砷超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)中砷解毒机制的研究

砷是一种具有致癌、致畸、致突变的有毒元素，在地表的含量本来很低。然而，随着现代社会的发展和工业活动的增加导致砷污染日趋严重。土壤和水体中的砷污染可以通过食物链进入人体，对人类的健康造成极大的危害。植物修复是一种利用植物对污染物的超富集能力来清除或减低污染的新型环境生物技术。植物修复的实际应用依赖于超富集植物的发现和超富集机制的阐明，特别是砷解毒过程(砷的吸收、还原和区域化)的研究及相关基因的克隆。砷超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)中砷解毒机制的阐明将为砷污染的植物修复及新型工程植物的研发提供理论基础。 本论文以蜈蚣草为试材，针对蜈蚣草的砷解毒机制取得了如下研究进展： 1.以砷超富集植物蜈蚣草为材料，建立了一个适于研究蜈蚣草砷吸收和解毒机制的新系统—愈伤组织悬浮培养体系。首次证明蜈蚣草愈伤组织与其孢子体及配子体一样具有对砷的抗性和砷超富集的能力。 2.以蜈蚣草愈伤组织为材料，通过比较亚砷酸盐、砷酸盐和二甲基胂酸盐对蜈蚣草和拟南芥植物毒性的差异，表明砷的还原可能是蜈蚣草对砷解毒的重要机制之一而砷的甲基化对蜈蚣草的砷解毒作用甚微。 3.以蜈蚣草愈伤组织为材料，通过对砷在蜈蚣草愈伤组织细胞中的亚细胞定位，首次直接证明植物液泡对砷具有非常明显的区隔化作用。暗示区隔化作用在蜈蚣草对砷的解毒过程中发挥着重要的作用。 4.通过测定蜈蚣草愈伤组织对不同化学态的砷处理下抗氧化物质的变化发现酸溶性巯基在蜈蚣草砷解毒中也发挥着重要作用。 5.以蜈蚣草愈伤组织为材料，发现磷和砷的吸收在高浓度范围下（﹥0.2 mM）存在明显的协同效应。对蜈蚣草高亲和磷酸盐转运蛋白基因－PvPHT基因功能的初步分析则表明PvPHT参与了蜈蚣草对磷和砷的吸收过程。

蜈蚣草(Pteris vittata L.)对砷和铜复合污染的响应及生理机制研究

随着现代工农业的发展，环境污染日益加剧。农用土壤作为我们赖以生存的基础，大量含砷（Arsenic, As）和铜（Copper, Cu）的化肥和农药的应用造成As、Cu及其他重金属的复合污染日趋加重。蜈蚣草作为一种天然的砷超富集植物，在清除土壤砷污染的应用中备受人们关注。然而，目前的研究多集中在蜈蚣草对单一砷污染的吸收、转运和超富集等方面，几乎没有对土壤复合污染尤其是As、Cu复合污染的的响应和生理机制的研究。本文针对As、Cu复合污染的现实，研究了不同浓度砷、铜复合污染胁迫对蜈蚣草生长和发育的影响，探讨了蜈蚣草对砷、铜复合污染抗性和富集的生理生化机制，以期为蜈蚣草在植物修复复合污染的应用提供理论基础。 主要研究结果如下： 1、以砷超富集植物蜈蚣草成熟孢子为外植体材料，建立了一套成熟的蜈蚣草孢子植株再生体系，包括配子体分化和愈伤组织分化两条途径。为蜈蚣草的生理生化机制以及将来的遗传转化奠定了基础。同时证明了蜈蚣草愈伤组织与其孢子体及配子体一样具有对砷的抗性和超富集特性以及铜抗性。 2、以组培的蜈蚣草孢子体为材料，通过比较高浓度砷、低浓度砷以及高浓度铜、低浓度铜的相互组合对孢子体毒性的差异，表明适度浓度砷可以增强蜈蚣草对铜的抗性，但高、低浓度铜都不能增强砷的抗性。同时测定了不同浓度砷、铜处理对蜈蚣草体内砷和铜的吸收分配情况，探讨了蜈蚣草对砷铜复合污染土壤的植物修复的潜在可能性 。 3、以蜈蚣草组培的配子体为材料，研究了蜈蚣草对不同浓度铜砷复合处理的生理生化响应。结果表明砷的加入可以缓解铜对蜈蚣草配子体的植物毒性，而铜的加入并没有缓解砷的植物毒性。而且随着砷浓度的提高可以显著降低铜在配子体中的积累，显著提高了配子体细胞生存能力，降低了配子体细胞膜透性，且可以改变铜砷在配子体中亚细胞定位，暗示砷对铜的积累具有拮抗作用。同时观察到适度的铜也可以降低砷在孢子体根中的积累，对砷在叶柄以及羽叶中的积累有一定的降低作用，但并不显著。 4、以蜈蚣草愈伤组织为材料，研究了蜈蚣草愈伤组织对砷和铜复合污染胁迫的生理生化响应，结果表明适度的砷可以显著提高蜈蚣草愈伤组织中抗氧化酶系统，进而提高抵御铜胁迫引起的ROS胁迫的能力而显著缓解铜对蜈蚣草愈伤组织的毒性。低浓度砷加入显著诱导POD、CAT活性的升高，提高了蜈蚣草愈伤组织抵抗ROS胁迫能力，尤其是POD与生长呈显著的正相关;SOD活性在0-1.0 mM Na3AsO4条件下并没有显著增加，暗示在相对较低的砷胁迫和铜胁迫条件下POD对蜈蚣草愈伤组织解毒起到重要作用。同时在高砷或者高铜胁迫条件下GR活性和GPx活性与之的相关系数可以达到显著水平，这说明高砷或者高铜胁迫条件下GR和GPx在蜈蚣草解毒中起到重要作用。 5、首次证明NO可能参与砷缓解铜对蜈蚣草的植物毒性的过程。发现加入0.2 μM NO加入并没有显著改善蜈蚣草砷的植物毒性，清除蜈蚣草愈伤组织内的NO后，显著增强了砷胁迫条件下对蜈蚣草愈伤组织生长的抑制作用。同时加入NO后却显著改善了蜈蚣草铜胁迫条件下愈伤组织的生长。测定了As、Cu处理后蜈蚣草愈伤组织内源NO含量的变化以及CAT抗ROS能力的变化，结果表明蜈蚣草愈伤组织NO合成显著受As诱导，但不受铜的诱导，同时内源NO浓度的升高，伴随着抵抗ROS胁迫的抗氧化的CAT活性升高。暗示砷可能是通过诱导内源NO浓度升高提高蜈蚣草愈伤组织抵抗ROS胁迫能力来缓解对铜的植物毒性。