茶樹吸收累積四種重金屬離子的耐抗特性及超微定位表征

茶樹吸收累積四種重金屬離子的耐抗特性及超微定位表征茶葉質(zhì)量安全是當(dāng)前茶學(xué)研究的熱點課題,而茶葉重金屬離子含量過高或“超標(biāo)”成為影響質(zhì)量安全的重要危害因素之一。在茶葉重金屬污染已有相關(guān)研究中,多數(shù)從應(yīng)用技術(shù)層面查找其成因、分析其來源、調(diào)查茶園環(huán)境背景值；部分從應(yīng)用基礎(chǔ)層面進(jìn)行了茶樹的吸收累積狀況、茶葉含量水平及其影響因素等研究；本論文從理論層面將樹體累積量和分布率的狀況與樹體相關(guān)生理特征開展關(guān)聯(lián)研究,系統(tǒng)研究了茶樹吸收鉛、銅、鉻和鎘等四種重金屬離子在樹體器官中累積、分配與分布的規(guī)律特性,評價茶樹的耐受、抵抗特性,并從亞細(xì)胞水平開展超微定位表征,深入探討茶樹逆境生理與解毒生化機制。本課題研究工作直接涉及茶葉質(zhì)量安全,并為“源頭消除”和“全程管控”等技術(shù)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)理論依據(jù),屬于相關(guān)研究領(lǐng)域中的重要應(yīng)用基礎(chǔ)課題。本研究首先使用原子吸收光度法系統(tǒng)檢測茶樹體器官、組織中重金屬離子的累積含量和分布率；在此基礎(chǔ)上,采用水培茶樹系統(tǒng)試驗,研究重金屬離子的耐受、抵抗特性；進(jìn)一步運用密度梯度離心、冷凍超薄切片、透射電鏡-X射線能譜(TEM-EDS)和掃描電鏡-X射線能譜(SEM-EDS)等先進(jìn)手段,研究鉛在茶樹組織、細(xì)胞及亞細(xì)胞中的超微定位與表征；探索運用基因表達(dá)譜差異技術(shù)(DDRT-PCR),探討茶樹耐重金屬抗性機制及其逆境防御的分子機制。主要取得以下研究成果：1.研究表明,田間栽培茶樹新梢中鉛、銅有向生長旺盛的幼嫩新梢中累積趨勢；而鉻、鎘有向生長穩(wěn)定的成熟新梢中累積的趨勢。茶樹幼嫩新梢(1芽2、3葉)中4種重金屬離子累積量分別為2.72±0.42mg/kg(rPb=0.97**)、12.04±0.58mg/kg(rCu=0.84**)、0.23±0.01mg/kg(rCr=0.97**)和0.29±0.02mg/kg(rCd=0.97**);隨著茶葉生長期、采摘嫩度、季節(jié)和品種不同,茶樹重金屬離子累積量會隨之明顯變化或顯著差異,這將為控制茶葉重金屬殘留提供有效技術(shù)路徑。2.不同茶樹器官對土壤中不同重金屬離子的累積能力具有顯著差異性,樹體器官的累積量變幅分別為：3.93～16.45%(Pb)、5.23～13.09%(Cu)、0.37～25.17%(Cr)和1.58～33.01%(Cd)；樹體中的重金屬離子能在各器官之間發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)移、再分配,這是由各器官累積量的相關(guān)性所反映的,具體關(guān)系是：葉片與全株(rPb=0.71**、rCu=0.93**、rCr=0.61*)、與側(cè)根(rCu=0.79**、rCr=0.79**)、與主根(rCr=-0.66*)的累積量顯著正相關(guān),主根與側(cè)根(rcu=0.61*)銅累積量間顯著正相關(guān)。樹體各器官對土壤重金屬離子的富集系數(shù)順序為根>葉>莖,變幅為0.13～1.42(Pb)、0.18～3.07(Cu)、0.08～1.59(Cr)和0.32～3.59(Cd)。研究認(rèn)為,茶樹重金屬累積量以蓄積能力較強的吸收根最高,其次是以貯存為主的側(cè)根、老葉、成熟葉等較高,以轉(zhuǎn)運功能為主的主干及骨干枝的重金屬累積量相對較低。3.茶樹主要從土壤中吸收重金屬離子,各器官累積量與土壤中全(有效)量之間相關(guān)性為：生產(chǎn)枝銅累積量與土壤有效銅含量(r-O.78**)、側(cè)根銅累積量與土壤有效態(tài)銅含量(r=0.69**),鎘累積量與土壤有效態(tài)鎘含量全株(r=O.67**)、葉片(r=O.62**)、生產(chǎn)枝(r=0.57**)。