重金属污染作为一个严重的环境问题越来越受到人们的关注。利用重金属超量积累植物对污染土壤或水体进行修复的技术,被称为植物修复。植物修复技术以其投资少、效率高、易操作且不破坏环境等优点,已成为近年来学术界研究的热点之一。本研究的主要目的是在实验室前期研究基础上,对湖南湘西州发现的潜在超量积累植物龙葵(Solarium nigrum L.)进行验证,并通过室内溶液培养,研究其对Cd的耐性或超量积累机理,为重金属污染土壤的植物修复提供理想的植物材料和可靠的证据支持。通过对湖南湘西州、长沙、湘潭、株洲、永州以及南京样区的龙葵等四种茄科植物及根际土壤样品的采集,分析了植物与土壤中五种重金属元素的含量及关系；并以龙葵为实验材料,采用室内水培的方式,研究了重金属Cd处理下龙葵对元素的吸收与累积、Cd诱导的氧化胁迫、龙葵抗氧化保护系统和酚类物质代谢响应Cd胁迫以及龙葵对Cd的耐性机制等。主要研究结果如下：2006年对湖南湘西大田湾、振兴、团结三个矿区或冶炼厂周围番茄、刺天茄、辣椒、龙葵等四种茄科植物及根际土壤进行采集和分析。结果表明,三个采样区土壤均被多种重金属复合污染,且因矿区或冶炼厂类型不同存在差别。龙葵表现出对Cd、Pb、Mn较强的积累能力,叶片最大积累量分别达到145.9、391.2和5239 mg kg-1;番茄对Cd、Pb有一定耐性,能够阻止或排斥对它们的吸收；刺天茄对Cd有较强的转移能力,叶片最高Cd含量达46.62 mg kg-1,叶片/根系Cd含量比高达6.18,同时能够在根部富集大量的Pb,最高达207.1 mg kg-1;辣椒地上部能积累一定量的Cd,最高达42.71 mg kg-1,对其它元素则未表现出潜在的超量积累特征。龙葵和刺天茄可用于重金属污染土壤的植物修复研究。鉴于龙葵对Cd的潜在超量积累能力,2007年我们对湖南长沙、株洲、湘潭、永州和南京汤山五样区龙葵及根际土壤进行了采集分析。结果表明五样区土壤Cd含量均远超过国家Ⅲ类土壤临界值(Cd≤1.0mg kg-1),长沙、株洲样区土壤重金属复合污染严重,南京样区土壤Cu含量严重超标(最高达1008 mg kg-1),湘潭、永州样区土壤Mn污染严重,最高分别达17032和22786 mg kg-1。五个样区所采龙葵样品根茎叶中Cd含量最高分别达176.9、197.4和187.2 mg kg-1,再次证明其对Cd高的积累和转移能力。对两年野外采集的龙葵及其根际土壤样品综合分析发现,龙葵叶片中Cd、Cu、Pb、Mn、Zn含量均与土壤中这五种重金属含量成极显著相关性,且叶片Cd含量与Pb、Zn含量之间也成极显著相关性。溶液培养条件下,Cd处理15天龙葵根系伸长受到抑制,含水量下降,生物量显著降低。龙葵各部位Cd的积累量均随处理浓度的升高而增加,500μM Cd处理15天根茎叶中Cd含量分别达8729、1059和472.8 mg kg-1。细胞组分分离结果表明,Cd在根系和叶片细胞器组分中所占比例最高(50%以上),说明细胞器区域化隔离可能是龙葵Cd解毒的重要手段。Cd处理还影响了龙葵对其它矿质元素的吸收、积累和转运。Cd处理抑制了龙葵对Mn、Mg的吸收,对Cu、Fe、Ca吸收的影响则表现为中低浓度促进、高浓度有所抑制；低浓度Cd对龙葵Zn含量影响不大,高浓度Cd显著降低龙葵根系、增加茎叶中Zn的积累。溶液培养结果表明,Cd处理降低了龙葵根系活力和叶片叶绿体色素含量,导致膜质过氧化水平升高、ROS和脯氨酸大量积累。石蜡切片结果发现,Cd处理能够抑制龙葵木质部和韧皮部的发育与分化,破坏细胞正常的排列和组织结构。不同浓度Cd处理15天,龙葵根系抗坏血酸总量升高了43%左右,AsA/DHA比值则由对照的5.78降低到200μM的1.63,说明抗坏血酸可能响应了龙葵抗氧化胁迫过程。Cd处理3天,龙葵根系TBARS、H2O2和02·-水平升高,主要抗氧化酶如CAT、SOD、GSH-Px等活性增加。NADPH氧化酶抑制剂(DPI)和过氧化物酶抑制剂(NaN3)实验表明,NADPH氧化酶和POD可能是Cd胁迫下龙葵ROS产生的重要途径；添加抗氧化酶抑制剂实验表明,GSH-Px、CAT、SOD等在ROS清除过程中发挥着重要作用。Cd处理下龙葵总巯基(蛋白巯基和非蛋白巯基)含量显著升高,GSH、Cys被大量消耗。PCs含量由对照的38.19(nmol SH g-1 FW)上升到200 gM Cd处理下的197.5(nmol SH g-1 FW)。PCs等非蛋白质巯基(NPT)物质含量的显著增加可能是龙葵Cd解毒的重要方式。N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC,GSH合成的重要前体)处理可以缓解Cd对龙葵的生长抑制和Cd引起的氧化胁迫。在Cd胁迫下,NAC处理降低了TBARS及ROS在龙葵根系的积累,进一步上调了Cd诱导的CAT、GSH-Px、SOD等酶活性的增加。NAC被吸收后脱去乙酰基进而合成GSH,提高了龙葵根系NPT水平(比200μM单Cd处理增加了35%左右),PCs含量也显著增加,达到260.4 nmol SH g-1 FW。凝胶层析结果表明,根系Cd主要与非蛋白小分子(NPT等)结合,NAC添加提高了洗脱液检测中蛋白峰尤其是非蛋白小分子峰的紫外吸收。通过提高PCs等对Cd的螯合能力以及抗氧化酶的防护作用,是NAC缓解龙葵Cd毒害的重要途径。研究发现,不同浓度Cd处理3天使龙葵根系和叶片中总可溶性酚、类黄酮、木质素、莽草酸等含量显著上升,莽草酸代谢和苯丙烷代谢途径中重要酶如G6PDH、 C4H、CAD、Laccase及β-GS等活性升高。液相色谱结果表明,龙葵根系没食子酸、水杨酸、香草酸、咖啡酸、对香豆酸、阿魏酸等酚酸含量在Cd处理下均有较大增加,最高值分别为对照的1.4倍、1.6倍、1.7倍、2.1倍、1.7倍和1.9倍。具有抗氧化或金属螯合作用的酚类物质含量的升高,显示酚类物质可能参与了龙葵对Cd氧化胁迫的响应,在ROS清除或Cd螯合解毒过程中发挥重要作用。