砷在农作物中的累积及其耐受机制研究综述

砷污染在全世界已逐渐成为一个严峻的环境问题,砷污染地区农作物中砷的超量累积是砷流入人体最主要的途径之一,研究农作物对砷的累积特征及其耐受机制对如何减少砷在可食植物中的积累有着重要的意义。砷是植物非必需元素且对植物有很大的毒性,不同形态与价态的砷在环境中的迁移转化规律和对生物的毒性、可利用性也是不同的。农作物中的砷含量不仅与环境中砷的含量、形态有关,还与植物自身的特性有关;砷在较低浓度下会促进农作物的生长,这可能是砷处理杀死了危害植物的病菌而有利于植物的生长或是砷通过影响其他元素的吸收而间接促进植物的生长,高浓度砷则表现出对植物生长的抑制作用;植物对砷和磷、硅的吸收存在明显的竞争,增加土壤中磷、硅的供应可以有效减少农作物对砷的吸收;砷进入植物体后,植物可以通过砷还原、络合、隔离、甲基化等作用来降低砷毒性,提高植物对砷的耐受性。然而,由于农作物对砷的吸收、抗逆机制比较复杂,其对砷的具体还原机制、植物体内甲基砷的来源及其影响因素等,仍将是今后该领域的研究热点。     

无机砷在植物和微生物体内的代谢机制研究进展

砷污染是全球的热点问题之一.土壤中的无机砷在植物中的积累可通过食物链传递,从而对人体健康构成严重威胁.了解微生物和植物对无机砷的代谢机制,对认识和控制土壤中砷的风险至关重要.近年来,微生物对无机砷的代谢机制研究已经比较深入,但是仍有一些问题亟待解决,如信号传导、抗砷基因筛选等.在植物对无机砷的摄取、还原机制等方面也取得了一定进展,但是植物体内砷的转运机制、排出机制等仍有待进一步研究.论文综述了微生物、植物体内无机砷的代谢过程中,砷摄取、转运、还原和排出机制的最新进展,并对今后的研究方向进行了展望.     

土壤/沉积物中植酸对砷、磷形态转化和生物有效性影响综述

砷(As)和磷(P)为同主族化学类似物,具有相似的化学性质和化学行为。As因赋存形态多变、极强的生物蓄积性及高毒性而被广泛关注,在土壤中主要以砷酸盐(As⁵⁺)形式存在。磷是植物必需营养元素,亦是引起土壤面源污染和水体富营养化的重要因子。土壤中磷主要以有机磷形式存在,占比40%～95%。其中植酸是重要组成部分,占总磷的20%～50%,占有机磷的50%～80%。植酸分子含有6个磷酸基团和12个可解离质子,因此可通过螯合、置换、酸化等作用强烈影响土壤中砷和磷的赋存形态和生物有效性。明确土壤中植酸对砷和磷赋存形态转化与释放的影响、过程与作用机制,对有效阻控土壤和水体砷、磷污染具有重要意义。该研究总结了土壤中砷、磷和植酸的含量、来源与赋存形态,重点阐述植酸对砷、磷赋存形态转化、生物有效性变化的影响与机制,可为降低土壤和沉积物砷、磷污染提供参考。     

植物砷吸收与代谢的研究进展

砷(As)作为一种植物非必需的类金属元素广泛存在于自然界中,砷过量摄人不仅会对植物生长产生毒害作用,而且在植物的可食部位累积并通过食物链对人体健康构成威胁.生长介质中的砷酸盐(五价砷)一般是通过磷酸盐转运蛋白被植物吸收的,而亚砷酸(三价砷)和没有解离的甲基化砷则主要是通过质膜上的水通道蛋白被植物吸收的.在植物体内五价砷...     

