單葉新月蕨和三葉新月蕨富集稀土元素的能力及稀土結(jié)合多肽結(jié)構(gòu)的探討.pdf

1、稀土元素(rare earth element，REE)的廣泛應(yīng)用使得其在土壤、環(huán)境乃至食物鏈中不斷傳遞，所造成的潛在的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)日益引起人們的關(guān)注，尤其是稀土元素日允許攝入量與農(nóng)用安全性探討已成為最新的研究熱點(diǎn)。稀土含量過高時(shí)，不論是對植物的生長還是對動(dòng)物的骨骼、腦部、臟器和內(nèi)分泌系統(tǒng)等均具有潛在毒性。與傳統(tǒng)污染土壤的化學(xué)和物理修復(fù)技術(shù)相比，近年來出現(xiàn)的植物修復(fù)技術(shù)提供了一種經(jīng)濟(jì)且有效的土壤污染治理途徑，而且不會(huì)對環(huán)境造成二次

2、污染或破壞。利用該技術(shù)進(jìn)行土壤稀土污染治理的前提是找到對稀土元素具有特殊富集能力的植物種或基因型，即稀土元素的“超富集體”(hyperaccumulator)。但是與植物超富集重金屬元素的機(jī)理研究相比，稀土元素超富集植物的研究相對較少，大多數(shù)研究集中于稀土元素在植物體內(nèi)分異規(guī)律方面，對于稀土在植物體內(nèi)富集的分子機(jī)理的研究有待深入。 本文以稀土元素超富集植物單葉新月蕨(Pronephrium simplex)為對象，研究其在自然

3、條件下對稀土元素的超富集能力，利用脅迫培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其耐受和富集能力，考察稀土元素在超富集植物體內(nèi)的分布及賦存狀態(tài)，分離表征在超富集過程中起重要作用的稀土結(jié)合多肽，探討可能的超富集機(jī)理，為稀土污染的植物修復(fù)技術(shù)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。同時(shí)，介紹一種新發(fā)現(xiàn)的稀土元素超富集植物--三葉新月蕨(Pronephrium triphyllum)。 研究自然保護(hù)區(qū)內(nèi)單葉新月蕨體內(nèi)的稀土含量分布，結(jié)果顯示，該植物葉片內(nèi)的稀土含量高達(dá)1249.37

4、μg g-1，是其生長地母土中稀土含量的51.8倍，是母土中生物可利用態(tài)稀土含量的650.7倍，表明單葉新月蕨對稀土元素具有很強(qiáng)的富集能力，是稀土元素超富集植物；且葉片中的稀土含量分異現(xiàn)象與其生長地母土中的一致。采用凝膠色譜和反相色譜純化單葉新月蕨稀土結(jié)合多肽，通過MALDI-TOF-MS及ESI-IT-MS測得其分子量為5072 Da。 研究不同濃度的Nd脅迫培養(yǎng)下，單葉新月蕨富集Nd的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單葉新月蕨在500μg

5、 mL-1 Nd3+脅迫下仍能生存，具有很強(qiáng)的耐受性；伴隨Nd含量的增加，Ce含量降低而葉片中的結(jié)合多肽的表達(dá)增加，表明Nd可以被吸收進(jìn)入葉片細(xì)胞內(nèi)部誘導(dǎo)多肽的表達(dá)并與之結(jié)合。提取純化得到的稀土結(jié)合多肽經(jīng)ICPMS鑒定其Nd含量最高，分別是La和Ce的94.1和57.9倍，其分子量為5076Da。Nd取代了多肽中原來結(jié)合的Ce，導(dǎo)致脅迫前后的稀土結(jié)合多肽分子量相差4 Da，表明單葉新月蕨對稀土元素具有特異性富集。經(jīng)酸處理脫掉Nd后，該多

6、肽稀土含量僅為原多肽的4.2％，脫去部分的HPLC/ESI-IT-MS的譜圖，可以看出632 Da的肽片段(5076-4444=632 Da)可能是Nd在結(jié)合多肽中所處的區(qū)域。V8蛋白酶(Endoproteinase Glu-C)酶解得到的肽片段，在Mascot數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比對，解析得出片段含有-E-T-M-E-，-P-N-L-L-G-E-，-F-V-I-Y-E-和-F-V-I-A-的肽段。 另外，本文對在福建南靖樂土亞熱帶雨

7、林自然保護(hù)區(qū)發(fā)現(xiàn)的另一種蕨類植物三葉新月蕨也進(jìn)行了稀土分布及賦存狀態(tài)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該植物葉片內(nèi)稀土含量高達(dá)1026.53μg g-1，是其生長地母土稀土含量的42.6倍，是生物可利用態(tài)稀土含量的557.9倍，其富集系數(shù)為K2(從生物可利用態(tài)到根)>K5(從葉柄到葉)>K3(從根到莖)>1>K4(從莖到葉柄)>K1(從土壤到生物可利用態(tài))。稀土元素主要通過土壤到根、根到莖、葉柄到葉片這三個(gè)過程，不斷地在植物體內(nèi)得到富集，根據(jù)稀土元素超