1.3測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1鎘含量測(cè)定

將植物樣品在80℃烘干至恒重后,粉碎過100目篩密封保存。稱取0.3g樣品放入消煮管中,加入HNO3和HClO4(體積比為3∶1)8mL,靜置6~10h。將樣品置于石墨消解儀內(nèi),溫度控制在160℃消化,直至無紅棕色濃煙產(chǎn)生,消解產(chǎn)物在240℃條件下趕酸至1mL,以上操作均在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。將趕酸后的樣品用超純水定容至50mL,用0.22μm微孔測(cè)濾定膜溶過液濾中溶的液鎘,含用量電。感耦合等離子技術(shù)(ICP-MS)

1.3.2木質(zhì)纖維素含量測(cè)定

將苧麻各器官樣品洗凈、烘干、粉碎過篩后,參照標(biāo)準(zhǔn)《木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料化學(xué)成分的測(cè)定第5部分:纖維素、半纖維素、果膠和木質(zhì)素的測(cè)^[1]定3]?！?NB/T34057.5—2017)測(cè)定木質(zhì)素、纖維素含量。

1.3.3亞細(xì)胞組分分離與鎘含量測(cè)定

參考Weigeiw^[14]等和Fu^[15]等的方法,利用改進(jìn)的差速離心技術(shù)分離不同器官的不同亞細(xì)胞組分^[6。具體步驟:準(zhǔn)確稱取植物組織鮮樣(根、莖葉)2.0g，加人20mL預(yù)冷的4℃提取液[25mmol/l蔗糖+50mmol/lTris-HCl緩沖液(pH為7.5)+1mmol/1二硫赤鮮糖醇]后研磨成勻漿勻漿液于尼龍布(100m網(wǎng)目)篩分,殘?jiān)鼮榧?xì)胞壁組分;濾液在600g條件下離心10min,沉淀為細(xì)胞核組分;上清液在2000g條件下離心15min沉淀為葉綠體組分;上清液在10000g條件下離心20min,沉淀為線粒體組分,上清液為可溶組分。全部操作在4℃下進(jìn)行。所得的各亞細(xì)胞組分烘干加人HNO:和HCIO體積比為3:1)進(jìn)行消解并測(cè)定鎘含量。

1.3.4不同化學(xué)形態(tài)鎘提取與測(cè)定

參考Fu等^[15]化學(xué)試劑逐步提取法提取植株地下器官、莖、葉中不同形態(tài)的鎘離子。按照以下溶液進(jìn)行逐步提取:(1)80%乙醇(記為F-Ethanol),提取無機(jī)鎘,以硝酸鹽/亞硝酸鹽鎘、氯化物鎘和氨基苯酚鎘為主;(2)去離子水(記為F-H2O),提取水溶性Cd;(3)1mol/LNaCl(記為F-NaCl),提取果膠酸鹽和蛋白質(zhì)結(jié)合的Cd;(4)2%HAc(記為FHAc),提取磷酸鹽結(jié)合態(tài)鎘,含CdHPO4和Cd3(PO4)2等;(5)0.6mol/LHCl(記為F-HCl),提取草酸結(jié)合的鎘。具體步驟:分別準(zhǔn)確稱取苧麻地下器官、莖、葉鮮樣0.2g,依次加入上述提取液20mL,研磨成勻漿,25℃下150r/min振蕩22h,于4℃下10000g離心10min后吸取上清液,再加入相同提取液20mL,相同振蕩條件振蕩2h后,4℃下10000g離心10min后吸取上清液,合并2次上清液得到相應(yīng)提取態(tài)組分樣品。將提取后所得沉淀物以此類推進(jìn)行逐步提取。5種提取后溶液定容至50mL,剩余殘留態(tài)鎘(記為F-Resdual),經(jīng)過烘干、消解和定容后,用0.22μm微測(cè)孔定濾溶膜液過中濾鎘溶含液量,用電感耦合等離子技術(shù)(ICP-MS)測(cè)定溶液中鎘含量。

