甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累以及在修復鎘污染土壤中的應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累中的應用，也即是將所述甘露糖加入到所述植物的生長環(huán)境中。在修復鎘污染土壤應用中，可以將將1.5mM甘露糖以澆灌的方式加入鎘污染的土壤中提高植株對鎘毒害的耐受性，增加植株體內的鎘含量。甘露糖與植株的鎘脅迫緩解和鎘含量增加有直接的關系，通過在植物的生長環(huán)境中加入甘露糖可以提高植物耐鎘及鎘積累。從而可以將甘露糖應用于修復鎘污染土壤。本發(fā)明方法簡便，成本低，可控性好，非常適于大面積推廣應用于修復鎘污染土壤中。
【專利說明】甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累以及在修復鎘污染土壤中的應用

【技術領域】
。
[0001]本發(fā)明涉及植物生理生化，特別涉及甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累以及在修復鎘污染土壤中的應用。

【背景技術】
[0002]鎘(Cd)是一種具有極強生物毒性的重金屬元素，當Cd的濃度在一定范圍內，它對植物的毒害性比其他重金屬要大得多。近年來，由于社會的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水廢氣廢渣的大規(guī)模排放、農田灌溉水源被有毒有害成分污染、劇毒農藥和有害除草劑及傳統(tǒng)化肥的大量使用，使得土壤中Cd等重金屬的濃度上升加劇。隨著人類社會發(fā)展的進一步深入，Cd的生物地球化學循環(huán)不斷加速。據(jù)測算，全世界每年由于人為因素向環(huán)境中釋放的Cd有30000 t左右，排放到環(huán)境中的Cd約有82%?94%進入土壤。土壤中過量的Cd又容易被植物吸收和富集，影響植物的正常生長和發(fā)育，不僅嚴重削弱了農作物的產量和品質，而且積累在植物體中的Cd，不僅不易排出植物體外，還可通過食物鏈的層層富集，最終進入人體，威脅著人類的健康，是人類生存的潛在隱患。1972年，聯(lián)合國糧農組織(FAO)與世界衛(wèi)生組織(WTO)聯(lián)合專家委員會在關于食品污染毒性報告中指出，Cd的食品污染物毒害性位居第三，1984年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的具有全球意義的12種危害物質中，Cd位列第一，并于1993年被正式確定為致癌物質。
[0003]擬南芥具有以下特點:植株個體較小，不占空間、生長周期短，從播種到收獲不超過8周，便于觀察、結子多，易于擴培、生活力強，生長條件簡單，可用普通的土培或皿培，無需大量人工管理。擬南芥是一種研究植物的模式生物，它的大多數(shù)基因在其它植物中都能找到，有關擬南芥的任何發(fā)現(xiàn)都能應用于其它植物研究。因此，擬南芥抗重金屬毒害的研究可以推廣到農作物，對提高糧食的產量和增加食品安全性具有重要的理論與經濟意義。
[0004]植物螯合肽(PCs)廣泛存在于植物體中，與植物抗重金屬脅迫關系密切。植物螯合肽及其復合物是一類富含半胱氨酸的低分子量化合物。現(xiàn)有研究證明，PCs由谷胱甘肽(GSH)為底物的酶促反應合成，其合成受相關基因的調控，從模式植物擬南芥的突變體中已分離到與PCs合成有關的幾個基因。植物螯合肽首先與重金屬離子結合形成低分子量(LMW)復合物，以此形態(tài)經由細胞質進入液泡后，再與一個分子的植物螯合肽結合，形成對植物組織毒性較小的高分子量(HMW)復合物，從而達到緩解重金屬對植物的危害作用。


【發(fā)明內容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種全新的提高耐鎘及鎘積累的方法，并可將該方法應用于修復鎘污染土壤中。
[0006]本發(fā)明的目的之一是保護甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累中的應用。
