁迫对杨树亚细胞结构、生理生化特征的影响及抗性机理研究》。研究成果表明，1. 高浓度Cd对四种速生杨生长均有抑制作用。2. Cd在四种速生杨不同器官中均有富集，根是Cd积累的主要器官。Cd胁迫抑制了四种杨树植株对Mn、Fe、Zn的吸收、代谢和利用，影响了植物的生长发育。3. Cd对杨树根和叶片细胞超微结构有明显的影响，阐明了细胞结构的损伤与重金属浓度的关系。4. 证实了Cd以高电子密度颗粒的形式主要定位在液泡和细胞壁中。5. Cd胁迫能够诱导高尔基体、内质网合成和分泌大量与重金属脱毒相关的蛋白质，这些蛋白质螯合细胞内游离的Cd离子，在一定程度上减轻Cd对细胞的毒害。电镜细胞化学证明这些蛋白质定位在细胞壁、细胞质膜及囊泡膜上。高浓度Cd对细胞的伤害超出了其防御能力，导致细胞结构严重受损，最终细胞死亡。6. 细胞内保护酶能够清除Cd诱导产生的大量自由基，缓解Cd对杨树植株幼苗的毒害，它们的活性与重金属浓度和Cd胁迫时间有关，成为其抵抗Cd胁迫的防御机制之一。7. Cd胁迫能够明显抑制植物体叶片的光合作用，影响叶绿素的合成，叶绿素的含量随着处理浓度和处理时间的延长而降低。8. Cd胁迫导致四种杨树无性系植株叶片的PS II最大光化学量子产量（Fv/Fm）、PS II实际光化学效率（Fv′/Fm′）、光合电子传递量子效率（ΦPS II）、（ETR）和光化学淬灭系数（qP）呈现下降趋势，而非光化学淬灭系数（qN）则呈现上升趋势。本项研究成果为揭示木本植物对重金属毒害的抗性机理，开展木本植物修复土壤重金属污染研究提供重要的科学依据。本研究以论文形式发表研究成果，计划发表3-4篇SCI收录论文，现已完成12篇研究论文（其中SCI收录7篇，5篇正在审稿中）。