1.3.5數(shù)據(jù)處理

所有測(cè)定指標(biāo)利用SPSS26.0先進(jìn)行單因素方差分析(one-wayANOVA),再進(jìn)行處理間0.05水平的差異顯著性檢驗(yàn)及多重比較;試驗(yàn)數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系采用皮爾遜相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。滯留率用于表征植物根系在吸收鎘后將其固定或保留在根部的能力^[17]。滯留率=[地下器官中的鎘含量-地上部(莖和葉)鎘含量)]/地下器官鎘含量×100%。

2結(jié)果與分析

2.1鎘脅迫對(duì)苧麻各器官中鎘積累的影響

‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’各器官中鎘含量均隨著鎘脅迫濃度增加而上升,且各濃度處理間均差異顯著(P<0.05),器官之間又表現(xiàn)為地下器官>莖>葉,且各器官間均存在顯著差異(表1)。其中,處理濃度間比較,2份種質(zhì)地下器官中鎘含量均值在200mg/kgCd處理下分別是100mg/kg和50mg/kg處理的3.12倍和6.14倍。兩種質(zhì)間比較,‘湘苧3號(hào)’地下器官、莖和葉中鎘含量均不同程度高于相應(yīng)其各濃度處 鎘含量分別為‘湘苧XB’則分別為36.49,12.67,3.51mg/kg。尤其在200mg/kgCd處理下,‘湘苧3號(hào)’莖稈中鎘含量是相應(yīng)‘湘苧XB’的1.94倍,即‘湘苧3號(hào)’對(duì)鎘富集能力強(qiáng)于‘湘苧XB’,但整體上兩種質(zhì)之間含量無顯著差異。不同器官之間比較,苧麻植株各器官鎘含量(所有處理平均值)表現(xiàn)為地下器官(38.59mg/kg)>莖(16.87mg/kg)>葉(3.88mg/kg),且此趨勢(shì)在供試的2個(gè)品種間和3個(gè)鎘處理濃度間穩(wěn)定存在。

2.2鎘脅迫對(duì)苧麻地下器官中鎘含量及鎘形態(tài)的影響

2.2.1地下器官亞細(xì)胞組分中鎘含量和占比

由圖1可知,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’地下器官細(xì)胞壁、細(xì)胞核和可溶性組分中鎘含量均隨鎘脅迫濃度增加而顯著上升(P<0.05)。

表1不同濃度鎘脅迫下苧麻各器官中鎘積累量

注:同列不同小寫字母表示同一種質(zhì)不同鎘處理間存在顯著性差異(P<0.05),而同行不同大寫字母表示同一鎘濃度處理不同器官間存在顯著性差異(P<0.05)。

圖1不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’地下器官亞細(xì)胞組分中鎘含量和占比

隨著鎘處理濃度升高,各亞細(xì)胞組分中鎘含量占比卻呈現(xiàn)細(xì)胞壁中鎘含量占比下降,可溶性組分鎘含量占比上升趨勢(shì)。在200,100mg/kgCd脅迫處理下,‘湘苧3號(hào)’地下器官細(xì)胞壁中鎘含量占比較50mg/kgCd脅迫處理分別降低23.89%和13.00%,可溶性組分中鎘含量占比分別增加31.95%和26.13%。雖然各亞細(xì)胞組分中鎘含量占比有變化,整體上仍表現(xiàn)為地下器官中鎘離子主要分布在細(xì)胞壁和可溶性組分,并且細(xì)胞壁組分中鎘占比更高。其中,‘湘苧XB’細(xì)胞壁和可溶性組分中鎘占比之和達(dá)90.48%(所有處理平均占比),‘湘苧3號(hào)’達(dá)90.29%,進(jìn)入細(xì)胞核、葉綠體和線粒體組分的鎘所占比例不超過總鎘含量的10%。

