随着工业化生产和现代化城市发展,我国农田土壤重金属污染问题日益严重,对我国农作物的安全生产与居民健康造成了巨大危险。据环保部与国土资源部调查显示,我国农田土壤的主要重金属污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅。由于重金属污染具有累积性、隐蔽性、长期性、巨大的危害性、和不可逆转性等特点,重金属污染防治现已经成为当今国际研究的难点和热点。植物修复作为一种新兴的绿色环保生物技术,较之传统修复方法来说具有成本低、效益高、环境友好等优点,在污染环境生态修复中具有广泛的应用前景。东南景天是我国本土发现的锌镉超积累植物,其生物量大、生长速度快,是重金属污染植物修复的一种良好潜在材料,已逐渐用于我国重金属污染土壤植物修复实践工作中。前期研究表明,东南景天不仅能超积累重金属锌和镉,其对铅、铜等亦具有较强的耐性和积累能力。然而,迄今为止对于东南景天是否能耐受和积累高量镍仍一无所知,探明锌镉超积累植物东南景天对镍的耐性与积累特征,有助于其在镉、镍等重金属复合污染土壤中的实践应用。基于此,本研究以锌镉超积累生态型东南景天及其非超积累生态型为材料,采用溶液培养法,综合运用显微镜荧光染色、透射电镜、同步辐射微区X射线荧光谱(μ-XRF)、ICP-MS等技术,较为系统地研究了锌镉超积累东南景天对镍的耐性与积累能力及其调控机制。取得的研究结果主要包括两个方面:(1)锌镉超积累生态型东南景天根系对高镍胁迫的耐受性:采用水培实验,通过显微镜荧光染色、透射电镜、μ-XRF、ICP-MS等技术比较分析了锌镉超积累生态型(HE)与非积累生态型(NHE)东南景天根系对镍胁迫的耐性差异。首先,通过测定不同浓度(0-200 μM)与时间(0-72 h)镍胁迫下两种生态型东南景天根系的质膜完整性、脂质过氧化、活性氧自由基、细胞超微结构等指标的变化差异,发现两种生态型东南景天根系在镍胁迫下均呈现出一定程度的质膜受损和膜质过氧化损伤以及根部活性氧自由基(过氧化氢和超氧负离子)的过量积累。然而,在高浓度镍(100μM)处理72h后,超积累生态型东南景天根系的质膜受损、膜脂质过氧化与活性氧自由基的积累量均显著低于非超积累生态型根系。根尖细胞的超微结构分析结果证实了这一点,高浓度镍处理72h后,非超积累东南景天根尖细胞超微结构产生明显的破坏,而超积累东南景天根尖细胞超微结构则无明显变化。可见,超积累生态型东南景天根系对高镍胁迫具有较强的耐性。通过ICP-MS分析两种生态型根系对镍的积累特性发现在同等镍处理浓度与处理时间下超积累生态型东南景天根系镍的积累量要显著低于非超积累生态型。由此推测,相较于非超积累生态型,超积累生态型东南景天根系对镍的吸收速率更低或其根系木质部对镍的装载能力更强。通过对木质部汁液的分析证实了超积累生态型东南景天根系木质部对镍的装载速率要显著高于非超积累生态型,尤其是在高镍胁迫下,从而促使其根系向地上部快速转运镍,降低根系镍的积累量。此外,同步辐射μ-XRF与荧光显微染色分析发现两种生态型根系镍与超氧负离子的分布特征均有明显的生态型差异,非超积累东南景天根系在100μMMNi处理24 h后,镍和超氧负离子均大量积聚在中柱周围,而超积累东南景天根系中则无此现象,这进一步证实了在高镍胁迫下超积累生态型东南景天通过高效的木质部装载系统向地上部快速转移镍,降低了过量的镍在根系积累所带来的氧化胁迫。综上可知,相较于非积累生态型,锌镉超积累生态型东南景天根系对高镍胁迫具有较强的耐受性,主要原因在于其根系木质部对镍具有更高效的装载系统,促使根系吸收、积累的过量镍及时向地上部转运,以降低镍在根细胞中的过度累积所引起的氧化胁迫,从而维持根系的正常生长与生理功能。(2)锌镉超积累生态型东南景天对镍的积累能力与区隔特性:采用水培实验,分析比较了两种生态型东南景天在不同镍浓度(0-200 μM)长期处理后的生长状况、镍含量与分布特征变化。结果显示,两种生态型东南景天在镍长时间处理后均出现不同程度的毒害症状,但非超积累生态型受胁迫程度更为严重,其在Ni≥25μM处理28天后生物量急剧下降,而锌镉超积累生态型东南景天则在Ni≤50μM处理浓度下均生长正常,这证实了后者对镍胁迫具有较强的耐受性。进一步研究发现两种生态型东南景天虽然对镍的总吸收量没有显著差异,但在高镍胁迫时锌镉超积累生态型对镍的向地上部转运率要显著高于非超积累生态型,其地上部镍的含量显著高于后者,茎中镍含量可高达753±44mgkg-1,但根部含量则相对较低。然而,无论是何种生态型东南景天,镍在根中含量最高,茎次之,叶最低。通过同步辐射μ-XRF技术分析发现在两种生态型东南景天茎叶中镍均主要分布于维管组织,表皮层次之。在处理28天后,随着镍处理浓度增加,超积累生态型东南景天茎维管束中镍含量迅速升高,且增幅较大,但茎其他部位镍含量增幅不大;非超积累生态型中亦出现类似现象,尽管维管束中镍增幅相对较低。两种生态型东南景天叶片只在高镍处理下才能在叶脉和表皮中检测到镍的信号。上述结果虽然再次证实了锌镉超积累生态型东南景天对镍胁迫具有较强的耐受性,但也说明了其地上部对镍的积累能力并不十分突出,其主要原因在于:尽管超积累生态型东南景天从根部向地上部转运镍的能力要显著高于非积累生态型,从而降低根系镍的累积来抵御长期镍胁迫的毒害作用,但镍在其地上部运输过程中大部分被区隔于木质部组织中,无法转移到茎叶其他组织细胞中,这很大程度上限制了其地上部对镍的积累能力。