1、鎘(Cadmium,Cd)是生物非必需元素,具有較強生物毒性,是土壤重金屬污染首要控制元素之一。通過種植非糧食作物修復(fù)重金屬中、低污染農(nóng)田與我國耕地日益減少、人口不斷增長和社會農(nóng)產(chǎn)品總需求不斷增加的國情不符。因此通過深入研究作物重金屬Cd吸收轉(zhuǎn)運與累積機理,對采用農(nóng)藝、生物與化學(xué)調(diào)控手段減少糧食作物重金屬吸收,降低可食部分重金屬累積量具有重要指導(dǎo)意義。根際植物促生菌能夠通過產(chǎn)生植物生長激素,提高植物營養(yǎng)元素利用效率和誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性的方

2、式緩解重金屬對植物的脅迫效應(yīng)。本研究在無菌條件下,從植物根系形態(tài)、細胞生理以及全基因組水平研究了耐Cd植物促生菌對模式植物番茄幼苗生長發(fā)育、Cd吸收轉(zhuǎn)運與亞細胞分布的影響。主要研究結(jié)果如下:
　　1.Cd耐受性植物促生菌的分離篩選與鑒定
　　采用梯度稀釋平板法,從重金屬復(fù)合污染土壤中分離篩選到12株重金屬Cd耐受性細菌菌株。植物促生特性和重金屬最低抑制濃度研究結(jié)果表明,菌株D54具有較強Cd耐受性,同時具有優(yōu)良植物促生特性。

3、菌株D54屬嗜中溫微生物,最適生長溫度為30℃,具有較強酸堿適應(yīng)性,最適pH為7.0,為革蘭氏陰性(G-)好氧菌。通過形態(tài)學(xué)、生理生化以及16SrDNA序列分析法確定,菌株D54歸屬于伯克氏菌屬(Burkholderia)。
　　2.耐Cd植物促生菌D54的植物促生與重金屬耐受特性
　　菌株D54具有產(chǎn)生植物生長激素3-吲哚乙酸(IAA)、分泌嗜鐵素(Siderophore)和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocycl

4、opropane-1-carboxylicacid,ACC)脫氨酶,溶解難溶無機磷酸鹽(Ca3(PO4)2)等植物促生特性。重金屬耐受試驗結(jié)果表明,菌株D54對于重金屬Pb、Cd、Cu和Zn最低抑制濃度分別為:800 mg l-1、1500 mg l-1、150 mg l-1和2500 mg l-1。重金屬對菌株D54的毒害順序為Cu>Pb>Cd>Zn。
　　3.耐Cd植物促生菌D54對溶液中Cd的吸附和活化
　　隨著Cd濃

5、度的增加,活菌體Cd吸附率逐漸降低,滅活菌體Cd吸附率先降低后升高,且高 Cd濃度下活菌體 Cd吸附率低于滅活菌體。弗羅因德利希(Freundlich)吸附等溫式能夠較好的描述溶液中滅活菌體Cd的吸附過程,而朗格謬爾(Langmuir)方程能夠較好的描述活菌體對于 Cd的等溫吸附過程。D54發(fā)酵液含有草酸、乙酸和檸檬酸等9種低分子量有機酸,影響了發(fā)酵液pH值和Cd的賦存形態(tài)。接種菌株D54能有效活化難溶性Cd鹽,培養(yǎng)液pH值與水溶態(tài)Cd

6、濃度顯著負相關(guān)。
　　4.耐Cd番茄(Solanum lycopersicum L.)品種篩選
　　在不同濃度Cd脅迫下,供試番茄品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及芽鮮重的研究結(jié)果表明,5種供試自交系番茄品種中MF、Liger和MFG表現(xiàn)出較強Cd耐受性,而TA-BD和ROMVFP耐受性較差。水培實驗中不同濃度Cd脅迫下,5種番茄幼苗不同器官生物量與Cd含量呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律,而Liger表現(xiàn)出較強的環(huán)境適應(yīng)性,在不同Cd濃度

