尾礦庫所帶來的重金屬污染問題是全球生態(tài)環(huán)境治理的一大挑戰(zhàn)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的健康造成了多重危害。重金屬如鎘、鉛、汞等會(huì)通過土壤積累，影響植物、動(dòng)物和微生物的生存與繁衍，進(jìn)而威脅到整個(gè)生態(tài)鏈。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，植物修復(fù)技術(shù)成為了一種綠色、可持續(xù)的解決方案。在植物修復(fù)過程中，尤其是“先鋒植物”，因具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和重金屬耐受性，被視為治理重金屬污染的關(guān)鍵物種。然而，當(dāng)前對(duì)植物在重金屬脅迫下的應(yīng)對(duì)機(jī)制研究主要集中于抗氧化過程和重金屬累積能力，而對(duì)于其如何在不同組織和功能間進(jìn)行資源分配以維持生存和修復(fù)功能的研究相對(duì)匱乏。

中國(guó)科學(xué)院華南植物園恢復(fù)生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)成員以芒屬先鋒植物五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)為研究對(duì)象，通過控制條件下的外源鎘脅迫實(shí)驗(yàn)與野外尾礦庫原位調(diào)查相結(jié)合，系統(tǒng)探究了其“生長(zhǎng)-防御”與“地上-地下”之間的資源權(quán)衡模式。研究發(fā)現(xiàn)，在外源鎘脅迫下，地上和地下部分的資源權(quán)衡模式表現(xiàn)不同;尤其在高濃度外源鎘脅迫下，地上組織偏向生長(zhǎng)，而地下部分則轉(zhuǎn)向防御，顯示出組織間資源分配策略的重塑;此外，五節(jié)芒地下部分的權(quán)衡主要受植物Cd積累的影響，而地上部分的權(quán)衡則主要受植物過氧化氫的積累驅(qū)動(dòng)(圖1)。在野外尾礦區(qū)原位實(shí)地研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)水平的升高，五節(jié)芒的資源權(quán)衡模式由地下向地上轉(zhuǎn)移，且這一過程與土壤元素組成、植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素以及根際微生物群落密切相關(guān)(圖2)。研究結(jié)果不僅揭示了先鋒植物在重金屬污染環(huán)境中的適應(yīng)性資源配置機(jī)制，為理解植物在重金屬脅迫下的生理和生化適應(yīng)機(jī)制提供了新的視角;也為篩選和優(yōu)化修復(fù)植物、提升植物修復(fù)效率提供了理論依據(jù)，對(duì)推動(dòng)污染土地生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

該研究由中國(guó)科學(xué)院華南植物園和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院恢復(fù)生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展，相關(guān)研究成果以“Different shifts in growth-defense tradeoff for above- and belowground of Miscanthus floridulusenhance tolerance to cadmium”和“Defense strategy of a pioneer plant (Miscanthus floridulus) under multi-heavy metal risks: Above- and below-ground tradeoff”為題，分別發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Environmental and Experimental Botany(《環(huán)境與實(shí)驗(yàn)植物學(xué)》)和Plant and Soil(《植物與土壤》)上。華南植物園博士后焦瑞芳為論文的第一作者，劉慧研究員和吳博涵博士為論文的通訊作者。上述研究得到廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員等項(xiàng)目的支持。

圖1. 鎘脅迫下芒屬植物地上和地下組織的不同生長(zhǎng)防御權(quán)衡模式

圖2. 重金屬風(fēng)險(xiǎn)下芒屬植物的地上地下權(quán)衡模式(A)及影響因素(B)