Phytoremediation of triazophos by Canna indica Linn. in a hydroponic system

The phytoremediation of triazophos (O, O-diethyl-O-(1-phenyl-1, 2, 4-triazole-3-base) sulfur phosphate, TAP) by Canna indica Linn. in a hydroponic system was studied. After 21 d of exposure, the removal kinetic constant (K) of TAP was 0.0229-0.0339 d(-1) and the removal percentage of TAP was 41-55% in the plant system and the K and removal percentage of TAP were about 0.002 d(-1) and 1%, respectively, in darkness and disinfected control. However, the K and removal percentage of TAP were 0.006 d(-1) and approximately 11%, respectively, in the treatment with eluate from the media of constructed wetland. The contribution of plant to the remediation of TAP was 74% and C. indica played the most important role in the hydroponic system. Under the stress of TAP and without inorganic phosphorus nutrient, the activity of phosphatase in the plant system increased and phytodegradation was observed. The production and release of phosphatase is seen as the key mechanism for C. indica to degrade TAP. C. indica, which showed the potential of phytoremediation of TAP, and is commonly used in constructed wetland, so the technique of phytoremediation of TAP from contaminated water can be developed with the combination of constructed wetland.

Effects of cadmium on chlorophyll content, photochemical efficiency, and photosynthetic intensity of Canna indica Linn.

The effects of cadmium (Cd2+) on growth status, chlorophyll (Chl) content, photochemical efficiency, and photosynthetic intensity were studied on Canna indica Linn. Plant specimens that were produced from a constructed wetland and precultivated hydroponically in 20 L of 1/10 Hoagland solution under greenhouse conditions for I week were exposed to cadmium in concentrations of 0, 0.4, 0.8, 1.6 and 3.2 mg L- Cd2+, respectively. The results show that leaves were injured in the Cd2+ solution by the third day of exposure and the injury became more serious with an increase in the applied heavy metal. Under 3.2 mg L-1 Cd2+ treatment, growth retardation, the decrease of chlorophyll content from 0.70 to 0.43 mg g(-1) FW, and a decrease in Chl a/b ratio from 2.0 to 1.2 were observed. Chl a was more sensitive than Chl b to Cd2+ stress. The decrease was the same with photochemical efficiency. Photosynthetic intensity decreased by 13.3% from 1.5X10(4) mumol m(-2)s(-1) CO2 in control to 1.3x10(4) mumol m(2)s(-1) CO2 in the treatment of 3.2 mg L-1. Because Canna species are used in heavy metal phytoremediation, these results show that C. indica can tolerate 0.4 to 0.8 mg L-1 Cd2+. Therefore, it is a potential species for phytoremediation of cadmium with some limitations only at higher concentrations.