2.2.2地下器官中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量和占比

由圖2可知,隨著鎘脅迫濃度增加,地下器官中殘留態(tài)鎘含量先降后升,并在100mg/kgCd處理下最低,此時(shí)‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’分別比50mg/kgCd處理降低77.00%和19.57%。其他形態(tài)鎘含量均呈顯著遞增趨勢(shì)(P<0.05),并以F-NaCl提取態(tài)鎘含量增幅最大,200mg/kgCd脅迫處理‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’F-NaCl提取態(tài)鎘含量分別是50mg/kgCd脅迫處理的3.59倍和9.42倍。但隨著鎘脅迫濃度升高,不同化學(xué)形態(tài)鎘占比存在不同的變化趨勢(shì)。F-NaCl提取態(tài)鎘作為地下器官中鎘含量和占比最高的形態(tài),在‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’中占比分別達(dá)60.46%和60.35%。

圖2不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’植株地下器官中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量及占比

在200mg/kgCd脅迫時(shí),‘湘苧XB’F-NaCl提取態(tài)鎘占比較50mg/kg和100mg/kg分別顯著增加了14.55%和15.46%。‘湘苧3號(hào)’F-NaCl提取態(tài)鎘占比隨著鎘脅迫濃度增加呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì),在鎘脅迫濃度為100mg/kg時(shí)達(dá)到最大值(68.71%)。‘湘苧XB’的F-Ethanol提取態(tài)鎘占比隨鎘脅迫濃度增加先增后降,在100mg/kgCd脅迫下最高(21.81%),分別是50mg/kg和200mg/kgCd脅迫的1.47倍和2.20倍。‘湘苧3號(hào)’F-H2O提取態(tài)鎘占比隨著鎘脅迫濃度增加表現(xiàn)為先降后增,在100mg/kgCd脅迫下最低(12.38%),較50mg/kgCd脅迫降低了30.70%,而在200mg/kgCd脅迫時(shí)增加了2.06倍。F-HAc、F-HCl和F-Residual提取態(tài)鎘占比整體偏低,其占比均在10%左右,且隨鎘脅迫濃度增加整體呈下降趨勢(shì)。

2.2.3地下器官中鎘滯留率

由圖3可知,鎘處理濃度與基因型對(duì)苧麻地下器官中鎘滯留率有顯著影響(P<0.05)。整體來看,鎘處理濃度對(duì)地下器官中鎘滯留率的影響在‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’之間呈相反趨勢(shì),即‘湘苧XB’隨鎘脅迫濃度增加表現(xiàn)為先降后增,‘湘苧3號(hào)’則表現(xiàn)為先增后降。在鎘脅迫濃度為100mg/kg時(shí),地下器官鎘滯留率在‘湘苧XB’中達(dá)到最低值(37.33%),而在‘湘苧3號(hào)’中達(dá)到最高值(45.00%)。比較2個(gè)基因型,整體上表現(xiàn)為‘湘苧XB’地下器官對(duì)鎘的滯留能力強(qiáng)于‘湘苧3號(hào)’,其滯留率均值高出‘湘苧3號(hào)’10.67%。

圖3不同濃度鎘脅迫下苧麻植株地下器官中鎘的滯留率

2.2.4地下器官細(xì)胞壁的主要成分含量

細(xì)胞壁作為苧麻地下器官滯留鎘的關(guān)鍵組分,其主要成分含量受鎘脅迫影響后產(chǎn)生了顯著變化(圖4)。‘湘苧XB’細(xì)胞壁中纖維素和果膠含量在100mg/kgCd脅迫下顯著偏低,分別僅占1.60%和1.35%;木質(zhì)素含量在100mg/kgCd脅迫時(shí)達(dá)到21.92%,顯著高于50mg/kgCd脅迫時(shí)的含量;而半纖維素含量在不同濃度鎘脅迫之間未呈現(xiàn)出顯著性差異。‘湘苧3號(hào)’細(xì)胞壁中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量在鎘脅迫濃度為200mg/kg時(shí)較100mg/kgCd脅迫分別顯著降低了18.56%、16.45%和23.03%;果膠含量在100mg/kgCd脅迫下顯著偏低,僅占1.60%。