研究認(rèn)為,茶樹主要吸收利用土壤中有效態(tài)重金屬,土壤酸堿度降低利于鉛、銅和鉻離子的釋放及活度提高,相反會使鎘離子的鈍化及活度降低。4.水培茶樹樹體各吸收鉛、銅、鉻和鎘累積與分布存在各自特性,不同器官累積量隨濃度而變化的四種典型相關(guān)模型：Hill模型、線性模型、Gaussian模型和Boltzmann模型；水培茶樹根系吸收94.31%(Pb)、74.21%(Cu)、70.11%(Cr)和85.89%(Cd),主要累積在根部,葉片分布率約為0.57%(Pb)、24.20%(Cu)、1.03%(Cr)和3.01%(Cd)；而水培茶樹葉片吸收時其在葉片中的分布率27.27%(Pb)、31.98%(Cu)、82.98%(Cr)、41.31%(Cd),根部分布率21.59%(Pb)、17.22%(Cu)、2.36%(Cr)、13.54%(Cd)。表明茶樹器官中重金屬離子累積主要分布于吸收器官內(nèi),只有部分向其它樹體器官轉(zhuǎn)移、分配與分布。5.水培茶樹吸收累積鉛、銅、鉻、鎘,35d樹體表觀未受害臨界濃度值差異很大,分別為：Pb2+400mg/L、Cu2+200mg/L、Cr3+20mg/L、Cd2+2mg/L,這是由培養(yǎng)濃度和時間共同決定的相對值。且該濃度條件下,葉片SOD、POD和CAT活性上升,表明茶樹抗氧化酶活性被誘導(dǎo)增強,對重金屬表現(xiàn)出一定適應(yīng)、耐抗性；當(dāng)Pb2+≥800mg/L、Cu2+≥400mg/L、Cr3+≥30mg/L、Cd2+≥3mg/L,水培35d,樹體表現(xiàn)出不同程度的受害癥狀,葉片的POD和CAT酶相對活性下降,MDA含量和CMP升高；受重金屬離子危害葉片細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度改變,可能對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能造成部分損傷,表現(xiàn)為葉片的光合作用受到一定抑制,導(dǎo)致葉片凈光合速率下降58.01%(Pb)、32.92%(Cu)、54.09%%(Cr)、58.72%(Cd)。6.研究表明,各亞細(xì)胞組分鉛累積分布差異性與其結(jié)構(gòu)功能及組成成分有關(guān)。根、莖和葉的亞細(xì)胞組分中分布率高低為：細(xì)胞壁及殘渣(70.43%)>可溶物及細(xì)胞膜(17.93%)≈細(xì)胞器(14.26%)>細(xì)胞核(1.37%)。研究表明,細(xì)胞壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)和成分組成有較強濾阻沉積作用,其中累積分布最多；而細(xì)胞核為生命信息載體核糖核酸存在的主要部位,受到保護(hù),其中累積分布最少。7.研究認(rèn)為,茶樹組織累積鉛受其組織結(jié)構(gòu)功能影響而產(chǎn)生區(qū)鎘化分布。結(jié)果表明：根中鉛累積量為木質(zhì)部(15.78%)>表皮(12.44%)>皮層(3.51%)；葉中為韌皮部(25.82%)>形成層(18.08%)>上下表皮(16.59%)>木質(zhì)部(12.76%)>柵欄組織(11.21%)>海綿組織(5.43%)。8.研究認(rèn)為,SEM-EDS和TEM-EDS能夠有效對亞細(xì)胞內(nèi)鉛分布精準(zhǔn)定位表征,本研究構(gòu)建了茶樹亞細(xì)胞內(nèi)重金屬元素的超微表征,研究等級具有方法創(chuàng)新性。定位結(jié)果表明,茶樹吸收根中鉛主要分布于細(xì)胞壁、質(zhì)膜和液泡膜；莖中鉛主要分布于細(xì)胞壁、葉綠體、質(zhì)膜、液泡膜上；但累積量明顯降低；葉中鉛主要分布在質(zhì)膜和細(xì)胞質(zhì)中,而細(xì)胞壁及其他部位則基本沒有觀察到鉛的顆粒,含量很少。9.對鉛水培茶樹葉片中蛋白質(zhì)總量與游離氨基酸組分比較,推測認(rèn)為游離氨基酸組分的含量增減各異與氮代謝改變有關(guān)。低濃度的鉛可以促進(jìn)茶樹體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的合成以增強耐受力；超過一定濃度時會