外源磷素对药用植物三七吸收砷的微区及形态分布特征影响

三七是中国特有的珍稀药用植物,其生长环境受地域、气候、土壤等条件的限制,仅云南省文山州三七产量高、品质好。但由于矿业开采、工业生产等因素使得土壤砷的背景值超标,逐渐威胁三七的正常生长及其产品质量。因此,如何降低三七砷污染是目前迫切需要解决的问题。磷与砷具有相似的结构和理化性质,利用磷与砷在土壤中的拮抗效应,达到控制土壤砷危害的效果。本研究利用同步辐射X射线荧光方法(SRXRF)和高效液相色谱-原子荧光联用技术(HPLC-HG-AFS)相结合对参试三七植株进行分析测定,从细胞微区组织层面揭示药用植物三七在外源磷素作用下吸收As和P的相对含量分布规律和三七植株各部位的砷形态及含量特征,以及各部位的生物转运系数及富集系数的变化。结果表明:磷和砷在三七主根部的相对含量荧光分析中保持分布规律一致的特性,说明三七根部吸收磷和砷的点位相同;添加外源磷素处理可以有效降低三七各部位三价砷和五价砷的含量,最大降幅达50%,同时可以降低根部对砷的吸收富集系数;试验中仅添加五价砷元素,但在三七植株各部位均检出三价砷,说明三七体内存在着砷还原机制;其中茎部的三价砷的含量均高于五价砷,推测茎是三七体内砷还原反应的主要场所。     

植物对土壤重金属镉抗性的研究进展

各种人类活动,如采矿、制革、冶炼、污水灌溉等引起土壤和水体重金属污染,严重威胁着植物生长和人类健康。重金属镉污染是其中最常见的一种。该文描述了受重金属镉胁迫时植物的生理机制及各种抑制表现,如线粒体的裂解,细胞的生长分裂、水分的吸收、光合作用受到抑制等;同时也从微生物和细胞分子生物学方面分析了植物对重金属胁迫的应对策略,它依赖于植物本身和周围生存微环境的通力合作,主要包括降低对重金属的利用、控制重金属的吸收、螯合重金属、促进重金属的排出、区室化重金属和对重金属诱导的活性氧基团进行解毒等几条途径。另外,植物体对土壤环境中重金属镉的吸收、转运和解毒是一个精密的调控过程,参与重金属吸收和排出的转运蛋白在整个调控过程中发挥关键作用,参与了吸收、螯合、区室化和代谢利用等关键步骤。非必需重金属转运蛋白分重金属吸收蛋白和重金属排出蛋白2大类,吸收蛋白主要有AtNRAMP、ZNT和OsIRT等,能够通过某一种或几种阳离子转运载体蛋白运输至植物体内;排除蛋白主要包括P1B型ATP酶、阳离子转运促进蛋白家族(CDF)和三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABC转运蛋白)3大蛋白家族,主要将重金属转运出细胞质或者将重金属转运进入植物体内的细胞器,转运蛋白在植物耐受重金属胁迫中起着积极的防御作用。该文探讨了植物对重金属镉胁迫的各种抗性机制,可为土壤重金属镉污染的修复如微生物修复、植物修复等提供一定的理论依据和应用指导。     

植物磷转运蛋白基因的研究进展

磷作为植物细胞核酸,是脂质、ATP、ADP、糖类的重要组成部分,在细胞的代谢活动、酶的调控反应以及信号级联中起着至关重要的作用。虽然土壤中含有大量的磷元素,但是土壤的吸附作用会使磷素转化为植物无法有效吸收和利用的形式。磷转运蛋白(phosphate transporter)作为一种对磷具有亲和力的转运蛋白,能够调节植物对磷的吸收和转运,对提高植物磷利用率具有重要作用。文章结合了国内外近年来有关植物磷转运蛋白的研究结果,从PHT基因家族及成员、PHT基因表达的定位、PHT基因的分子调控机制以及PHT基因在植物中的生物学功能等方面比较全面系统地综述了PHT基因的最新研究状况,并对此进行了展望。尽管在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中人们已经对PHT基因有了一定的认识,但仍只处于初步阶段,还有部分的家族成员如PHT3和PHT4的分子调控机制仍有待进一步探究,以确定它们的生理功能并评价它们作为生物技术工具的潜力。目前研究较多的PHT1家族仍需要补充更多研究。在研究过程中也出现了一些值得深入探究的问题,如PHT基因的功能冗余现象以及PHT基因与AM共生分子调节机制等。同时,PHT基因对其他磷响应基因也有一定影响,其中的关系也值得探究,从而全面提高植物中磷吸收和转运的效率,以期为正在开展或即将开展相关研究的科研工作者提供有益的参考。     