圖4不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’地下器官細(xì)胞壁中的主要成分含量

2.2.5地下器官細(xì)胞壁的成分含量和各化學(xué)形態(tài)鎘占比與鎘滯留率的相關(guān)性

苧麻地下器官細(xì)胞壁的成分含量與鎘滯留率的相關(guān)性分析(表2)表明,‘湘苧XB’的鎘滯留率與細(xì)胞壁中纖維素含量和果膠含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。‘湘苧3號(hào)’的鎘滯留率與地下器官細(xì)胞壁半纖維素含量和木質(zhì)素含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。在200mg/kgCd脅迫時(shí),‘湘苧XB’鎘滯留率較100mg/kgCd脅迫時(shí)增加63.41%,其纖維素和果膠含量較100mg/kgCd脅迫時(shí)也分別增加了5.58%和10.75%。此時(shí),‘湘苧3號(hào)’鎘滯留率較100mg/kgCd脅迫處理減少了22.22%,相應(yīng)的半纖維素和木質(zhì)素含量也較100mg/kgCd脅迫處理顯著減少了16.45%和23.03%?？梢?在200mg/kgCd脅迫時(shí),‘湘苧XB’地下器官細(xì)胞壁成分中纖維素和果膠的形成對(duì)鎘滯留具有明顯促進(jìn)作用,而‘湘苧3號(hào)’地下器官細(xì)胞壁中半纖維素和木質(zhì)素合成受到抑制,其鎘滯留能力也有所降低。

另外,‘湘苧3號(hào)’的鎘滯留率與地下器官細(xì)胞壁中果膠含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),但其相關(guān)性及果膠含量都偏低,果膠含量對(duì)‘湘苧3號(hào)’鎘滯留的影響較小。

表2同時(shí)顯示,‘湘苧XB’地下器官中鎘滯留率與其F-Ethanol提取態(tài)鎘占比呈極顯著負(fù)相關(guān),與F-NaCl提取態(tài)(P<0.05)和F-Residual殘?jiān)鼞B(tài)(P>0.05)鎘占比呈正相關(guān)。說明在鎘脅迫處理下,‘湘苧XB’地下器官中鎘離子由容易遷移的F-Ethanol提取態(tài)轉(zhuǎn)化為較難遷移的F-NaCl提取態(tài)和難以遷移的殘?jiān)鼞B(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)鎘的固定與滯留。對(duì)‘湘苧3號(hào)’而言,其地下器官中鎘離子滯留率主要與FH2O提取態(tài)鎘占比呈顯著負(fù)相關(guān),與F-NaCl和F-HCl提取態(tài)呈不顯著正相關(guān)。即‘湘苧3號(hào)’地下器官中鎘離子由易遷移的F-H2O提取態(tài)鎘離子轉(zhuǎn)化為較難遷移的F-NaCl和F-HCl提取態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)鎘的固定與滯留?？梢?苧麻地下器官中鎘結(jié)合形態(tài)的轉(zhuǎn)換也是影響其鎘滯留的因素之一。

表2苧麻植株地下器官細(xì)胞壁的主要成分含量和不同化學(xué)形態(tài)鎘占比與其鎘滯留率的相關(guān)性

注:*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平顯著相關(guān)。

2.3鎘脅迫對(duì)苧麻植株莖和葉中鎘含量及鎘形態(tài)的影響

2.3.1莖和葉亞細(xì)胞組分中鎘含量和占比

由圖5、圖6可知,隨著鎘脅迫濃度增加,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖、葉細(xì)胞壁和可溶性組分中鎘含量存在顯著上升趨勢(shì)(P<0.05),如‘湘苧XB’莖的細(xì)胞壁組分中鎘含量由50mg/kgCd脅迫處理下的1.21mg/kg增加至200mg/kgCd脅迫處理下的8.60mg/kg。

