镉和砷在植物中的积累及其分子调控机制研究进展

植物源食物是人类摄入有毒金属元素镉(Cd)和砷(As)的主要途径。深化植物对Cd和As积累途径分子机制的认识,有助于培育可食部分中低有毒金属元素含量的作物新种质。该文基于近年来有关植物Cd和As积累在主要模式植物中所取得的实质性研究进展,对植物介导Cd和As吸收的转运蛋白、As形态和生物转化机制以及控制Cd和As根-地上部转运效率和分配的关键因子等方面的研究进展进行综述,并对未来的研究前景进行了展望。     

四川甘洛铅锌矿区优势植物的重金属含量

通过野外调查采样,分析了四川凉山州甘洛县铅锌矿区土壤的重金属含量,以及矿区生长的13种优势植物对Pb、Zn、Cd、Cr、Cu的吸收与富集能力及其富集特性.结果表明,矿区土壤受Pb、Zn、Cd 3种重金属污染严重,13种植物体内的Pb含量均高于普通植物10倍以上,具有修复矿区土壤铅污染的潜力,其中植物1的转运系数和富集系数都大于1,满足Pb超富集植物的基本特征.Zn在凤尾蕨、细风轮菜、大火草、蔗茅、小飞蓬和牛茄子中含量较高.小飞蓬和紫茎泽兰的Cd含量较一般植物高出17～61倍,其中,紫茎泽兰的转运系数与富集系数均大于1,其对Cd的吸收特性值得进一步研究.     

鬼针草(Bidens pilosa L.)对镉污染农田的修复潜力

为探究富集植物鬼针草对镉(Cd)污染农田土壤的修复潜力,通过野外调查,原土盆栽试验和田间试验,测定鬼针草及其根系土壤Cd含量,计算鬼针草的富集系数和去除率。结果表明,野外调查中不同铅锌矿区生长的鬼针草叶片中Cd含量最大值为53.3 mg/kg。盆栽试验中,低浓度Cd土壤处理(T1),鬼针草地上部Cd的富集系数为4.70,转运系数1.59,大于1。高浓度Cd土壤处理(T2 13.4 mg/kg),其地上部Cd积累量达到43.1 mg/kg,其地上部Cd富集系数为3.51。鬼针草对Cd表现出稳定的积累特性。田间试验小区中,土壤Cd含量均值为2.66 mg/kg,鬼针草中地上部Cd含量均值为10.9 mg/kg,富集系数为4.16,使用鬼针草修复Cd污染土壤每公顷地种植一茬鬼针草的去除率为4.3%—6.2%。使用富集植物鬼针草修复农田Cd污染具有较好的工程应用前景。     

镉在土壤-植物-人体系统中迁移积累及其影响因子

环境镉(Cd)污染对微生物、植物、动物和人体均可产生较大的危害。食物链是镉对普通人群造成健康危害的主要途径之一。污染土壤中的镉通过植物根系吸收与体内转运最终在植物可食部分中积累。Cd通过食物链进人人体并在体内蓄积受许多因素的影响,这些影响因素主要有3个方面：土壤性质(土壤含镉量、pH、有机质、粘土矿物和土壤养分状况),植物特性(包括基因型差异、根际过程和植物生理机制)和人体微量元素营养状况等因素。本文就镉在食物链中迁移积累及其调控机理的研究进展进行简要的综述。     

镉不同积累型作物品种对镉吸收、转运和积累特性的研究进展

农田土壤镉污染问题日趋严重, 利用可食部位低积累镉的农作物品种成为保障食品安全的有效策略之一。镉在作物可食部位的累积与镉的吸收转运有关。分析了根系对镉的吸收、镉向地上部的运输和分配及镉在细胞内的分布和结合形态与作物积累镉的关系, 指出作物品种间的镉积累差异受以上多种因素的调控, 但不同作物之间影响镉积累的主要因素存在差异。同时提出在对低镉积累作物品种的筛选和机制研究方面还有很多工作需要开展。     