丛枝菌根对土壤-植物系统中重金属迁移转化的影响

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一类在自然和农业生态系统中广泛存在并能与多数陆生植物形成共生关系的土壤真菌,在重金属污染土壤中对宿主植物的生长及吸收累积重金属具有重要影响,因而对污染土壤的生物修复具有潜在应用价值。以重金属从根际土壤进入植物并在植物体内再分配过程为主线,介绍丛枝菌根在这一过程中对重金属环境行为,特别是根际土壤中重金属赋存形态及植物吸收重金属的影响。最后,对丛枝菌根影响植物重金属耐性机制研究前沿和菌根修复技术的应用前景进行展望。     

氮肥管理对植物镉吸收的影响

农业土壤镉(Cd)污染是中国面临的一个严峻的环境问题。由于Cd是一种有毒有害的重金属元素并且非常容易被植物吸收利用,因此使得土壤生态环境和作物安全生产面临很大的挑战。氮(N)是植物生长必需的大量营养元素,在农业生产中氮肥施加是一项重要的农艺措施。文章综述了氮肥管理对Cd污染土壤中植物Cd吸收的影响,并从氮肥对土壤中Cd有效态影响、对植物抗氧化系统影响和分子机制3个方面阐述氮肥影响植物Cd吸收的机理。当前研究结果表明:氮肥管理影响了植物Cd吸收,不同形态氮肥对不同植物及不同土壤条件下的植物Cd吸收的影响差异明显,氮肥通过对植物的生理特性和土壤理化性质产生作用进而影响植物Cd的吸收。因此,可以根据不同土壤和植物种类,合理调控氮肥施用,达到修复土壤和作物安全生产的目标。今后应注重对复杂环境变量条件下氮肥最佳调控方法的探索,进一步深入研究氮肥施用条件下植物根际微环境理化性质、植物生理特性和植物Cd含量的相互作用关系,找出氮肥影响植物Cd吸收的关键生理过程和关键控制基因,进而指导在Cd污染土壤中氮肥的精准施加。     

砷浓度、形态及碳酸氢盐对蜈蚣草吸收砷的影响

为了探讨超富集植物蜈蚣草在处理高砷地下水方面的可行性,研究了水培条件下砷的浓度、形态和碳酸氢盐(HCO-3)对超富集植物蜈蚣草吸收砷的影响。实验中使用了浓度为0.1～100mg·L-1的As(III)和As(V)溶液。HCO-3处理中,HCO-3浓度范围为0.5～20mmol·L-1,As(III)或As(V)的浓度为5mg·L-1。结果表明,在水培条件下,蜈蚣草具有明显的耐高砷特征。当介质砷含量高达100mg·L-1时,砷的去除率可达到80%,且对As(III)的吸收效率高于As(V)。植物体内砷形态研究表明,蜈蚣草体内2种形态砷的含量与外源砷形态有一定的关系,As(V)处理条件下,植物体中的As(V)比例较As(III)处理高。高浓度的HCO-3(20mmol·L-1)处理对蜈蚣草地上部分生物量没有明显影响,但是抑制了地下部分的生长,并且对砷的吸收表现出明显的抑制作用。     

砷和磷在不同污染类型土壤中的竞争吸附动力学

采用吸附实验研究了化工污染土壤(HG)、钢铁冶炼污染土壤(GT)和未受污染的农田土壤(CK)中的砷和磷吸附及竞争吸附特征,以期解释不同污染土壤此种吸附的动力学差异,为应用超富集植物修复场地污染土壤时合理施用磷肥提供理论依据。结果表明,在HG、GT和CK土壤中砷和磷的吸附特征有所差异,砷的最大吸附量分别为95.1、100、95.9 mg·kg-1,磷的最大吸附量分别为148、103、100 mg·kg-1。磷的存在能明显抑制土壤对砷的吸附,HG、GT、CK土壤在添加磷后,对砷的吸附量降低幅度分别为45.6%、57.3%、69.6%。而砷的存在对磷的吸附的影响不大,HG、GT、CK土壤在添加砷后,对磷的吸附量降低幅度分别为7.43%、6.41%、16.0%。3种土壤中铁、铝和磷的含量不同造成了砷、磷吸附和竞争吸附的差异,并且污染土壤上砷的配位体交换作用更容易受到磷的抑制。     

