Cd、Cu污染胁迫对拟南芥幼苗错配修复相关基因表达的影响

土壤重金属污染问题已成为影响我国持续农业和生态环境质量的重要因素，引起了人们的广泛关注。由于传统污染诊断方法的缺点，急需建立土壤污染生态毒理学诊断方法，生物标记物技术则是其中的研究热点之一。本文采用营养液培养的方法，以模式植物拟南芥为试材，采用半定量反转录聚合酶链式反应（RT-PCR）技术，结合传统分析方法研究了Cd、Cu在不同胁迫水平下对拟南芥幼苗的形态、生理及分子水平的毒性效应，并在此基础上，比较和分析不同测试指标对Cd、Cu胁迫响应的敏感性，进而筛选对Cd、Cu胁迫响应敏感的生物标记物。主要结果如下： 1 不同浓度Cd和Cu污染胁迫下，拟南芥幼苗生长均受到不同程度的影响 幼苗初生根伸长均受到明显抑制，而地上部叶片数、地上部鲜重却没有显著的变化。重金属首先作用于植物的根系，根系的生长对胁迫响应的敏感性高于地上部。 2 幼苗地上部的可溶性蛋白含量受到不同程度干扰，而在不同浓度的Cd、 Cu处理下，叶绿素含量变化不明显，表明幼苗地上部可溶性蛋白质含量对胁迫的敏感性高于叶绿素含量的变化。 3 幼苗地上部错配修复（MMR）和增殖细胞核抗原（PCNA）基因都明显 地出现了表达诱导或表达抑制，表明MMR和PCNA基因表达的变化对Cd、Cu胁迫表现出较高的敏感性。 4 幼苗地上部的可溶性蛋白质含量及幼苗地上部MMR和PCNA基因表达 均对Cd和Cu污染胁迫具有较高的敏感性，两者均可用于指示Cd和Cu污染的敏感生物标记物。基因表达变化图谱虽然对污染胁迫响应比较敏感，是一种污染胁迫响应敏感的生物标记物，但其在生态毒理诊断中的应用还需进一步的实验对其予以证明。

缺铁条件下植物对土壤镉的吸收及胁迫响应机制的研究

本文通过水培试验，盆栽试验研究缺铁条件下对重金属Cd的吸收与积累，供试植物为龙葵、番茄、玉米和小麦，主要考察了缺铁条件下不同Cd浓度处理下，不同植物对重金属Cd的吸收影响，根际环境的变化，根系分泌物的变化，以及植物铁载体分泌率的变化，同时研究了植物在铁缺乏条件下对重金属Cd的抗性机制和胁迫响应机理，得出以下主要结论： 液体培养条件下，营养液进行加铁和缺铁处理，不同Cd浓度处理中，缺铁处理植物的生物量低于相应的加铁处理，富集的Cd高于相应的加铁处理，缺铁处理转移系数与富集系数高于加铁处理。缺铁处理溶液酸碱度低于加铁处理，氧化还原电位高于加铁处理。缺铁处理促进了Cd的吸收和积累，主要是由于缺铁条件下对根系环境产生的变化，有助于植物对Cd的吸收。 液体培养条件下，营养液进行加铁和缺铁处理，不同Cd浓度处理中，基本上缺铁处理植物的根系分泌物中四种有机酸的含量显著高于相应的加铁处理。无论是加铁还是缺铁处理，四种有机酸的分泌量：酒石酸>苹果酸>柠檬酸>乙酸。通过相关分析，加铁处理龙葵与番茄根系分泌物中酒石酸含量与镉含量呈极显著正相关，而缺铁处理的呈极显著负相关，表明番茄与龙葵根系分泌物中酒石酸可以指示缺铁处理对Cd的积累。加铁处理与缺铁处理龙葵与番茄的柠檬酸与Cd积累无相关性。加铁处理与缺铁处理玉米苹果酸与Cd积累无相关性，其他有机酸与之呈现正相关，加铁处理与缺铁处理小麦与四种有机酸均呈现正相关。 液体培养条件下，营养液进行加铁和缺铁处理，不同Cd浓度处理中，缺铁处理植物的叶绿素、可溶性糖含量、SOD、POD和CAT活性低于相应的加铁处理，电导率、可溶性蛋白、脯氨酸和MDA含量高于相应的加铁处理。重金属Cd和缺铁处理导致植物膜脂过氧化作用，主要体现在MDA和细胞质膜膜透性升高，导致植株生物量降低，叶绿素含量降低，导致可溶性糖含量下降。脯氨酸和可溶性蛋白含量的升高是降低和缓冲植物重金属逆境胁迫产生的伤害，抗氧化酶系统的不同变化对缺铁和Cd胁迫所产生的伤害进行修复。 盆栽实验表明，缺铁处理的生物量低于相应的加铁处理，富集的Cd高于相应的加铁处理，转移系数与富集系数高于加铁处理。缺铁处理铁的地上部和根部含量显著低于相应的加铁处理。玉米与小麦加铁与缺铁的植物铁载体的分泌率随着Cd浓度升高呈现降低的趋势，并且缺铁处理植物铁载体的分泌率高于加铁处理。