稻属A基因组的分子系统发育--兼论亚洲栽培稻的起源

稻属Oryza隶属禾本科Poaceae，包括20多个野生种和2个栽培种(亚洲栽培稻O. sativa L和非洲栽培稻O. glaberrima Steud) ，广泛分布于全球热带和亚热带。稻属物种可划分为10个基因组(又称染色体组)类型：A, B, C, BC, CD, E, F, G, HJ 和 HK。栽培稻所属的A基因组是稻属中物种数目最多、地理分布最广的基因组类型，由8个种组成。由于栽培稻属于A基因组，故A基因组物种是栽培稻遗传改良的巨大基因源。数十年来，国际上许多学者对A基因组类群开展了大量涉及形态、细胞、同工酶和分子标记方面的研究，但由于A基因组物种间遗传关系十分接近，形态上差异小且地理分布重叠，使得A基因组物种的系统发育、物种起源和生物地理学等方面存在诸多悬而未决的问题，是稻属中分类和鉴定困难较多的类群。本文利用核基因内含子序列，结合转座子插入分析，重建了A基因组的系统发育，估测了各类群的分化时间;与此同时，基于多克隆测序和基因谱系分析，探讨了O. rufipogon和O. nivara遗传关系以及亚洲栽培稻起源。主要研究结果如下： 1. A基因组的系统发育 在水稻全基因组数据库搜索的基础上，测定了4个单拷贝核基因（Adh1 及3个未注释基因）的内含子序列，构建了稻属A基因组8个种的系统发育关系。基于最大简约法和贝叶斯法的系统发育分析表明：1）澳大利亚的O. meridionalis为A基因组的基部类群;2）亚洲栽培稻两个亚种O. sativa ssp. japonica 和 O. sativa ssp. indica分别和不同的野生类群聚为独立的两个分支，支持japonica 和 indica为多次起源;3）O. rufipogon和O. nivara在系统发育树上完全混在一起，显示出二者间不存在遗传分化;4）非洲一年生野生种O. barthii是非洲栽培稻O. glaberrima的祖先，而非洲多年生野生种O. longistaminata与O. glaberrima/O. barthii.亲缘关系较远;5）分子钟方法估测A基因组类群约在2百万年前（2.0MYA）开始分化，亚洲栽培稻和非洲栽培稻，以及亚洲栽培稻的两个亚种则分别在0.7和 0.4 MYA左右开始分化。此外，通过核基因内含子序列与其它常用片段如ITS，matK等对比分析表明，进化速率相对较快的核基因内含子序列可以有效地用于近缘类群的系统发育研究。 2. Oryza rufipogon 和O. nivara群体遗传研究及亚洲栽培稻起源 对于亚洲野生类群O. rufipogon和O. nivara是合并为一个种还是处理为两个独立的种一直存在争议。在系统发育研究基础上，我们选取4个核基因内含子或5’-UTR区（Waxy, LHS，CatA和1个未注释基因），对采自整个分布区的群体样品进行了多克隆测序，结果表明：1）检测到O. rufipogon和O. nivara均有较高的核苷酸多态性，4个位点上π值和θw值平均分别为0.011和0.014;2）且二者在遗传上没有明显分化，两个类群在4个核基因位点上均检测到大量共享多态（shared polymorphism），未发现固有差异(fixed difference)，表明它们历史上可能属于一个大群体，支持将二者作为种内不同生态型或亚种处理;3）基因谱系树表明亚洲栽培稻的两个亚种indica和japonica分别和不同的O. rufipogon (包括O. nivara)群体聚在一起，进一步从基因谱系角度支持亚洲栽培稻多次起源假说。 3．转座子在群体遗传与系统发育研究中的应用 鉴于目前植物谱系地理学研究中缺乏具有足够信息量的分子标记用于检测种内遗传变异，我们选取3个核基因中的转座子，通过对取自O. rufipogon和O. nivara整个分布区的37份样品的克隆测序，探讨了进化速率快、信息含量丰富的转座子序列在群体遗传上的应用。结果表明：1）无论在物种水平还是群体水平，转座子能检测到比包括内含子在内的其它DNA区域高得多的遗传变异;2）在物种水平上，异交多年生的O. rufipogon和自交一年生的O. nivara多样性均较高，且2个种间相差很小，二者在3个位点上平均核苷酸多样性π值均为0.013，差别主要表现在O. rufipogon杂合位点比例（46.1%）明显高于O. nivara（9.1%），说明交配系统不同并不一定和物种多样性水平相关;3）是否发生转座子序列插入是有价值的系统发育信息，发生在不同染色体上3个基因中的转座子插入进一步证实A基因组基部类群是O. meridionalis;通过叶绿体中3个转座子的插入现象推断了稻族一些四倍体物种，如稻属BC基因组的一些类群的母本来源。

