抗生素在农业土壤、水体等环境介质中普遍被检出,直接影响到农产品安全,对环境和人体健康造成严重威胁。筛选对污染物低累积作物品种是在土壤普遍污染情况下确保农产品质量安全的重要策略。本文以人畜广泛使用且在环境介质中检出率和含量均较高的喹诺酮类环丙沙星(Ciprofloxacin,CIP)为目标化合物,以课题组前期筛选获的对CIP具有高累积菜心品种(Brassica parachinensis L.)四九菜心(SiJiu)和低累积菜心品种粗苔菜心(CuTai)为研究对象,通过研究两种菜心根系对CIP吸收动力学、吸收过程、亚细胞分布特征差异及两种菜心根系形态学、解剖学、细胞电生理学、根际微生态差异,揭示不同基因型菜心高、低累积CIP性状形成的生理学差异机制。本论文的主要研究结果如下:(1)高、低累积菜心根系对CIP吸收过程及吸收动力学差异采用裸根实验、分根实验和避光实验,考察了两种菜心根系对CIP的吸收过程。结果表明,两种菜心根系吸收CIP过程同时存在主动吸收和被动吸收,其中四九菜心和粗苔菜心根系对CIP主动吸收能力分别是被动吸收的2.39倍和1.71倍,说明两种菜心均以主动吸收为主,且四九菜心根系对CIP主动吸收过程是粗苔菜心的1.6倍,这可能是导致高累积形状形成的关键过程。两种菜心根系吸附和韧皮部作用相对于根系吸收作用非常小,但蒸腾作用显著促进两种菜心根系吸收CIP,是导致高累积吸收过程的重要因素。而且,四九菜心根系对CIP的吸收速率和根系细胞膜对CIP的亲和力即搬运能力均大于粗苔菜心,从而导致其根系更好地吸收和转运CIP,形成高累积特性。(2)高、低累积两种菜心根系形态学和解剖学差异通过根系扫描、番红固绿染色和透射电镜观察等技术,对两种菜心根系形态、根系组织结构和根系细胞超微结构进行观察。结果表明,不同浓度CIP均抑制了两种菜心根系生长和根系形态指标。两品种菜心相比,四九菜心的根表面积和根体积显著大于粗苔菜心,而根直径显著低于粗苔菜心,四九菜心根系输导组织中导管数变多,导管变粗等,有利于四九菜心对CIP的吸收和转运;而且CIP对四九菜心根尖细胞损伤较小,即使是在高浓度CIP胁迫下,其细胞结构仍然保持完整性且线粒体功能正常,从而保证高累积菜心品种长期、持续吸收与累积CIP。与四九菜心相比,CIP显著减少粗苔菜心根系木质部面积,使得CIP由根向地上部迁移作用减弱,而且CIP对粗苔菜心根尖细胞线粒体、细胞质的损伤较大,其中线粒体功能损伤会导致粗苔菜心根系主动吸收CIP供能不足。低累积菜心(粗苔)通过改变自身相关的组织结构和生理机制,以减少根系对CIP的吸收和转运以免遭毒害,属于“避性”抗污染胁迫机制。(3)高、低累积两种菜心根系CIP亚细胞分布及影响机制采用差速离心法对高、低累积菜心品种根系亚细胞中CIP的含量进行研究,发现CIP主要存储在根系的细胞器和细胞壁中,其次是细胞的可溶部分。在低和高浓度CIP处理下,粗苔菜心根细胞壁中CIP的分配比例(分别为40.6%和31.8%)均高于四九菜心(分别为36.5%和19.5%),即粗苔菜心根部细胞壁对CIP的滞留更加明显,减少了CIP向细胞内部转运和地上部累积。高污染水平下,细胞壁中CIP的分配比例均有所下降,而细胞器和细胞可溶部分CIP分配比例上升,且四九菜心细胞可溶部分中CIP分配比例低于粗苔菜心,说明液泡区室化对高累积品种根尖细胞中CIP的解毒起着重要作用。同时,两种浓度(1和10 mg/L)CIP处理下,四九菜心对CIP代谢率(分别为17.3%和22.0%)显著高于粗苔菜心(分别为3.70%和2.07%)。因此,高累积菜心(四九)根系具有较高代谢率和解毒能力,植株体内能够耐受较高浓度的CIP累积,属于“耐性”抗污染胁迫机制。通过油红染色实验研究发现,两种菜心根系组织中脂肪分布特征与亚细胞中CIP分布特征非常相似,说明菜心根系脂肪会影响亚细胞中CIP分布。通过共聚焦荧光显微镜对菜心根系吸收CIP过程进行观察,不仅直观地验证了两种菜心根系吸收CIP方式存在主动和被动两种方式,且通过荧光强度证实了四九菜心细胞壁和细胞质中CIP赋存量明显高于粗苔菜心。(4)高、低累积两种菜心根尖细胞电生理差异研究利用单电极微电极和非损伤微测技术,研究了CIP胁迫下两种菜心根系细胞电生理学差异。结果表明,在CIP胁迫下,两种菜心根尖细胞膜主要发生了去极化现象,且四九菜心根尖细胞膜电位的去极化水平大于粗苔菜心,根尖细胞膜电位的去极化大小决定了跨膜运动驱动力大小,说明CIP在四九菜心根系细胞膜中跨膜运动驱动力更大。通过对两种菜心根尖细胞H+进行监测,CIP处理下,均会导致两种菜心根尖细胞H+内流增加,其中粗苔根尖细胞H+内流依赖于CIP浓度,而四九仅在高浓度CIP处理下H+内流才会增加,初步推断CIP是以H+共转运的方式进入粗苔根尖细胞,H+内流增加是导致低累积菜心根系细胞损伤的直接原因。因此,细胞膜电势差可能是CIP在四九菜心跨膜运动的主要驱动力,而细胞膜两侧H+浓度可能是粗苔菜心的主要驱动力。(5)高、低累积两种菜心根际微生态差异研究通过根箱实验,研究了根际毫米级微域中环境因子、微生物和CIP消减行为之间的作用关系。研究表明,四九菜心土壤中CIP降解率高于粗苔菜心土壤,且在两种菜心土壤近根区尤其是2-4 mm处CIP的降解率最高。通过16S rDNA高通量测序,发现高累积品种菜心土壤中微生物丰富度和多样性均大于低累积品种,尤其是近根区和根区土壤中二者差异更显著,且含CIP特异降解菌功能的变形菌门明显高于粗苔,这可能是造成四九根际去除CIP能力更强和体内吸收累积CIP更多的重要原因之一。相关性分析显示,低浓度CIP处理下,土壤中微生物多样性促进了土壤中CIP消减,而高浓度下,土壤中微生物多样性受到抑制,从而降低了两种菜心近根区和远根区土壤中CIP消减。同时,两种菜心根际微域土壤中水溶性有机碳(DOM)含量与微生物多样性相关性不同,是导致两种菜心根际微域中CIP消减的主要原因之一。