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四川农大陈其兵/江明艳教授团队在竹子修复土壤重金属污染研究领域取得重要进展！

来源：时间：2021-04-26

导读

近年来，随着城市化及工农业现代化进程的加快，土壤重金属污染问题日益严重。铅（Pb）是所有有害重金属除砷（As）外的第2大毒性污染物，在土壤中不能自然降解，易被植物吸收，从而进入食物链危害人体健康。在众多土壤重金属污染修复方法中，植物修复具有成本低、易操作、环境友好等优势，被认为是经济有效且广泛适用的修复技术，其成功的关键在于筛选出在Pb胁迫下能同时保持高生物量生产和重金属富集转运能力强的植物。

地被竹被认为是具有土壤重金属污染修复潜力的克隆植物，但其在Pb污染环境中的适应策略与解毒机制未有突破。最近，四川农业大学风景园林学院陈其兵教授和江明艳教授团队在该领域取得了重要进展。

研究意义

竹类植物在中国南方地区广泛分布，不仅生物量大、生长迅速，而且具有庞大的地下鞭根系统。作为典型的木本克隆植物，竹子具有强大的生理整合功能，分株间的物质运输具有双向性，水分、养分、光合产物和次生代谢产物等通过间隔子主要进行向顶运输，重金属则主要进行向基运输，使得母株承担更多的胁迫风险，具有更好的胁迫适应能力。竹类植物根系大量分布在土壤浅层（0—30 cm），该区域亦是土壤Pb污染的主要区域，研究表明多数竹类植物都具有较强的Pb耐受力和吸收能力，如毛竹、雷竹、菲白竹、鹅毛竹、铺地竹等。

在已有竹类植物土壤Pb污染修复研究中，普遍胁迫处理时间较短（30~90 d），主要探讨不同器官的Pb单位含量及Pb积累量，不同器官（新竹、老竹、竹鞭及地上、地下部分）生物量分配策略及其Pb积累分配特征的深入研究鲜见，在亚细胞间隔区域化、Pb化学赋存形态转换、植物细胞螯合作用等方面的Pb解毒策略亦未见报道。基于上述研究背景，该研究以6种地被竹为研究对象，比较其在土壤Pb胁迫下1个生长周期内的器官生物量分配策略及其Pb富集特征，并以铺地竹为研究对象进一步探讨其器官Pb解毒策略，以期筛选出具有土壤Pb污染修复应用潜力的竹种，并为竹类植物的Pb胁迫防御机制提供更全面的理论依据。

研究方法

盆栽试验以白纹椎谷笹、菲黄竹、菲白竹、铺地竹、美丽箬竹和狭叶倭竹6种地被竹为研究对象，设计3个Pb胁迫水平（0、300和1500 mg/kg）。土壤Pb胁迫浓度参考中国城市、矿区土壤Pb污染现状确定，采用(CH₃COOH)₂Pb·3H₂O人工制备。6种地被竹在土壤Pb胁迫下历经出笋成竹的1个生长周期后，通过比较其器官生物量分配策略、Pb富集特征，分析不同竹种的土壤Pb修复潜力。

水培实验以铺地竹为研究对象，设计4个Pb胁迫水平（0、300、600、900 mg/L）。竹苗在不透光水培桶内预培养30 d长出新根后，施入外源Pb(NO₃)₂形成不同处理浓度的Pb胁迫环境，在不同处理浓度所加入的Pb(NO₃)₂可造成的培养液中N含量的差异，用NH₄NO₃进行平衡。Pb胁迫14 d后，采用透射电镜观察铺地竹各器官的鲜样切片，并测定其各器官、各亚细胞组分（F1细胞壁组分，F2细胞器组分、F3液泡组分）的Pb含量和不同化学形态Pb含量，以及根、叶细胞螯合物质含量，探讨铺地竹不同器官的Pb解毒机制。

研究结果

对6种地被竹进行3个浓度水平（0、300、1 500 mg/kg）的土壤Pb胁迫处理，分析不同竹种的土壤Pb修复潜力，得到以下结果：

1）多数地被竹种会通过“减少新竹生物量分配”和“降低地上部分生物量分配”2种生物量分配策略以适应Pb胁迫逆境。

2）地被竹主要将Pb积累分布在地下鞭根系统及老秆中，6个竹种形成了3种不同的Pb富集策略，分别为：“鞭主导老秆协同”（菲黄竹、菲白竹、白纹椎谷笹和狭叶倭竹），“老秆主导鞭协同”（美丽箬竹）和“老秆主导新根协同”（铺地竹）。

3）在Pb300和Pb1500土壤Pb胁迫处理下，转运系数大于1的竹种有菲白竹（1.51，1.86）、铺地竹（1.38，1.02）和美丽箬竹（1.59，1.11），富集系数大于1的竹种只有铺地竹（1.86，1.06）。

进一步以铺地竹为研究对象，采用水培方式，设计4个Pb胁迫水平（0、300、600、900 mg/L），分析其不同器官的亚细胞间隔区域化作用、Pb化学赋存形态以及植物细胞螯合作用，从生理水平到细胞水平揭示出铺地竹的器官Pb解毒策略，得到以下结果：

1）鞭根系统对Pb的滞留是铺地竹缓解Pb对地上部分伤害的解毒策略之一。

2）细胞壁固持是鞭、根、秆的主导Pb解毒策略，液泡区隔化是叶的主导Pb解毒策略。

3）根、鞭、秆中的Pb主要以4种低迁移能力（低毒）的化学形态赋存（FNaCl，FHAc，FHCl和FR），叶片中的Pb主要以2种高迁移能力（高毒）的化学形态赋存（FE和FW）。

4）根系、叶片参与Pb解毒的主要细胞螯合物质不同，前者通过PCs、后者通过GSH发挥解毒作用。

可见，铺地竹具有合理的Pb耐受与解毒机制，以及较强的Pb富集能力（在300、1500 mg/kg Pb污染的20 cm浅层土壤中，一个生长季可分别回收提取238 mg/m²、535 mg/m²土壤Pb），具有Pb污染修复的应用潜力。