水稻土施硅对土壤-水稻系统中镉的降低效果

水稻中镉的积累造成人类健康的风险,增加水稻硅素能减轻镉中毒症状,降低稻米镉积累,但是硅对重金属的作用机理尚不清楚。主要研究了在中度和高度镉污染的土壤中,通过施用固态和液态的富硅物质对土壤-水稻系统中镉的吸收和转运的影响,探明决定镉和硅在根与芽的质外体和共质体中的作用机理。试验结果表明:(1)在中度和高度污染的土壤中,镉在土壤-作物系统中的转移和积累情况是不同的,可以通过富硅物质中的单硅酸与镉离子的相互作用,增加镉在硅物质表面的吸附来减少镉在土壤中的流动;(2)富硅物质可以降低水稻根和芽中镉的积累,在高度镉污染的情况下,施用硅可以使镉大量积累在水稻根及其共质体中,并降低根及其共质体中镉的转换和积累;(3)新鲜土壤中水萃取态的单硅酸含量与镉在土壤-作物系统中的流动性、转运以及积累等主要参数密切相关。     

植物防御素调控水稻镉积累的新机制

镉是我国农产品的主要重金属污染物之一。随着我国土壤重金属污染问题日益突出, 包括稻米在内的农产品重金属超标时常发生。如何防控重金属在作物可食部位的积累, 在保证农产品安全的同时将农田重金属进行移除修复, 已成为我国农业生产急需解决的问题。最近, 中科院上海生命科学院植物生理生态所龚继明研究组和中国水稻所钱前研究组克隆到1个特异调控镉在水稻(Oryza sativa)叶片中积累的主效QTL基因CAL1。CAL1编码1个植物防御素类似蛋白, 通过与镉进行螯合, 将镉从维管束木质部薄壁细胞中分泌出来, 进入木质部参与长距离转运, 从而定向调控镉在水稻叶片等营养器官的积累而不影响籽粒镉的积累。该研究加深了人们对重金属镉在植物体内的转运和再分配机理的认识, 同时也为培育秸秆镉高积累而籽粒镉含量达标的“修复型”水稻品种提供有价值的新基因。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。     

镉胁迫下春小麦中镉的分布、富集及转移规律

采用盆栽试验,研究了镉胁迫下重金属镉(Cd)在春小麦中的分布、富集及转移规律。结果表明:Cd胁迫下,小麦根、茎、叶和籽粒中Cd积累量随外源Cd的增加而增加,小麦不同部位Cd积累量为根叶茎籽粒;籽粒中Cd含量与土壤中Cd显著相关;小麦不同部位对Cd的富集能力差异显著,且随外源Cd处理浓度的增加,各部位富集系数逐渐降低,低Cd浓度时各部位更易富集Cd;小麦植株地上部的转移系数亦呈递减趋势为茎、叶籽粒;在春小麦全生育期,土壤中Cd含量无明显变化,根对外源Cd的富集吸收于生育期70d左右达峰值,小麦植株中的Cd也在80d左右达到峰值后逐步减少,表明植株中的Cd,随籽粒的成熟逐步转移至籽粒。     

水葱对镉的超富集作用及其用于植物修复的潜力

野外观察与研究发现水葱(Scirpus tabernaemontani G.)可以耐受土壤中高浓度的重金属污染,并对镉有很高的生物富集量。实验室水培试验研究了两个主要因素,营养液pH值以及镉含量,对其生物量以及镉富集效果的影响。结果表明,水葱可耐受的高浓度Cd(30mg/L)和大范围pH值变化(3.7～7.7)。当营养液pH值为4.7,Cd含量为25mg/L时,水葱富集的Cd达到最大值:地上部分264.71mg/kg,地下部分234·39mg/kg,平均转运系数1.13。这显示了它用于植物修复镉污染土壤的巨大潜力。     

矿区绿化树木对镉和锌的吸收与分布

研究了南京某矿区11种树木的重金属吸收和分布特征.结果表明：树木对重金属的吸收和富集因树木种类、部位及重金属种类的不同而异.法国冬青对Cd的含量、富集和转运系数均高于其它树种,可以植物萃取方式修复土壤污染.Cd主要积累在树木根部,树木不同器官对Cd积累能力的总趋势为根＞叶及枝＞树皮＞树干;而Zn更多地积累在树木地上部（叶和枝）而非根部.11种树木对Cd和Zn的富集系数均<0.2.树木对Cd和Zn的转运系数差异显著,总体上是Zn>Cd.