鎘在莖和葉亞細(xì)胞組分中的分布與地下器官相似,主要分布在細(xì)胞壁和可溶性組分中,但其將鎘離子更多地區(qū)隔在可溶性組分中,細(xì)胞壁滯留鎘占比次之,這與地下器官不同。其中,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖稈細(xì)胞壁和可溶性組分中鎘占比之和分別為85.08%(所有處理平均占比,分別為40.42%和44.66%)和86.92%(分別為40.22%和46.70%),葉片細(xì)胞壁和可溶性組分中鎘占比之和分別高達(dá)93.48%(分別43.25%和50.23%)和92.25%(分別為42.22%和50.04%)。此外,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖稈細(xì)胞核、葉綠體和線粒體組分中鎘占比均超過10%,而葉片細(xì)胞核、葉綠體和線粒體組分中的鎘占比僅分別為6.52%和7.75%。隨著鎘脅迫濃度增加,‘湘苧3號(hào)’莖稈可溶性組分中鎘占比存在顯著下降趨勢(shì),由50mg/kg處理的56.22%下降至200mg/kg處理的40.75%。但隨鎘脅迫濃度增加,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’葉片可溶性組分中鎘占比均呈顯著上升趨勢(shì),如‘湘苧3號(hào)’葉片可溶性組分中鎘占比由50mg/kg處理的47.03%上升至200mg/kg處理的51.88%。

2.3.2莖和葉中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量和占比

由圖7可知,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖稈中F-NaCl提取態(tài)鎘含量隨鎘脅迫濃度升高而顯著增加(P<0.05),如200mg/kg鎘脅迫處理分別較50mg/kgCd處理增加了11.02倍和16.88倍。同時(shí),‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖稈中F-NaCl提取態(tài)鎘占比范圍分別為32.37%~39.08%和24.03%~41.79%,均顯著高于其他提取態(tài)鎘,表現(xiàn)與地下器官一致,且隨鎘脅迫濃度增加其占比整體上有所遞增。在鎘脅迫環(huán)境下,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖稈中F-Ethanol和F-H2O提取態(tài)鎘占比顯著高于地下器官,在100mg/kgCd脅迫時(shí),‘湘苧XB’F-H2O提取態(tài)鎘占比高達(dá)29.37%,‘湘苧3號(hào)’F-Ethanol提取態(tài)鎘占比高達(dá)39.24%;F-Ethanol和F-H2O作為遷移能力較強(qiáng)的化學(xué)形態(tài),‘湘苧XB’二者占比之和隨鎘脅迫加強(qiáng)而顯著增加,而‘湘苧3號(hào)’二者占比之和則先增后降,200mg/kgCd脅迫處理時(shí)二者占比之和較100mg/kgCd處理降低了25.54%。

圖5不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖的亞細(xì)胞組分中鎘含量和占比

圖6不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’葉的亞細(xì)胞組分中鎘含量和占比

圖7不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’莖中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量和占比

圖8不同濃度鎘脅迫下‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’葉中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量和占比

隨著鎘脅迫濃度增加,‘湘苧XB’莖中F-HAc、F-HCl和F-Residual提取態(tài)鎘占比之和整體上有所降低,而‘湘苧3號(hào)’莖中F-HAc、F-HCl和F-Residual提取態(tài)鎘占比之和在200mg/kg鎘脅迫下較100mg/kgCd脅迫時(shí)增加了2.37倍(圖7)。

