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在植物受重金属胁迫的研究中，为探究不同品种多年生黑麦草（Lolium perenne L.）对镉（Cd）和砷（As）的响应差异，研究人员以‘DPB’和‘WNS’为材料开展研究。结果发现二者积累、分布和解毒机制不同。该研究为植物应对重金属胁迫提供理论依据。
在大自然的舞台上，植物常常面临着各种挑战，重金属污染便是其中极具威胁的一种。镉（Cd）和砷（As）这两种毒性很强的重金属，广泛存在于土壤中。当植物吸收了它们，就如同被悄悄种下了 “定时炸弹”，不仅自身的生长发育会受到严重影响，细胞的超微结构也会遭到破坏。而且，不同植物对这两种重金属的吸收、积累和解毒方式各不相同，背后的机制复杂神秘。目前，大多数研究都聚焦于单一重金属的毒性，对于 Cd/As 共存时对植物细胞结构破坏的机制研究还非常有限。在这样的背景下，为了揭开植物应对 Cd/As 胁迫的神秘面纱，云南农业大学的研究人员展开了一项极具意义的研究。
研究人员选用了两个具有不同 Cd 积累特性的多年生黑麦草品种‘DPB’（高 Cd/As 积累品种）和‘WNS’（低 Cd/As 积累品种）作为实验材料。通过精心设计的盆栽实验，研究人员深入探究了这两个品种在 Cd 和 As 单独及联合胁迫下的生长指标、重金属含量、亚细胞分布以及转运蛋白活性等方面的变化。最终，研究人员发现，Cd 和 As 胁迫会使两种多年生黑麦草出现不同程度的质壁分离，根细胞壁增厚，叶绿体肿胀并出现大量嗜锇颗粒。而且，Cd 和 As 之间存在拮抗关系，二者在植物体内的积累主要集中在根细胞壁和可溶性组分（液泡）中。低积累品种 WNS 主要依靠将更多的 Cd 和 As 结合到细胞壁上，通过细胞壁增厚来抵抗重金属；而高积累品种 DPB 则是将 Cd 和 As 存储在液泡中，并增强转运蛋白 HMA 的活性。这项研究为不同积累特性的植物应对重金属胁迫的差异化解毒策略提供了重要的理论依据，对于深入理解植物与重金属之间的相互作用具有重要意义。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过对土壤和植物样品进行一系列处理，测定其物理化学性质、重金属含量等；二是利用透射电子显微镜（TEM）观察植物细胞的超微结构变化；三是采用试剂盒测定阳离子交换剂（CAX）、重金属 ATP 酶（HMA）、天然抗性相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）和磷酸盐转运蛋白（PHT）等转运蛋白的活性；四是运用数据分析软件进行相关数据处理和分析。
研究结果
- Cd 和 As 胁迫对两种黑麦草生长的影响：在 120mg/kg As 处理下，DPB 和 WNS 的株高分别下降了 27.18% 和 11.61%；在 3mg/kg Cd + 120mg/kg As 处理下，DPB 株高也有所下降。两种黑麦草的根长在 Cd 和 As 胁迫下均有不同程度缩短，地上和地下部分生物量显著低于未处理组，且根生物量下降幅度大于地上部分，表明多年生黑麦草根生长对重金属更敏感。
- Cd 和 As 胁迫对两种多年生黑麦草细胞超微结构的影响：在不同浓度的 Cd、As 以及二者联合处理下，两种黑麦草的叶细胞和根细胞超微结构均受到破坏。叶细胞出现质壁分离、叶绿体和线粒体肿胀等现象；根细胞表现为细胞壁增厚、液泡数量和形态改变等，其中 WNS 受损更严重。
- Cd 和 As 胁迫对 Cd 和 As 积累特性的影响：无论是 Cd 还是 As 处理，DPB 对二者的积累能力都强于 WNS。在联合胁迫下，DPB 根中 Cd 含量高于单一胁迫，而 WNS 的 Cd 和 As 含量在联合胁迫下低于单一胁迫。多年生黑麦草对 Cd 和 As 的转运因子（TF）均小于 1，对 Cd 的生物富集因子（BCF）大于 1，对 As 的 BCF 小于 1，说明其对 Cd 更易富集。
- Cd 和 As 胁迫对多年生黑麦草中 Cd 和 As 亚细胞分布及微区定位的影响：在不同处理下，Cd 和 As 在多年生黑麦草亚细胞组分中的分布不同。3mg/kg Cd 胁迫下，Cd 主要分布在可溶性组分（液泡）；120mg/kg As 处理时，As 主要分布在细胞壁；联合胁迫下，二者主要分布在细胞壁和可溶性组分（液泡）。半定量定位显示，Cd 主要分布在细胞壁和可溶性组分（液泡），As 主要集中在细胞壁和叶绿体，且 DPB 根细胞中 Cd 和 As 含量多于 WNS。
- Cd 和 As 胁迫对多年生黑麦草转运蛋白活性的影响：在 3mg/kg Cd + 120mg/kg As 处理下，DPB 和 WNS 的 CAX 活性均增加，且 DPB 和 WNS 地上部分 CAX 活性高于地下部分。DPB 地上和地下部分 HMA 活性显著增加，且根中 HMA 活性高于 WNS。DPB 和 WNS 地上部分 NRAMP 活性增加，PHT 活性在地上部分增加，地下部分下降。
- 转运蛋白对多年生黑麦草 Cd 和 As 亚细胞组分的影响：相关性分析表明，DPB 根中 HMA 和 CAX 与 Cd、As 亚细胞分布呈正相关，而 WNS 根中 HMA 与 Cd、As 亚细胞分布呈负相关。HMA 是造成两个品种 Cd 和 As 积累能力差异的主要原因。结构方程模型显示，胁迫处理下，DPB 根产生更多 HMA 促进 Cd 吸收，WNS 则相反，且胁迫促进两个品种产生更多 CAX。
研究结论和讨论
研究表明，Cd 和 As 胁迫对多年生黑麦草造成了多方面的影响。在细胞层面，引发质壁分离、细胞壁增厚、叶绿体肿胀等现象；在积累和分布方面，二者主要积累在根细胞壁和液泡中，且不同品种存在差异；在解毒机制上，低积累品种 WNS 依靠细胞壁结合重金属，高积累品种 DPB 则借助液泡区隔化和 HMA 主动运输解毒。同时，研究还发现 Cd 和 As 之间存在拮抗关系，这为进一步研究植物对重金属的响应提供了新的方向。该研究成果有助于深入理解多年生黑麦草对 Cd 和 As 的解毒机制，为植物修复重金属污染土壤以及培育抗重金属植物品种提供了重要的理论基础，对解决重金属污染问题具有重要的实践指导意义。