植物对卤代有机污染物吸收、迁移和代谢的研究进展

卤代有机污染物(Halogenated organic pollutants,HOPs)在环境中具有持久性、长距离迁移性、生物积累性和潜在的生物毒性等特点,HOPs所引起的环境问题已成为全球环境科学研究热点。植物是环境介质中各种污染物的重要存储体,也是各类污染物进入陆生食物链的重要途径。研究植物对HOPs的吸收、传输与转化特征,对明确HOPs的环境行为、生态风险评价及植物修复等都具有重要的意义。文章在总结了近年来国内外关于植物对HOPs累积研究的基础上,综述了植物对大气、土壤和水体中HOPs的吸收和传输特征、HOPs在植物体内的迁移特征和代谢转化途径,分析了影响HOPs在植物中的积累、传递、降解与转化行为的主要因素。研究表明,辛醇-空气分配系数(Octanol-air partition coefficient,KOA)和辛醇-水分配系数(Octanol-water partition coefficient,Kow)是影响植物吸收HOPs的关键因素,当化合物的log Kow值在6~8的范围内时,植物根系对HOPs的根系富集因子(Root concentration factors,RCFs)较高;植物体内的脂质含量、化合物的理化性质和环境介质的差异是影响HOPs在植物体内传输的重要因素;脱卤代原子是植物降解HOPs的主要途径,而甲氧基化和羟基化是HOPs在植物体内转化的主要模式,具有还原脱卤酶基因的土壤细菌和植物体内的硝酸还原酶(Na R)与谷胱甘肽硫转移酶(GST)能有效促进植物对HOPs的降解代谢。这些研究虽然都取得了一定的进展,但关于植物对HOPs积累迁移与代谢转化的研究仍处于起步阶段,文章就新型HOPs在植物体内积累、传输与代谢机制及采用植物修复技术降低HOPs的环境毒性等方面进行了讨论和展望。     

砷胁迫下水磷耦合对不同磷效率水稻根表铁膜及其各部位砷含量的影响

为探索缓解水稻砷毒害的农艺措施,以耐低磷水稻99011和低磷敏感水稻99012为材料,通过土培试验,研究水分、磷用量及其交互作用对不同砷浓度酸性土壤中水稻根表铁膜以及植物体内砷分配的影响。结果表明,节水灌溉(干湿交替)明显减少水稻根表铁膜量,降低铁膜、根系、秸秆、颖壳和精米中的砷含量。与30mg·kg-1P2O5相比,180mg·kg-1P2O5能明显减少两个品种水稻的根表铁膜量以及根系和秸秆中的砷含量;对耐低磷品种铁膜砷含量影响不大,但显著降低磷敏感品种铁膜砷含量;在50mg·kg-1砷处理中增加磷用量对水稻颖壳砷含量影响不大,在100mg·kg-1砷处理时能显著降低颖壳砷含量;增加磷用量可明显增加耐低磷品种的精米砷含量,降低磷敏感品种的精米砷含量。水、磷交互效应主要受水分效应的影响。加砷处理后,相同处理下耐低磷品种的根表铁膜量和铁膜中的砷含量显著高于磷敏感品种,而根系、秸秆、颖壳和精米中的砷含量则相反。研究表明,可以通过节水灌溉,并根据砷污染程度和植物磷营养特性确定适当的磷肥用量,从而减少砷在水稻体内的累积,提高食品安全。     