從圖8可知,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’葉片中不同化學(xué)形態(tài)鎘含量較地下器官和莖中顯著減少。但隨著鎘脅迫濃度增加,其中F-Ethanol和F-H2O提取態(tài)含量占比之和也明顯增加,這2種鎘形態(tài)之和占比在葉中最高。當(dāng)鎘脅迫濃度≥/kg時(shí),‘湘苧3號(hào)’葉中態(tài)鎘占比超過50%,均值達(dá)到53.80%。而F-NaCl提取態(tài)鎘不是葉片中鎘的主要結(jié)合形態(tài),其均值在2個(gè)苧麻種質(zhì)中分別僅占15.75%和21.78%(所有鎘處理的均值)。另外,苧麻葉片中F-HAc提取態(tài)鎘所占比例增加,如100mg/kgCd脅迫‘湘苧XB’葉片中F-HAc提取態(tài)鎘占比可達(dá)40.24%;‘湘苧3號(hào)’葉片中F-HAc提取態(tài)鎘占比均值可達(dá)12.29%,分別是莖和地下器官中的2.13倍和2.55倍。

3討論

3.1鎘脅迫對(duì)2種基因型苧麻植株鎘吸收與積累的影響

根系是鎘離子進(jìn)入植株體的第一道屏障,根對(duì)鎘的固持作用會(huì)限制鎘向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn),植物將鎘滯留在根系中可能是植物應(yīng)對(duì)重金屬脅迫的方式之一^[18]。植株應(yīng)對(duì)鎘脅迫時(shí),地下器官作為植株最先接觸重金屬的器官,其適應(yīng)性對(duì)植株耐受鎘脅迫至關(guān)重要。本研究中,苧麻各器官中鎘含量隨著鎘脅迫濃度增加顯著上升,且大部分鎘積累在地下器官中,這與Lai^[19]和閆雷等^[20]的研究相似。當(dāng)鎘脅迫濃度達(dá)到200mg/kg時(shí),‘湘苧3號(hào)’向莖運(yùn)輸鎘含量更高,進(jìn)一步證實(shí)其植株向上運(yùn)輸鎘的能力較強(qiáng)^[12]。在耐鎘閾值范圍內(nèi),雖然2種基因型苧麻均能吸附土壤中的重金屬鎘,但‘湘苧3號(hào)’的吸附效果適優(yōu)應(yīng)于能‘力湘評(píng)苧價(jià)X體B系’。 ‘湘苧XB’適應(yīng)苧麻貧瘠貧土瘠壤土的能力較強(qiáng),而‘湘苧3號(hào)’則較弱。因此,‘湘苧XB’更適合用于修復(fù)貧瘠的礦區(qū)重金屬污染土壤,而‘湘苧3號(hào)’則在修復(fù)重金屬污染的休耕地時(shí)能發(fā)揮最佳效果。

3.2 2種基因型苧麻各器官亞細(xì)胞組分對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)

細(xì)胞壁的吸附固定和液泡區(qū)室化隔離作用是植物細(xì)胞適應(yīng)鎘脅迫和解鎘毒的關(guān)鍵機(jī)制^[21]。有研究指出,細(xì)胞壁能固定大量的鎘離子,減少重金屬鎘進(jìn)入細(xì)胞,減輕對(duì)植物細(xì)胞的傷害^[15]。而液泡作為可溶性組分的主要組成部分,其內(nèi)部豐富的有機(jī)酸可與重金屬離子螯合,并將其隔離在液泡中,降低重金屬對(duì)植物組織或器官產(chǎn)生的毒害作用,從而表現(xiàn)出重金屬的內(nèi)部耐受作用^[22],是鎘在植物各器官中結(jié)合的第二位點(diǎn)^[23]。本研究發(fā)現(xiàn),在鎘脅迫環(huán)境下,‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’地下器官、莖和葉中鎘離子大部分被富集在細(xì)胞壁和可溶性組分,其占比均超過80%。因此‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’各器官均是利用細(xì)胞壁的吸附固定和液泡區(qū)室化隔離作用緩解鎘毒。這與旱柳(Salix matsudana Koidz.)^[24]美洲商陸(Phytol accaamericana L.)^[15]和欒樹(Koelreuteria paniculata Lamx.)^[25]中的研究結(jié)果相似。但與之不同的是,這2種基因型苧麻植株鎘離子分布在不同器官中存在差異,地下器官的細(xì)胞壁組分中鎘占比均超過50%,而莖和葉可溶性組分中鎘占比略高于細(xì)胞壁組分中的鎘占比。有研究指出,當(dāng)細(xì)胞壁結(jié)合的鎘離子達(dá)到飽和時(shí),鎘會(huì)以游離態(tài)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并產(chǎn)生毒害,此時(shí)液泡通過區(qū)室化阻隔作用將鎘離子螯合在植物液泡中^[26],而該過程受液泡中酶基因調(diào)控,可將根系細(xì)胞質(zhì)中鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中進(jìn)行隔離儲(chǔ)存,Daisei等^[27]對(duì)水稻(OryzasativaL.)的研究結(jié)果表明,低鎘積累品種的OsHMA3通過選擇性地將鎘隔離到根液泡中,限制了鎘從根部到地上組織的遷移。因此,苧麻各器官將鎘分布在細(xì)胞壁和可溶性性組分是行之有效的解毒策略,根據(jù)其各器官適應(yīng)鎘脅迫所產(chǎn)生的解毒策略,后續(xù)深入分析調(diào)控耐受鎘脅迫的分子機(jī)制具有重要意義。