[0007]所述應用是指將所述甘露糖加入到所述植物的生長環(huán)境中。
[0008]本發(fā)明的另一目的是保護一種修復鎘污染土壤的方法，該方法即是將1.5mM甘露糖以澆灌的方式加入鎘污染的土壤中提高植株對鎘毒害的耐受性，增加植株體內的鎘含量。
[0009]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術，具有如下技術效果:
[0010]甘露糖與植株的鎘脅迫緩解和鎘含量增加有直接的關系，通過在植物的生長環(huán)境中加入甘露糖可以提高植物耐鎘及鎘積累。從而可以將甘露糖應用于修復鎘污染土壤。本發(fā)明方法簡便，成本低，可控性好，非常適于大面積推廣應用于修復鎘污染土壤中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為野生型和xcdl-2突變體在鎘脅迫下加入甘露糖后的表型比較(A.1/2MS ；B.1.5mM 甘露糖 +1/2MS ；C.50 μ M CdCl2+l/2MS ；D.50 μ M Cd+1.5mM 甘露糖 +1/2MS)。
[0012]圖2為野生型和xcdl-2突變體在鎘脅迫下加入甘露糖后的根長鮮重比較(A.野生型和突變體xcdl-2的根長比較；B.野生型和突變體xcdl-2的鮮重比較)。
[0013]圖3為甘露糖熒光光譜
[0014]圖4為野生型和xcdl-2突變體在鎘脅迫下加入外源甘露糖后根部的鎘含量。
[0015]圖5為野生型在鎘脅迫下加入外源甘露糖后植株內植物螯合肽的含量。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。下述方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0017]本發(fā)明方法適用于自然界中的各種植物及作物，下面僅以擬南芥植物為例對本發(fā)明技術方案做進一步解釋說明。本發(fā)明所使用的擬南芥，包括擬南芥野生型WT和xcdl-2突變體。xcdl-2突變體是XCDl基因功能缺失突變體，擬南芥XCDl基因編碼一個(1，4) - β -甘露聚糖水解酶?？梢詫⒏事毒厶撬鉃樾》肿痈事短?。本發(fā)明甘露糖為現(xiàn)有市售產品。
[0018]實施例1、在有鎘的培養(yǎng)基中加入甘露糖后植株的表型比較
[0019]將野生型和xcdl-2分別直接點種在1/2MS、1.5mM甘露糖+1/2MS、50 μ MCdCl2+l/2MS和50 μ M CdCl2+l.5mM甘露糖+1/2MS的四種培養(yǎng)基中，將1/2MS和加入1.5mM甘露糖的1/2MS培養(yǎng)基作為對照，圖1示出了四種培養(yǎng)基的表型，圖1A-B可以看出，在1/2MS和1.5mM甘露糖培養(yǎng)基中突變體xcdl-2和WT的生長發(fā)育均沒有顯著差異，說明外加甘露糖沒有影響植株的正常生長，圖1C可以看出在50μΜ CdCl2條件下，與對照組相比植株的根長短，側根較多，葉片較小，表明野生型和xcdl-2突變體都受到了鎘脅迫，而且xcdl-2突變體的生長明顯較WT弱。同時，圖1D可以看出，在鎘脅迫條件下加入外源甘露糖，野生型和突變體的生長都比鎘脅迫下要好，根長明顯增長，突變體的主根和野生型相比差不多，說明在生長環(huán)境中加入甘露糖后，鎘對野生型和xcdl-2突變體的脅迫得到了緩解。
[0020]實施例2、在有鎘的培養(yǎng)基中加入甘露糖后植株的量化數(shù)據(jù)比較
[0021]在培養(yǎng)基中豎直培養(yǎng)的擬南芥生長3周后，從培養(yǎng)皿的背面，用直尺量取，盡量選擇中間長度的，測量不同10株的根長，單位Cm。用精密電子天平來測量擬南芥組織的鮮重，測量5株，單位為g/5plants，取不同植株測量三次。