不同连作障碍消减措施对新疆棉花根系形态生理特征的影响

采用盆栽试验,研究添加生物炭(BF)、施用有机肥(MF)、施用硫肥(SF)和轮作(CR)4种不同连作障碍消减措施对新疆棉花盛花期根系生理生化、生长形态以及土壤养分的影响.结果显示,不同的消减措施对棉花根系和土壤特征的影响存在差异.添加生物炭显著提高了土壤p H值和62.48%的土壤速效钾含量,降低了有效磷含量,并显著提高了棉花根系活力、根系长度和平均直径(P 0.05).与对照相比,轮作增加了土壤有机质、全氮和碱解氮含量,增加程度分别为31.79%、40.28%及32.43%,降低了土壤有效磷和速效钾的含量,并显著降低了根系丙二醛含量的积累(P0.05),且根系长度、根系表面积、根长密度和比根长最大.土壤速效钾和有效磷含量在施用有机肥处理下显著增加,分别增加了53.75%和16.75%,且根系平均直径显著增加(P 0.05),这将提高根系与土壤的接触面积,有利于膜下滴灌下异质性养分的吸收.本研究区域施用硫肥对土壤养分提高以及棉花根系生理活性、根系生长的改善效果不显著(P 0.05),并且施用硫肥具有最小的根冠比(0.499),不利于棉花根系自身的生长以及水分和养分的吸收.综上所述,添加生物炭、施用有机肥和轮作可通过影响根系形态或生理特征来提高根系功能的发挥,有利于养分的高效利用,可作为该区域可持续绿色农业的有效管理措施.(图1表5参51)     

硝基芳香化合物的植物作用研究进展

硝基芳香化合物是环境中难以降解的污染物之一。因其用途广泛,大量残留于土壤,水体和大气中,造成的环境污染日趋严重。多种植物对该类污染物具有吸收、富集和代谢降解作用,利用植物对其环境污染进行治理是一种有效的方法。文章在总结国内外有关硝基芳香化合物的植物作用研究基础上,重点阐述了植物对硝基芳香化合物的吸收、转运和代谢过程,分析了吸收、代谢机理以及影响吸收的因素;硝基芳香化合物的理化特性、浓度和植物自身特性及其它外界条件都会影响植物对该类化合物的吸收,植物可以通过体内降解、体外联合代谢、根部释放酶催化的机制实现该类化合物的降解。目前,硝基芳香化合物进入植物细胞膜的机理认知不足,模拟模型缺乏有力数据验证;代谢机制中参与反应的酶、化合物等体系和反应产物环境特性仍不明确,植物修复可行性缺乏有力证据。未来将在模型预测构建、降解机理和修复工程的实际应用方面作进一步探究,以形成系统的认知,为硝基芳香化合物污染土壤和农产品的生态风险评价以及植物修复提供理论依据。     

非损伤微测技术在植物生理生态学研究中的应用进展

非损伤微测技术(NMT)作为一项原位动态检测进出活体植株各种分子/离子流动速率和三维运动方向的微电极技术,以完全无损伤方式获取生物样品的实时生理生态信息,对于研究植物体生命活动规律以及植物与环境间的互作关系具有重要的生物学意义.本文综述了NMT在植物生理生态学领域内研究中的应用进展,主要集中于植物蛋白质功能、光合/呼吸作用、营养代谢调节机制、抗逆生理,以及植物生长发育过程、与微生物互作、生态适应性等方面.在研究植物抗逆生理方面,NMT可直观解析植物体内特定离子流的平衡转运过程,促进了植物的抗性性状信号的表达,有助于科学选育抗性优良植物品系;在植物生长发育阶段,离子流的检测能够在微观尺度上研究植物吸收营养的动态过程以及植物正常生长的稳态的内在调节模式;植物的生态适应性主要体现在NMT为剖析不同个体植物的生态耐受机理提供了生物技术支撑,进而可利用超富集植物进行土壤修复与改良.目前NMT自身仍存在局限性,尚未能全方位系统性解析植物的演化进程,在植物体结构与功能方面的应用研究亟待完善.因此积极密切生物学、生态学、环境科学等学科间的综合联动,逐步完善构建动态连续性的NMT分析植物形态结构与生理功能相关信息的技术体系,加强NMT与其他分析技术的结合应用将成为今后的应用研究重点.     