3.3 2種基因型苧麻器官鎘化學(xué)形態(tài)對(duì)不同濃度鎘脅迫的響應(yīng)

有研究指出,鎘化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)換是植物細(xì)胞解鎘毒的關(guān)鍵機(jī)制^[28],并且鎘的化學(xué)形態(tài)與其毒性和遷移能力直接相關(guān),隨著提取劑極性增強(qiáng),所提取鎘在植株體內(nèi)的毒性和遷移能力不斷降低^[15]。無機(jī)鎘(F-Ethanol提取態(tài)鎘)和水溶性鎘(F-H2O提取態(tài)鎘)的遷移性和毒性最強(qiáng);果膠酸鹽和蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)鎘(F-NaCl提取態(tài)鎘)遷移性較低,毒性最低^[29];磷酸鹽結(jié)合態(tài)鎘(F-HAc提取態(tài)鎘)、草酸結(jié)合的鎘(F-HCl提取態(tài)鎘)和殘留態(tài)(F-Resdual提取態(tài)鎘)遷移性和毒性也逐級(jí)降低^[30]。本研究結(jié)果顯示,苧麻地下器官在鎘脅迫下作為鎘富集的主要器官,并主要以果膠酸鹽和蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)鎘存在,鎘占比均超過50%,該形態(tài)以高占比形式存在被認(rèn)為是植物中減輕鎘毒性重要方式,從而減輕對(duì)地下器官的損傷^[31]。同時(shí),隨著鎘脅迫濃度增加,苧麻地下器官中F-NaCl提取態(tài)鎘占比有所上升,以提高苧麻地下器官的耐鎘能力。另外,鎘的化學(xué)形態(tài)對(duì)地下器官中鎘滯留率具有顯著影響。Li等的研究結(jié)果^[32]表明,鎘遷移能力的降低對(duì)增強(qiáng)地下器官鎘滯留率具有重要作用,有助于提升植物適應(yīng)鎘脅迫。本研究中,苧麻地下器官在受到鎘脅迫時(shí)有將遷移能力強(qiáng)的無機(jī)鎘和水溶性鎘轉(zhuǎn)化為遷移能力弱的果膠酸鹽和蛋白質(zhì)結(jié)合鎘以及磷酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的趨勢(shì),以增強(qiáng)地下器官對(duì)鎘的滯留能力,減少鎘離子向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn),降低鎘毒害作用。與地下器官不同的是,在適應(yīng)鎘脅迫的閾值范圍內(nèi),2種不同基因型苧麻植株莖和葉中無機(jī)鎘和水溶性鎘占比較高。但為緩解鎘脅迫對(duì)莖和葉生長(zhǎng)的影響,莖通過提高F-NaCl提取態(tài)鎘占比,葉通過提高F-HAc提取態(tài)鎘占比,降低鎘的遷移性和毒性,緩解鎘毒害發(fā)生。

