摘要
锌（Zn）是动植物都需要的重要营养元素，锌在生物学中具有多种重要的生理功能，对维持人体健康发挥着至关重要的作用。锗（Ge）是一种稀有元素，适量的锗可以调节人体新陈代谢和促进植物生长发育，主要功能包括抗肿瘤作用、抗氧化、抗衰老作用、降血压和防治动脉硬化等。壶瓶碎米荠（ Cardamine hupingshanensis）是一种十字花科植物，已知其对硒元素具有超富集能力。本研究以壶瓶碎米荠为研究材料，以不加锌、锗处理营养液为空白对照，设置不同浓度硫酸锌、氧化锗加营养液为处理，进行表型形态观察（株高、根长、叶片长度、叶片宽度、叶柄长度、鲜重、干重等）、结合生理生化、光合参数测定、元素含量等指标测定以及细胞学显微观察、转录组分析，以期揭示壶瓶碎米荠对锌、锗富集与胁迫耐受机制。主要研究结果如下： （1）60 mg/L锌、4 mg/L锗处理显著抑制壶瓶碎米荠的株高、根长、叶片宽度、叶柄长度，120 mg/L锌、8 mg/L锗处理对壶瓶碎米荠生长的抑制程度更大。 （2）锌、锗高浓度胁迫后，壶瓶碎米荠的丙二醛MDA含量、叶片相对电导率都会显著性升高，与处理浓度呈显著正相关。过氧化物酶POD活性、超氧化物歧化酶SOD活性、过氧化氢酶CAT活性、叶绿素含量等指标均随着胁迫处理浓度的增大而显著降低，与处理浓度呈显著负相关。 （3）锌、锗胁迫处理后，壶瓶碎米荠的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度等均随着胁迫浓度的增大而显著性降低，呈显著负相关，但是锌、锗处理后的胞间二氧化碳浓度无明显变化。 （4）60 mg/L锌处理后，壶瓶碎米荠地上、地下部分的锌元素含量分别达到1940 mg/kg、3690 mg/kg，与对照相比分别增加了1538 mg/kg、3401 mg/kg， 120 mg/L锌处理后地上、地下部分的锌含量分别达到4540 mg/kg、4120 mg/kg，与对照相比分别增加了4138 mg/kg、3831 mg/kg；4 mg/L锗处理后地上、地下部分的锗含量分别达到23.3 mg/kg、140 mg/kg，与对照相比分别增加了23.3 mg/kg、140 mg/kg，8 mg/L锗处理后地上、地下部分的锗含量分别达到71.1 mg/kg、281mg/kg，与对照相比分别增加了71.1 mg/kg、281 mg/kg。表明壶瓶碎米荠对锗、锌元素具有一定的富集能力。 （5）不同浓度锌、锗胁迫处理后壶瓶碎米荠叶片的厚度、上表皮、下表皮、栅栏组织细胞、海绵组织细胞会产生变化。其中，锌胁迫导致碎米荠叶片厚度显著增大，下表皮厚度有所降低，栅栏组织细胞排列紊乱间隙加大，海绵组织细胞厚度增加；锗胁迫处理叶片厚度显著增加，上表皮厚度增加、下表皮厚度减少、栅栏组织细胞厚度增加，海绵组织细胞间隙明显变大。 （6）转录组分析表明：通过对锌胁迫关键基因筛选发现：含五肽重复序列蛋白基因（At1g71060）等，这些基因主要和光合过程相关，这表明锌胁迫对光合过程有重要的影响。铜离子转运蛋白基因（COPT1）、锌指结构域基因（ZnF）、钙依赖性蛋白激酶基因（CPK10）、脱落酸8′-羟化酶基因（CYP707A3）等，这些基因主要参与金属转运的调节，提示锌胁迫对金属转运产生了影响。对锗胁迫关键基因筛选发现：凝集素蛋白激酶家族蛋白基因（P2K1）等基因和光合过程相关，表明锗胁迫对光合过程具有非常重要的影响。蛋白C2结构域基因（CAR8）、跨膜含emp24结构域蛋白基因（At1g21900）等，这些基因主要参与金属转运的调节，提示锗胁迫对金属转运产生了影响。而抗坏血酸过氧化物酶基因（APX5）、脱水敏感元素结合蛋白基因（DREB2A）等，这些基因主要与光合作用、抗氧化酶系统有关，暗示锌胁迫对光合作用和抗氧化酶系统产生了影响；苹果酸脱氢酶基因（MDH2）、脱氢酶基因（NDB）等基因与光合作用、抗氧化酶系统也有关，暗示锗胁迫也对光合作用和抗氧化酶系统产生影响。GO的富集主要关联光形态发生、调控次生代谢过程、果胶分解代谢过程、氯化物运输、细胞隔膜、刺激响应等，KEGG的富集通路主要在细胞外囊泡、内质网蛋白质加工、苯丙烷类物质生物合成、氨基糖和核苷酸糖的代谢、核糖体等通路。
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