富硅或富磷育秧降低水稻砷含量的效果及其分子机制

砷(As)主要通过硅和磷通道进入水稻根系,合理的硅和磷施用方式可有效调控水稻对As的吸收转运。研究通过在水稻育秧阶段进行硅或磷富集,探讨富硅或富磷秧苗移栽至As污染土壤后对糙米As含量的影响及分子机制。试验结果表明,富硅或富磷育秧在不影响生长的前提下,可使秧苗的硅或磷整株吸收量分别增至对照的19.6和2.3倍。与常规育秧相比,富硅育秧处理糙米中总砷、三价砷、五价砷以及二甲基砷含量分别降低31.1%、32.1%、58.3%、33.5%。富磷育秧对糙米总砷含量没有显著影响,但使糙米五价砷含量降低59.2%。富硅或富磷育秧可显著增加As在水稻根系中的滞留且不同程度影响As在水稻各部位之间的转移系数。根系As转运基因相对表达量的分析结果表明,与对照相比,富硅育秧对OsLsi1的相对表达量没有显著影响,使OsLsi2的相对表达量下调26%,OsABCC1的相对表达量上调203%;富磷育秧对OsPT1的相对表达量没有显著影响,使OsPT4以及OsPT8的相对表达量分别下降51%和71%,OsABCC1的相对表达量上调22%。综上,富硅或富磷育秧可通过调控水稻根系As相关转运基因的表达来影响水稻对A...     

植物重金属伤害及其抗性机理

讨论了二个问题：（1）重金属对植物伤害效应及伤害机理。其中包括重金属对植物细胞质膜透性，水分代谢、光合作用、呼吸作用、碳水化合物代谢、氮素代谢、核酸代谢、植物激素等生理生化过程，生境以及矿质营养的伤害效应，在伤害机理中讨论了植物体内原有的离子平衡系统，大分子物质活性和自由基与伤害的关系。（2）植物对重金属抗性及抗性机理。其中包括植物对重金属的抗性概念，例证，分类，抗性机理包括植物限制重金属离子吸收，重金属与体外分泌物结合，重金属的排除，根系富集，与细胞壁结合，在液泡中积累，形成类－金属硫蛋白或植物络合素，加强抗氧化系统等与植物抗性的关系，参85     

土壤-植物系统中硒的迁移转化及低硒地区食物链中硒的调节

阐述了土壤中硒的存在形态及其与植物吸收的关系,论述了植物对硒的吸收和代谢机制、硒在植株体内的存在形态及其生物学效应,讨论了低硒地区食物链中硒水平调节的方法和效果,提出了土壤-植物-食物链系统中硒素研究的前沿问题。     

广西典型高砷区蜈蚣草根围丛枝菌根真菌多样性研究

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AM真菌)在提高超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)修复砷污染土壤方面具有巨大的应用潜力,但是中国砷污染地区的AM真菌的分布和资源调查还不够全面。为探明砷污染地区AM真菌的多样性状况,采用野外调查和室内分析相结合的方法,通过形态学特征分离鉴定AM真菌种属,对广西南丹县高砷矿区及周边地区蜈蚣草根围土壤中AM真菌的多样性及群落组成进行调查研究。结果表明,不同程度砷污染土壤中生长的蜈蚣草均能被AM真菌侵染,随着砷浓度的增加物种多样性总体呈下降趋势。无污染土壤中的AM真菌侵染率和孢子密度主要受土壤磷和海拔的影响。低磷促进孢子萌发和菌丝生长,从而提高侵染率,而海拔升高会导致孢子密度降低。但随着土壤砷污染水平的增加,砷浓度逐渐成为主要影响因子,使侵染率上升,孢子密度下降。孢子密度和物种丰富的变化趋势一致。鉴定出4属10种AM真菌,其中7种属于球囊霉属(Glomus),近明囊霉属(Claroideoglomus)、管柄囊霉属(Funneliformis)和盾巨孢囊霉属(Scutellospora)各1种,球囊霉属是该调查区域的优势属。AM真菌孢子的形态直接影响其适应能力,颜色深、表面网纹间隔致密的AM真菌抗逆性更好,近明球囊霉(C.claroidem)、团集球囊霉(G.glomerulatum)和地表球囊霉(G.versiforme)等适应性较强的菌种分离频度达到了100%,相对丰度也较高。研究结果将会对砷污染地区AM真菌优良菌株的筛选及超富集植物-AM真菌联合修复重金属污染土壤提供有益的指导。