玉米幼苗缺铁胁迫下一氧化氮的保护作用

论文摘要

植物缺铁减产减质是碱性土壤中的一个严重问题，涉及粮食安全和人类健康。前人的研究主要集中在缺铁造成的植物生理生化的影响的研究，但是研究不够深入透彻，尤其是植物的缺铁损伤机理研究报道不多。植物中一氧化氮（NO）研究是目前热点，但NO在植物缺铁失绿症矫治方面的研究并不多，相关机理研究不是特别深入。本实验以溶液培养单因子控制方法研究了单子叶植物玉米在缺铁培养条件下结构、生理、生化的变化以及NO对缺铁植物的保护作用，发现了缺铁胁迫对植物损伤的生理生化及分子机理，以及NO在植物缺铁胁迫下对植物的保护机制，对于植物的缺铁研究和NO在植物中的保护机制研究都有极其的理论和实践价值。我们发现，由于铁是色素合成的必需元素，缺铁叶片色素含量下降，植物生长量显著下降，叶绿体蛋白质含量减少，植株表现出明显的缺铁失绿症。电子显微镜超微分析发现，缺铁导致叶片类囊体发育不良，基粒垛叠不充分，基质类囊体发育也受到抑制，叶绿体内嗜锇颗粒增多，缺铁严重的类囊体有破损的现象。而NO处理的植物叶片色素含量恢复正常，植株生长量增加，显微照片显示类囊体发育完好，基粒垛叠明显，基质类囊体恢复正常，叶绿体内嗜锇颗粒减少，表明NO逆转了缺铁导致的植物损伤，NO对缺铁植物有较好的保护作用。我们用PM2000荧光计对缺铁下植物的叶绿素荧光数据进行分析，发现缺铁使有活性的PSII反应中心减少，天线与反应中心的连接受损，PSII的最大光化学效率和实际光化学效率大大降低，同时叶绿素荧光的光化学淬灭降低，非光化学淬灭升高，显示不仅PSII本身受到缺铁胁迫的损害，电子传递活性受损，PSII下游电子传递也受到影响。蛋白电泳分析显示，叶绿体类囊体膜结合蛋白含量降低非常明显，复合物的完整性受到破坏，可能其装配也受到影响，其中PSII复合物和Cytb6/f等含铁量高的复合物受影响较大，完全缺铁的类囊体不能形成PSII超级复合物。这些数据表明，缺铁是通过对生物大分子水平的损伤而损害植物的生理生化过程。NO处理后，植物受到的所有缺铁损伤都得到恢复，有活性的PSII反应中心数量增加，与天线的连接恢复完好，电子传递效率增高，同时叶绿素荧光的光化学淬灭增多，非光化学淬灭降低，表明PSII下游的电子传递体也得到很好的修复。电泳显示所有受损伤的蛋白恢复正常，甚至有些蛋白可能是NO诱导特异合成，复合物甚至超级复合物结构完好，光合作用能够顺利进行。可见NO是从分子层面保护了植物免受缺铁损害。尽管有研究发现缺铁减少了叶片捕获的激发能，但是由于电子传递途径不畅，还是导致叶片内过剩激发能的产生，从而形成较多的超氧阴离子自由基(O2.-)和过氧化氢（H2O2）等活性氧，这可能是植物遭受缺铁损伤的直接原因。这些活性氧使类囊体膜脂过氧化升高，膜蛋白受损伤，对植物造成了伤害。由于铁是抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的辅因子，缺铁降低了这三个酶的活性，而超氧化物歧化酶（SOD）活性却有较大提高，抗坏血酸（ASC）含量增加和谷胱苷肽还原酶（GR）活性升高说明ASC-GSH循环活性提高，这样，缺铁情况下活性氧清除机制发生了变化，以SOD和ASC-GSH循环以及小分子抗氧化剂为主。NO处理后，O2.-和H2O2等活性氧含量降低，膜脂过氧化水平、蛋白氧化水平都降低。NO可能是直接清除活性氧，也可能是通过促进铁的有效性或者其他途径调控抗氧化酶的活性，增强了植物缺铁环境下的保护作用。

论文目录

• 缩略词
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 一.植物的铁营养
• 1.铁的化学性质及其在生命活动中的重要性
• 2.植物吸收利用铁的研究
• 3.铁在植物体内的作用
• 二.一氧化氮（NO）研究概况
• 1.NO的理化性质
• 2.NO在植物体内的产生
• 3.NO在植物生长发育中的生物学功能
• 4.NO在植物中的作用机理研究
• 三.本研究的目的意义
• 第二章 NO对缺铁植物光合系统的保护作用
• 1.材料和方法
• 2.结果分析
• 2.1 NO逆转玉米缺铁症状
• 2.2 NO逆转缺铁引起的叶绿体不正常发育
• 2.3 NO恢复了缺铁诱导的类囊体色素蛋白复合物结构及功能
• 3.讨论
• 3.1 缺铁对植物造成伤害
• 3.2 NO保护缺铁植物免受缺铁诱导的损伤
• 第三章 NO对缺铁诱导的氧化胁迫的保护机制研究
• 1.材料和方法
• 2.结果分析
• 2.1 NO保护缺铁植物免受氧化损伤
• 2.2 NO增加了巯基含量,降低了抗坏血酸水平
• 2.3 NO不同程度改变了抗氧化酶活性,保护植物正常生长
• 3.讨论
• 3.1 缺铁导致氧化胁迫
• 3.2 缺铁条件下活性氧清除机制的变化
• 3.3 NO处理减少了缺铁诱导的活性氧,保护植物免受氧化胁迫
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的文章