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、汞等會通過土壤積累，影響植物、動物和微生物的生存與繁衍，進而威脅到整個生態(tài)鏈。為應對這一挑戰(zhàn)，植物修復技術成為了一種綠色、可持續(xù)的解決方案。在植物修復過程中，尤其是“先鋒植物”，因具備較強的環(huán)境適應性和重金屬耐受性，被視為治理重金屬污染的關鍵物種。然而，當前對植物在重金屬脅迫下的應對機制研究主要集中于抗氧化過程和重金屬累積能力，而對于其如何在不同組織和功能間進行資源分配以維持生存和修復功能的研究相對匱乏。

中國科學院華南植物園恢復生態(tài)學團隊成員以芒屬先鋒植物五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)為研究對象，通過控制條件下的外源鎘脅迫實驗與野外尾礦庫原位調(diào)查相結合，系統(tǒng)探究了其“生長-防御”與“地上-地下”之間的資源權衡模式。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，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)芒地下部分的權衡主要受植物Cd積累的影響，而地上部分的權衡則主要受植物過氧化氫的積累驅(qū)動(圖1)。在野外尾礦區(qū)原位實地研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤重金屬風險水平的升高，五節(jié)芒的資源權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)營養(yǎng)元素以及根際微生物群落密切相關(圖2)。研究結果不僅揭示了先鋒植物在重金屬污染環(huán)境中的適應性資源配置機制，為理解植物在重金屬脅迫下的生理和生化適應機制提供了新的視角;也為篩選和優(yōu)化修復植物、提升植物修復效率提供了理論依據(jù)，對推動污染土地生態(tài)恢復具有重要意義。

該研究由中國科學院華南植物園和華南農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院恢復生態(tài)學團隊聯(lián)合開展，相關研究成果以“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)表在國際學術期刊Environmental and Experimental Botany(《環(huán)境與實驗植物學》)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基金杰出青年項目、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員等項目的支持。

圖1. 鎘脅迫下芒屬植物地上和地下組織的不同生長防御權衡模式

圖2. 重金屬風險下芒屬植物的地上地下權衡模式(A)及影響因素(B)