沉积物重要矿物成份及腐植酸结合的镉对文蛤的生物有效性研究

沉积物中Cd的赋存形态对其生物有效性的影响十分显著。在水生环境中，Cd究竟结合于沉积物中的何种组分在很大程度上决定了它能否被生物所吸收。本文利用颗粒物悬浮系统研究了沉积物中Cd的赋存形态对其在文蛤体内富集速率的影响。 对沉积物中三种典型矿物上附着的Cd（氢氧化铁结合态，氢氧化铝结合态，二氧化锰结合态）的生物有效性进行了比较，结果表明，在Cd浓度为70 mg/kg时，22 d富集实验中氢氧化铁结合态和氢氧化铝结合态Cd在文蛤体内均没有明显的积累，而二氧化锰结合态Cd在文蛤体内有明显的富集，其富集速率为0.0094±0.0010 μg /g d (r2 = 0.8539, p<0.0001)。在Cd浓度为140mg/kg时，氢氧化铁结合态Cd仍然无法被文蛤吸收，氢氧化铝和二氧化锰结合态Cd则可以被文蛤富集，其富集速率分别为0.0166±0.0017 μg/gd和0.0248±0.0017 μg/gd。不同赋存形态Cd的生物有效性表现为：Cd-MnO2> Cd-Al(OH)3> Cd-Fe(OH)3。对于不同赋存形态的Cd，吸收效率（AE）和摄食率（IR）的差异导致了其生物有效性的不同。 本文进一步考察了作为沉积物中Cd生物有效性的两种主要控制组分——氢氧化铁和颗粒态腐殖酸上赋存的Cd在文蛤体内的富集规律。实验结果表明，氢氧化铁（Fe(OH)3）和腐殖酸（HA）上附着的Cd在文蛤体内的富集规律存在显著差异。在实验设置的低Cd浓度组中（如70mg/kg和140 mg/kg），Cd-HA的生物有效性高于Cd-Fe(OH)3，而在高镉浓度组中（280 mg/kg），Cd-Fe(OH)3更易于在文蛤体内富集。生物对于污染物的响应（如及时的调整摄食消化策略）对于污染物在生物体内的富集影响十分显著，而这种“生物响应”在一定程度上可能在生物体内污染物浓度达到一定阈值后才会被引发。实验进一步表明Cd在腐殖酸不同组分之间的分配对其在文蛤体内的积累规律具有显著影响。相比于溶解态的腐殖酸-Cd污染物，文蛤对颗粒态腐殖酸上结合的Cd的富集具有更强的控制作用。 与无机颗粒物相比，双壳类生物对有机颗粒物的消化更为剧烈，通常认为有机物质上结合的污染物生物有效性较高。然而，本实验结果显示，当体内污染物浓度达到一定水平时，双壳类生物可以通过调节颗粒物在体内的消化过程控制重金属在生物体内的富集。在长期暴露过程中，结合与无机颗粒物上的污染物可能更容易在生物体内富集到比较高的水平