NaHCO3胁迫对烟草的毒害机理研究

论文摘要

土壤盐碱化导致作物大量减产,甚至产生不毛之地,在过去的50年里,大量研究已逐渐揭露了盐的毒害机理,但此毒害作用多以中性NaCl为基础,近几年已研究表明碱性NaHCO3和Na2CO3能够产生更大的危害,同时也有研究者认为碱性碳酸盐和中性钠盐对植物是两种不同的胁迫,所以进一步研究碱性盐的毒害机理将有助理解碱性盐加强的毒害作用。本文以烟草（Nicotiαnαtαbαcum Linn.）为研究对象,利用非损伤离子探针技术、激光共聚焦显微镜技术、透射电子显微镜等技术,从Na+的吸收、积累和毒害出发,试图揭示NaHCO3相对于中性NaCl能够对植物产生更严重危害的机理和NaHCO3胁迫相对于NaCl胁迫的不同。主要结论如下：（1）Na+的吸收和区室化：当NaCl和NaHCO3分别加入到植物生长液中时,根细胞H+的外流速度分别为2.41 pmol cm-2s-1和5.42 pmol cm-2s-1,碱性NaHCO3应激显著增加了H+的外流速度,同时细胞内液泡pH值从5.34变化到6.64,液泡明显碱化。NaHCO3胁迫3天后Na+外排速率增加,但这种外排不受矾酸钠的抑制,同时外排的速率和溶液的pH成一定的正相关性。这些结果表明NaHCO3加入后H+大量外流,液泡碱化,导致细胞膜透性增加,NaHCO3胁迫导致增加的Na+外流速度不是因为Na+/H+反向转运体活性增强,而是因为细胞质中积累高的Na+浓度,细胞透性的增加可能导致细胞选择性吸收功破坏,最终引起离子区室化的失败。（2）Na+的积累和毒害部位：一个月的盐碱胁迫结果显示NaHCO3胁迫中根冠比例显著降低,叶的蒸腾速率和CO2吸收速率显著降低,生物量积累较同浓度NaCl胁迫显著下降,但NaHCO3胁迫老叶中Na的积累为1.11明显低于同浓度NaCl胁迫下Na积累率1.22,这些结果说明低的根冠比例和蒸腾速率抑制Na的向上运输和积累,Na的危害主要集中于根部,有别于NaCl胁迫中Na积累和危害的主要部位为叶的结论。（3）根细胞壁代谢与抗氧化酶活性：不同盐碱溶液黑暗处理48h,烟草根细胞壁成分中,可溶性糖和处理液pH成负相关；当处理液pH大于8.5时,溶液pH值和半纤维素HC1和HC2成正相关,表明碱加速糖的分解和流出,同时在高pH下,果胶百分含量降低导致半纤维素百分含量上升,由于在高pH值下24小时内根细胞活力已经丧失,所以果胶含量的下降主要来自于碱对果胶的水解作用。24小时的高浓度盐（400mM NaCl）和碱（200mM NaHCO3,100mM Na2CO3）胁迫总体表现为对根抗氧化酶活性影响大于对叶抗氧化酶活性的影响,并且盐和碱对不同的抗氧化酶存在不同的影响,盐对CAT和GR活力破坏更重,而高pH值对SCD、APX和POD活力存在更大的影响。（4）细胞器危害与程序化死亡：烟草原生质体胁迫8小时表明NaHCO3胁迫比NaCl胁迫更易造成原生质体的破碎和线粒体的空泡化,透射电镜进一步分析表明在质膜破碎前,细胞内的内膜系统遭到破坏,细胞内出现大面积的裂解区域,同时线粒体空泡化或无线粒体脊。在CaCl2、NaCl胁迫和NaHCO3胁迫下都存在原生质体凋亡的过程,其中NaCl胁迫和NaHCO3胁迫下细胞凋亡率较高,最高分别达到7.57%和10.34%,但是碱性增加后,细胞破碎完全取代凋亡,在100 mmol·L-1 NaHCO3和100mmol·L-1 Na2CO3混合溶液中,基本上很难发现凋亡的存在。到碱性程度更高的Na2CO3溶液,原生质体大部分破碎,说明此时碱性盐对于质膜的溶解占主导地位。（5）ROS反应及外源乙烯的缓解作用：碱性NaHCO3胁迫导致烟草根尖伸长生长受到抑制,同时根毛长度和新生根毛数量大幅度减少,但是ROS反应并不明显。矾酸钠和ACC虽然也抑制根的伸长生长,但能促进根毛的发育,降低根尖ROS反应。矾酸钠和ACC都能缓解NaHCO3对烟草幼苗的危害,其中矾酸钠有效时间较短,并有毒副作用,而ACC有效时间相对较长。二者的共同点是都能抑制质膜ATP酶的活性,进而抑制植物细胞主动吸收溶液中Na+离子的能力；同时,抑制质膜ATP酶活性也会降低H+泵出细胞外的能力,虽然抑制根的酸性生长,但在碱性溶液环境中避免了细胞质的进一步碱化,进而表明外源乙烯通过调控质膜ATP酶活性缓解NaHCO3进入细胞的速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 盐渍土和盐碱土的定义和分布
• +吸收、运输和积累'>1.1.2 Na⁺吸收、运输和积累
• 1.1.3 植物的耐盐机理
• 1.1.4 盐胁迫对植物的毒害机理
• 1.1.5 高pH对植物的生长、代谢的影响
• 1.1.6 碱性盐对植物危害的研究进展
• 1.2 本课题研究的目的和意义
• +和H⁺通量的研究'>2 不同盐碱胁迫下根系Na⁺和H⁺通量的研究
