铅（Pb~(2+)）胁迫下荇菜和菹草无菌苗的生理生化特性与容忍机制

【摘要】在常见污染物中,铅是对植物产生毒性和频繁遭受的毒害金属之一。目前,铅由于污染频率高,毒性强,以及具有导致人体疾病的潜质,已被有毒物质与疾病登记联合机构报告为第二大最有害物质,仅次于砷(ATSDR2003).因此,很有必要全面地理解铅对植物的毒害效应和植物对于铅胁迫的耐性机理。在本文中,以荇菜和菹草的无菌苗作为实验材料,旨在研究铅污染对各项生理生化参数的影响,从而进一步探索植物体在铅胁迫下所采取的适应策略。结果如下：(1)以期探究铅的毒理效应,本文研究了不同浓度的铅离子(Pb)对荇菜无菌苗叶片内铅的积累、营养元素、丙二醛(MDA)含量、超氧阴离子(O2·-)的产生、过氧化氢(H202)含量、抗氧化酶活性、可溶性蛋白和光合色素以及叶绿体超微结构的影响。结果表明：叶片内在铅的积累以浓度依赖的方式增加。营养元素(Ca,K,Fe,Mn和Mo)的平衡也出现紊乱。丙二醛含量和超氧阴离子产生速率逐步增加,H202含量在低铅浓度12.5μM时大量增加后,却出现了下降的趋势。过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性交替增加,而超氧化物歧化酶(SOD)活性逐渐下降。同时,研究表明铅的浓度与可溶性蛋白质和光合色素之间呈显著的负相关。此外,铅处理还导致了叶绿体结构出现明显的氧化损伤。总之,研究结果支持了荇菜在铅胁迫下产生氧化应激这一假设。此外,营养元素的紊乱和叶绿体超微结构的破坏也充分表明细胞功能出现了紊乱。(2)为了研究潜在的抗氧化防御机制,不同浓度的铅对荇菜无菌苗多胺(PAs)、各种硫醇、维生素C和E以及脯氨酸含量的影响在5天毒害后进行了分析。总体腐胺(Put)、亚精胺(Spd)和精胺(Spm)的水平显著下降,而(Spd+Spm)/Put的比值随铅浓度的加大呈先增加后降低的趋势。游离态(Free)、高氯酸可溶共轭(PS-conjugated)和高氯酸不溶性结合(PIS-bound)多胺的变化趋势与总体多胺趋势一致。另外,在高浓度铅诱导下,还原型谷胱甘肽(GSH)、非蛋白巯基(NP-SH)、植物络合素(PCs)和维生素C的含量上升。维生素E则没有任何显著的变化,不受铅的影响。脯氨酸含量随着铅浓度的升高起初下降,之后出现了上升。下降的Put和上升的GSF、NP-SH、PCs,维生素C和脯氨酸含量与抗氧化效率密切关联,它们对于荇菜在铅胁迫下的适应机制中发挥着至关重要的作用。(3)为了研究菹草无菌苗在铅胁迫下抗氧化系统的干预机制,不同浓度的铅对O2·-、H2O2、光合色素、MDA、可溶性蛋白、抗氧化酶、各种硫醇、维生素C和E以及总抗氧化能力(T-AOC)的影响进行了分析。铅离子对菹草产生了氧化应激和毒性作用,包括O2·-和H2O2过量生成、光合色素的减少、MDA和可溶性蛋白含量略有增加。随着溶液中铅浓度的加大,CAT活性逐渐增加,而POD活性逐渐下降。NP-SH和PCs则在低浓度铅下诱导增加,之后却在较高浓度下降低,而GSH含量略有升高。维生素C的合成随着铅的浓度增加显著地提高。然而,SOD活性和维生素E变化不明显。因此,T-AOC在适度的铅溶液(25和50μM)下经过短暂的上升之后迅速下降。研究结果表明,菹草无菌苗体内的抗氧化剂干预(CAT、GSH、NP-SH、PCs和维生素C)能赋予植物减弱铅诱导的氧化应激。(4)为了研究潜在的耐受机制,本文研究了菹草的无菌苗在不同浓度铅离子下亚细胞水平的铅积累和矿质元素、多胺(PAs)和脯氨酸代谢的影响。铅的积累呈明显的浓度依赖性。亚细胞分布表明,大多数的Pb被存储在细胞壁,以细胞壁>可溶性部分>细胞器的降序排列。营养元素分析表明,总的P,Mg,Na和Zn的水平上升和总Fe水平下降,总Ca呈先增加后下降的趋势。此外,营养元素吸收的加强主要是由于细胞壁组分中的元素增加,而在可溶性组分和细胞器的元素则呈下降趋势。铅胁迫还导致总体的Put大幅度下降,而总体的Spd、Spm和(Spd+Spm)/Put的比值逐渐上升,但随后出现下降。铅对游离态、束缚态和结合态的多胺含量的变化与总体多胺的趋势保持一致,除了束缚态Spm显著增加。精氨酸脱羧酶(ADC)和鸟氨酸脱羧酶(ODC)活性略微升高,二胺氧化酶(DAO)活性则升高后快速下降；另外,由于铅离子对r-谷氨酰激酶(GK)活性的调控,脯氨酸含量先上升后下降。与此同时,鸟氨酸-d-氨基转移酶(OAT)的活性逐渐降低,而脯氨酸脱氢酶(PDH)活性变化不明显。因此,菹草对铅胁迫的耐受性机制基于细胞壁的区域化以及其组分矿质元素的促进、多胺含量的调整以及脯氨酸的诱导。总而言之,本文从铅的积累、铅的毒害效应和铅的耐受机制三个角度进行研究,涉及的实验内容包括总体Pb的富集、Pb的亚细胞分布、Pb在叶绿体上的定位、活性氧、叶绿素分解和叶绿体结构的破坏、质膜的过氧化程度和可溶性蛋白的分解、矿质元素的紊乱、细胞壁的区域化作用、抗氧化酶、巯基、维生素、离子的竞争、脯氨酸和多胺含量的变化,一方面筛选了水体重金属铅污染条件下灵敏的监测性指标,另一方面探讨了植物本身内在抗氧化物质的抵抗机理,为全面理解植物对铅的响应、铅的耐性机制和水体环境修复的应用提供了有价值的理论基础。
【作者】乔绪强；
【导师】施国新；
【作者基本信息】南京师范大学，植物学，2014，博士
【关键词】Pb2+；无菌苗；荇菜和菹草；生理生化响应；容忍机制；

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