稻属的系统发育基因组学研究

稻属（OrvzaL．）是禾本科(Poaceae)中的重要植物类群，包含20多个野生种和两个栽培种，共有十个基因组类型，即A，B，C，E，F，G，BC，CD，HJ和HK，蕴藏了极为丰富的遗传资源，是水稻遗传改良的重要基因库。考虑到该属现存物种中的多倍体都是由二倍体杂交起源的，因此，弄清二倍体基因组之间的进化关系对于正确理解整个稻属的进化历史至关重要，同时也为稻属及其近缘类群的进化生物学、比较基因组学和功能基因学研究等提供了一个重要的工作基础。迄今，对稻属各基因组之间的系统发育关系还没有一致的结论，特别是对A、B和C基因组三者之间的关系，以及稻属基部类群的归属问题还存在争议。本研究选取来自不同二倍体基因组的6个稻属物种为研究对象，以近缘属Leersia中的L，tisserantti作外类群，通过对基因组水平的多基因序列数据的详尽分析，探讨了稻属二倍体基因组之间的亲缘关系问题，基因树与基因树之间冲突的机理，以及利用基因组水平的多基因序列做系统发育分析的方法，主要研究结果如下。 利用已完成的水稻两亚种（O．sativaL．ssp. indica和O．sativaL．ssp.japonica）的全基因组序列，筛选并扩增出遍布核基因组12条染色体的142个单拷贝核基因片段。通过对全部基因位点的合并分析，我们得到了一棵有完全分辨并得到显著统计支持的系统树。分别提取各基因的外显子区、内含子区和第三密码子进行合并建树时发现，除了合并外显子区的MP分析以外，所得系统树的树形均不变，说明这棵树基本上不会因为选取基因组不同区域或碱基位点而改变，尽管不同区域或碱基位点受到不同的选择约束力。以基因为单位进行放回式抽样也强烈支持合并建树的分析结果，表明多基因合并序列的系统发育估计并没有受到少数特殊基因的支配。为了考察基因组内物种取样对建树的影响，我们增加了2个A基因组物种以及C基因组的另外两个物种，随机选取其中的62个基因位点进行扩增和测序（增加的O．sativa的序列来自BGI-RIS数据库）。将全部II个物种62个基因位点的序列合并建树分析，得到基因组之间的进化关系均未改变。我们进一步评估了合并数据的系统误差，结果发现，合并数据的系统发育重建也未受到系统误差的影响。综上所述，本研究通过系统发育基因组学方法所得到的系统树反映了类群真实的进化关系。 为了深入探讨以往研究中出现相互矛盾的系统发育关系的原因，我们对142个基因位点分别做了单独的建树分析，并用系统发育网络方法分析了数据中基因之间系统发育信息矛盾的集中位置及其矛盾程度。基于单基因的建树分析及系统误差分析，我们排除了随机误差和系统误差直接造成基因之间信息冲突的可能性。基于溯祖理论( Coalescence theory)的进一步分析表明，稻属进化过程中发生了两次世代间隔较短的连续分化事件，由于祖先居群较大引起基因的谱系分选，进而使得在利用现有物种基因序列来重建这些分化事件时基因树不能正确反映物种树，且呈现出基因组水平的基因树冲突现象。这两次间隔较短的连续分化事件分别对应了稻属中两次物种快速分化过程，整个稻属基因组的多样性几乎都是在这两次物种快速分化过程中形成的。随机抽样分析表明，需要大量的分子序列数据才能正确分辨稻属二倍体基因组的系统发育关系（若取95%的概率，则至少需要120个基因或50kb的随机碱基位点）。本研究用基因组水平的多基因合并数据克服了谱系分选对构建系统树所带来的“噪音”，在存在广泛单基因系统发育信息矛盾的前提下获得了对物种树的正确估计，这充分证明系统发育基因组学方法在解决快速分化类群的进化关系问题中有着巨大潜力和广阔的应用前景。 基于本文所采用的142个核基因，我们初步探讨了利用多基因序列数据构建系统树时如何进行模型选择和插入缺失编码等问题，并评估了数据缺失对基因组水平系统发育重建的影响。结果表明，对合并数据而言，混合模型比单一模型能更好的拟合数据的进化模式;找到合并数据中异质性的根源并做出适当的数据分割是成功运用混合模型的关键;某些模型成分在提高模型对数据的适合度上发挥着重要作用，尤其要考虑位点之间以及谱系之间的突变速率异质性。我们认为，在设置模型时，最复杂的不一定是最好的，把握数据中最重要的进化特征远比简单的增加模型的复杂度重要。插入缺失的编码分析表明，编码后显著增加了对A基因组和B基因组聚为一枝的支持，但对稻属基部类群的分辨状况改善不明显。另外，我们通过去除数据缺失比例较大的类群来降低数据缺 失对系统发育推断的影响，结果所得的系统发育关系不变，支持率也仅有极微小的变化，说明基因组水平的多基因数据由于具有丰富的系统发育信息，因而对数据缺失具有很好的缓冲能力。