3.4 2種不同基因型苧麻細(xì)胞壁成分對(duì)地下器官滯留鎘的影響

根系是鎘離子進(jìn)入植株體的首道屏障,將鎘滯留在根系中是植株應(yīng)對(duì)重金屬脅迫的方式之一^[33]。本研究發(fā)現(xiàn),苧麻地下器官是鎘富集的主要器官。通過亞細(xì)胞分布研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞壁組分在吸附固定鎘離子過程中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞壁作為保護(hù)植物免受重金屬毒害影響的重要保護(hù)屏障^[18],其主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等,對(duì)重金屬具有一定的螯合作用^[34];并且,細(xì)胞壁上含有豐富的帶負(fù)電荷的官能團(tuán),能與重金屬陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng),是細(xì)胞壁能滯留鎘的關(guān)鍵原因^[35-36]。有研究表明,細(xì)胞壁上半纖維素和果膠帶有的負(fù)電荷基團(tuán)與鎘離子發(fā)生靜電結(jié)合,這主要受到PME14和XCD1等基因調(diào)控^[37]。在水稻耐鹽脅迫的研究中,UGE3過表達(dá)能提高纖維素和半纖維素的含量,從而增強(qiáng)水稻對(duì)鹽脅迫和滲透脅迫的耐受性^[38-40]。本研究發(fā)現(xiàn),鎘脅迫引起細(xì)胞壁成分含量變化,細(xì)胞壁成分含量變化會(huì)影響地下器官對(duì)鎘的滯留能力。‘湘苧XB’地下器官中的纖維素和果膠含量增加,以及‘湘苧3號(hào)’地下器官中半纖維素和木質(zhì)素含量增加均增強(qiáng)了對(duì)鎘的滯留能力。然而,不同程度的鎘脅迫對(duì)不同基因型苧麻地下器官細(xì)胞壁成分含量和鎘滯留能力的影響存在顯著差異。馬瑩等^[29]的研究也證實(shí)鎘脅迫會(huì)導(dǎo)致‘中苧1號(hào)’等基因型苧麻半纖維素含量變化,通過增加細(xì)胞壁中的半纖維素含量以應(yīng)對(duì)鎘脅迫,這進(jìn)一步支持了細(xì)胞壁成分在響應(yīng)鎘脅迫中的重要作用。因此,通過明確細(xì)胞壁成分含量增加類型,并對(duì)其合成酶相關(guān)基因進(jìn)一步分析,有助于后續(xù)深入研究提升植物耐鎘能力。

4.結(jié)論

‘湘苧XB’和‘湘苧3號(hào)’具有較強(qiáng)的鎘耐受能力,在應(yīng)對(duì)不同濃度鎘脅迫時(shí),其植株各器官均通過調(diào)節(jié)鎘的選擇性分布以及轉(zhuǎn)換鎘的結(jié)合形態(tài)以減輕鎘毒害作用。其中,根系的細(xì)胞壁吸附固定作用、莖葉的液泡區(qū)室化隔離作用及鎘形態(tài)從遷移-毒性強(qiáng)的形態(tài)向遷移-毒性弱的形態(tài)轉(zhuǎn)化是苧麻植株應(yīng)對(duì)鎘毒害的重要策略。綜合2個(gè)基因型苧麻品種的表現(xiàn),‘湘苧XB’更適合用于修復(fù)貧瘠的礦區(qū)重金屬污染土壤,而‘湘苧3號(hào)’則在修復(fù)重金屬污染的休耕地時(shí)能發(fā)揮最佳效果。

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文章摘自：李芷薇,伍旖旎,何聰彧,等.苧麻不同器官耐受鎘脅迫的策略初探[J/OL].西北植物學(xué)報(bào),1-13[2025-01-13].