[0022]對比分析了鎘脅迫下外源甘露糖加入后突變體和野生型的根長與鮮重，圖2示出了鮮重比較結果，圖2A-B示出1/2MS培養(yǎng)基中xcdl-2和WT植株的根長與鮮重均沒有明顯的差異，在1.5mM甘露糖+1/2MS培養(yǎng)基中xcdl-2和WT植株之間的根長和鮮重也沒有顯著差異，但是鮮重略低于1/2MS培養(yǎng)基中的植株。在50 μ M的Cd脅迫條件下xcdl-2植株的根長和鮮重都低于WT植株，而且突變體xcdl-2和WT植株的根長鮮重明顯比對照組1/2MS和1.5mM甘露糖+1/2MS培養(yǎng)基中的根長鮮重較低，這種顯著差異與敏感表型吻合。而在鎘脅迫下加入外源甘露糖后的數(shù)據(jù)比較表明，無論是xcdl-2還是WT根長鮮重都顯著上升，xcdl-2比WT稍低一些。表明是外源甘露糖緩解了鎘對植株的脅迫。
[0023]實施例3、鎘與甘露糖直接結合的實驗證據(jù)
[0024]在含鎘的培養(yǎng)中加入外源甘露糖能夠增加植物對鎘的耐受，為了闡明外源甘露糖緩解植株鎘脅迫的機理，我們首先設計實驗驗證鎘與甘露糖能否直接結合。通過核磁共振113Cd譜表明，在50 μ M CdCl2D2O溶液中加入1.5mM甘露糖后核磁共振113Cd譜峰的形態(tài)發(fā)生了改變，表明甘露糖和鎘可能存在直接的相互作用，為了進一步驗證甘露糖與鎘的相互作用，我們補充了甘露糖核磁共振氫譜及熒光光譜(圖3)，結果表明甘露糖與鎘可能存在極弱的相互作用，甘露糖與鎘不能形成穩(wěn)定和螯合物。綜上，可以排除甘露糖與鎘在培養(yǎng)基中直接結合，說明鎘是被根部吸收到植物體內發(fā)揮作用。
[0025]實施例4、在有鎘的培養(yǎng)基中加入甘露糖后植株體內鎘含量比較
[0026]將MS培養(yǎng)基垂直生長3周的擬南芥野生型和突變體幼苗，整株移到含100 μ MCdCl2和100 μ M CdCl2+l.5mM甘露糖的液體MS培養(yǎng)基中，短期浸泡約48h，用預冷的蒸餾水清洗多次，再用1.5mM CaCl2溶液清洗兩遍，最后用0.25mM CaCl2 (含0.25mM檸檬酸)溶液清洗去除根部的非原生質體Cd。仔細分開根系和地上部，并分別稱取鮮重，用硝化法測量植株根部和地上部分鎘含量。
[0027]對植株體內的鎘含量進行了分析，圖3可以看出，與在鎘脅迫條件下相比，在鎘加甘露糖條件下，突變體xcdl-2和野生型植株的鎘含量有明顯的提高，但無論是在鎘脅迫條件下還是在鎘加甘露糖條件下，突變體xcdl-2比野生型植株的鎘含量略低。敲除突變體xcdl-2中XCDl基因缺失，使其植株中甘露糖減少，因此在鎘脅迫下和加入甘露糖后都比野生型生長差一些。表明甘露糖與植株的鎘脅迫緩解和鎘含量增加有直接的關系。
[0028]實施例5、在有鎘的培養(yǎng)基中加入甘露糖后植株體內植物螯合肽含量比較
[0029]將野生型直接點種在1/2MS、1.5mM 甘露糖+l/2MS、50yM CdCl2+l/2MS 和 50 μ MCdCl2+l.5mM甘露糖+1/2MS的四種培養(yǎng)基中，垂直生長3周，采用谷胱甘肽還原酶循環(huán)法分別測定四種培養(yǎng)基中非巰基蛋白和總谷胱甘肽的含量，植物螯合肽的含量等于非巰基蛋白的含量減去總谷胱甘肽的含量，在1/2MS、1.5mM甘露糖+1/2MS兩種培養(yǎng)中生長幼苗中PCs沒有被檢測到，由圖4可知，在有鎘的培養(yǎng)基中加入甘露糖后，PCs的含量顯著上升，PCs螯合重金屬鎘形成復合體，并隔離到液泡內，從而增加植物對鎘的耐受。
【權利要求】
1.甘露糖在提高植物耐鎘及鎘積累中的應用。
2.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征是，將所述甘露糖加入到所述植物的生長環(huán)境中。
3.一種修復鎘污染土壤的方法，其特征是，將1.5mM甘露糖以澆灌的方式加入鎘污染的土壤中提高植株對鎘毒害的耐受性，增加植株體內的鎘含量。
【文檔編號】A01B79/02GK104249075SQ201410348568
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權日:2014年7月21日
【發(fā)明者】曹樹青, 陳健, 陽立波, 柏曉婭, 顧菊, 管靈霞 申請人:合肥工業(yè)大學