7、下其根部與葉片部干重顯著大于其他品種。不同Cd濃度脅迫下,與MF和MFG相比 Liger根部Cd含量增加而葉片Cd含量顯著降低,表現(xiàn)出良好的Cd耐受性特征。
　　5.耐Cd植物促生菌D54對番茄幼苗生長及Cd吸收與分布的影響
　　Cd脅迫下與未接菌對照相比,接種菌株D54顯著提高供試番茄幼苗葉片葉綠素a和葉綠素b含量,而顯著降低Cha/Chb比值和類胡蘿卜素含量。生物量測定結(jié)果表明,菌株D54顯著增加番茄根和葉片干重,而莖干

8、重?zé)o顯著性變化。接種菌株D54能夠顯著增加根部Cd含量,降低莖部Cd含量,而葉片Cd含量無顯著性變化。Cd亞細胞分布結(jié)果表明,接種菌株D54使得根部細胞壁與細胞溶質(zhì)中Cd含量顯著升高,而細胞核及膜與線粒體中Cd含量顯著下降;莖部細胞核及膜組分Cd含量顯著增加,葉綠體和線粒體中Cd含量降低,而細胞壁與細胞溶質(zhì)Cd濃度無顯著性變化;葉片細胞壁和細胞核及膜組分Cd含量顯著增加,葉綠體與線粒體中Cd含量降低,而細胞溶質(zhì)Cd含量無顯著性變化。接種

9、菌株D54能夠顯著提高番茄根部SOD和GR活性,降低APX和CAT活性,而POD活性和可溶性蛋白含量未發(fā)生明顯變化。接種菌株D54能夠顯著提高葉片POD和CAT活性,增加可溶性蛋白含量,而APX和GR活性顯著降低,SOD活性無顯著性變化。接種菌株D54能夠通過影響番茄不同器官抗氧化酶活性與Cd在細胞內(nèi)沉淀過程,減少了Cd在器官間轉(zhuǎn)運,緩解Cd生物毒害作用。
　　6.Cd脅迫下Cd耐受性植物促生菌D54對番茄幼苗基因表達的影響

10、>　　我們借助番茄全基因組芯片及其分析技術(shù),從全基因組水平研究Cd耐受性植物促生菌D54對番茄幼苗生長發(fā)育、Cd吸收轉(zhuǎn)運與累積相關(guān)基因表達的影響。結(jié)果表明,接種菌株D54通過誘導(dǎo)番茄幼苗系統(tǒng)抗性機制(ISR)對多個功能基因家族轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響,如葉綠素合成與光合系統(tǒng)、碳水化合物合成代謝、脅迫應(yīng)答、系統(tǒng)防御、氧化還原活性以及金屬離子轉(zhuǎn)運等。其中與根部Cd吸收有關(guān)的鐵調(diào)轉(zhuǎn)運蛋白(Iron-regulated transporter)基因LOC5

11、43598表達上調(diào),與Cd解毒相關(guān)金屬羧肽酶抑制因子(Metallocarboxypeptidase inhibitor)基因mcpi表達上調(diào)。根部 Cd細胞壁沉淀相關(guān)木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶(Xyloglucan endotransglycosylase)基因表達上調(diào)。根部抗氧化酶系統(tǒng)中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)基因表達上調(diào),而過氧化物酶(Peroxidase,POD)下調(diào)。病程相關(guān)蛋白(Patho

12、genesis-related protein,PRs)和熱休克蛋白(Heat shockprotein)基因表達下調(diào)。葉片乙烯應(yīng)答相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子編碼基因 ERF1和IAA8上調(diào)。參與葉片細胞壁Cd沉淀相關(guān)tomQ`b、LeEXP1和 TAPG2基因表達上調(diào)。葉片轉(zhuǎn)醛醇酶(transaldolase)基因TAL表達上調(diào),通過產(chǎn)生大量NADH維持細胞內(nèi)GSH還原態(tài),應(yīng)對由于重金屬脅迫大量產(chǎn)生的活性氧中間體(reactive oxygen i