• 2.1 研究材料与方法
• 2.1.1 植物培养
• 2.1.2 根活力的测定
• +通量变化'>2.1.3 非损伤技术测定Na⁺通量变化
• 3应激动力学测定'>2.1.4 NaHCO₃应激动力学测定
• 3应激细胞内pH测定'>2.1.5 NaHCO₃应激细胞内pH测定
• 2.2 结果与讨论
• 3处理对幼苗形态和根长的影响'>2.2.1 不同浓度NaHCO₃处理对幼苗形态和根长的影响
• 3处理对幼苗根活力的影响'>2.2.2 不同浓度NaHCO₃处理对幼苗根活力的影响
• 3诱导的H⁺通量和细胞内pH变化'>2.2.3 NaHCO₃诱导的H⁺通量和细胞内pH变化
• +/H⁺反向转运体功能的影响'>2.2.4 不同盐碱胁迫对Na⁺/H⁺反向转运体功能的影响
• 3诱导失败的细胞内离子区室化和细胞死亡'>2.2.5 NaHCO³诱导失败的细胞内离子区室化和细胞死亡
• 2.3 本章小结
• 3 不同盐碱胁迫对烟草长期生长及Na积累的研究
• 3.1 研究材料与方法
• 3.1.1 材料培养及处理
• 3.1.2 光合作用测定
• 3.1.3 色素含量测定
• 3.1.4 根、茎和叶元素含量的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 不同盐碱胁迫对烟草生物量的影响
• 3.2.2 不同盐碱胁迫对烟草叶片色素含量的影响
• 3.2.3 不同盐碱胁迫对烟草叶片光合作用的影响
• 3.2.4 不同盐碱胁迫对金属元素含量的影响
• 3对植物的长期影响及危害部位'>3.2.5 NaHCO₃对植物的长期影响及危害部位
• 3.3 本章小结
• 4 不同盐碱溶液影响根系细胞壁代谢与抗氧化物酶活性
• 4.1 研究材料与方法
• 4.1.1 材料培养及处理
• 4.1.2 根系活力的测定
• 4.1.3 抗氧化物酶活力的测定
• 4.1.4 细胞壁的提取
• 4.1.5 细胞壁多糖成分的测定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 不同盐碱胁迫对根活性的影响
• 4.2.2 不同盐碱胁迫对根生物量的影响
• 4.2.3 不同盐碱胁迫对根可溶性糖含量的影响
• 4.2.4 不同盐碱胁迫对根细胞壁成分含量的影响
• 4.2.5 不同盐碱胁迫对根抗氧化酶活性的影响
• 4.2.6 不同盐碱胁迫对叶抗氧化酶活性的影响
• 3胁迫影响烟草抗氧化酶的特点'>4.2.7 NaHCO₃胁迫影响烟草抗氧化酶的特点
• 4.2.8 碱性盐影响细胞壁代谢的可能机制
• 4.3 本章小结
• 5 不同盐碱胁迫对烟草细胞器伤害及细胞凋亡研究
• 5.1 研究材料与方法
• 5.1.1 材料培养
• 5.1.2 原生质体的分离和纯化
• 5.1.3 不同盐碱胁迫原生质体的处理和观察
• 5.1.4 细胞染色和细胞活力检测
• 5.1.5 膜联蛋白Ⅴ法鉴定原生质体凋亡
• 5.1.6 DNA梯状条带法鉴定原生质体凋亡
• 5.1.7 根细胞亚显微结构的变化
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 不同盐碱胁迫原生质体的活力
• 5.2.2 膜联蛋白Ⅴ法检测凋亡原生质体的形态
• 5.2.3 DNA梯状条带法鉴定原生质体结果
• 5.2.4 不同盐碱胁迫原生质体的凋亡、死亡与破碎
• 5.2.5 不同盐碱胁迫内质网的变化
• 5.2.6 不同盐碱胁迫线粒体的变化
• 5.2.7 不同盐碱胁迫对根尖活力和细胞亚显微结构的影响
• 5.2.8 不同盐碱胁迫对细胞器或细胞破坏的可能机制
• 5.3 本章小结
• 6 不同盐碱胁迫烟草幼苗ROS反应及外源乙烯的作用
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 植物的培养
• 6.1.2 植物材料的处理
• 6.1.3 ROS产生的探测
• 6.1.4 细胞活力染色
• 2^·-)的定位'>6.1.5 超氧阴离子(O₂^·-)的定位
• 6.1.6 根形态指标的测定
• 6.2 结果与讨论
• 3对烟草生长和根发育的影响'>6.2.1 不同浓度NaHCO₃对烟草生长和根发育的影响
• 3对烟草幼苗根ROS产生的影响'>6.2.2 不同浓度NaHCO₃对烟草幼苗根ROS产生的影响
• 6.2.3 不同浓度外源乙烯对烟草生长和根发育的影响
• 6.2.4 不同浓度外源乙烯对烟草根尖ROS产生的影响
• 6.2.5 不同浓度矾酸钠对烟草幼苗生长和根发育的影响
• 6.2.6 不同浓度矾酸钠对烟草根尖ROS产生的影响
• 3胁迫的缓解作用'>6.2.7 ACC和矾酸钠对NaHCO₃胁迫的缓解作用
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