多胺对水生植物镉胁迫的缓解效应及机理研究

论文摘要

本文以分布广泛的菹草、竹叶眼子菜、水鳖及慈姑为研究对象,以常见的重金属离子(Cd2+)为胁迫因子。系统研究了水生植物抗重金属胁迫机理以及外施多胺（PAs）对水生植物重金属胁迫的缓解效应和机理。研究结果表明：（1）不同浓度Cd2+（0、30、50、70、90μM）胁迫下,菹草叶片叶绿素、叶绿素Chi （a+b）/Car比值逐渐下降；O2·-产生速率、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、多胺氧化酶（PAO）、二胺氧化酶（DAO）活性、抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）和游离脯氨酸（Pro）含量先升后降；抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性、H202和丙二醛（MDA）含量呈上升趋势。随着Cd2+处理浓度增加,Cd2+在菹草叶细胞中大量积累,促进对Ca2+、Na+、Mn2+、Fe3+、Cu2+的吸收,降低对大量元素P、K+的吸收。此外,菹草叶片内游离态腐胺（free Put）含量上升,游离态亚精胺（free Spd）和精胺（free Spm）含量以及游离态（Spd+Spm）/Put比值下降。总多胺（Total-PAs）和结合态多胺（PS-PAs）的变化趋势和游离态PAs的变化趋势相同。束缚态腐胺（PIS-Put）含量先升后降,束缚态精胺（PIS-Spm）和亚精胺（PIS-Spd）变化趋势不大。电镜观察发现,Cd2+对菹草叶片细胞的叶绿体和线粒体造成严重损伤。Cd2+破坏了菹草正常代谢所需的生理和结构基础,打乱了代谢平衡,最终导致植物的衰亡。（2）不同浓度Cd2+（0、18、36、54、72μM）胁迫下,竹叶眼子菜叶片的叶绿素含量和SOD活性下降,而MDA和可溶性糖含量上升；过氧化氢酶（CAT）、POD活性和ASA、GSH含量分别在18μM和36μM时达到峰值；可溶性蛋白含量下降,从SDS-PAGE电泳图可以看出,Cd2+使相对分子质量为52.1kDa,42.9kDa,27.4kDa和14.1kDa的多肽表达量逐渐减少,但同时诱导18.1kDa多肽的表达增加；电镜观察发现：叶绿体膨大、解体；线粒体嵴突肿胀、空泡化；核仁分散、核膜断裂、核质散出。表明：Cd2+对竹叶眼子菜的光合系统、保护系统以及细胞结构的完整性等都产生明显破坏作用,最终将导致植物死亡。（3）研究了外源0.1 mmol L-1 Spd和0.1 mmol L-1 Spm对30μM Cd2+胁迫下竹叶眼子菜叶片生理生化水平的影响。单一Cd2+处理下,叶绿素和可溶性蛋白含量显著下降,而MDA和Pro含量迅速上升；外施Spd和Spm缓解了叶绿素和可溶性蛋白含量的显著下降,抑制了MDA含量的上升,并进一步促进Pro的积累。与对照相比,单一Cd2+处理下,O2·-产生速率、H202和MDA含量显著增加；外施Spd和Spm均显著缓解了02·-产生速率、H202和MDA含量的增加。此外,外施Spd和Spm显著提高了SOD、POD和APX的活性,降低了ROS的产生速率。但外施Spd和Spm对GR活性的影响不显著。结果表明：外施Spd和Spm有利于竹叶眼子菜对Cd2+胁迫耐性的提高。（4）不同浓度Cd2+（0、20、40、60、80μM）胁迫下,水鳖叶片叶绿素含量和SOD活性逐渐下降：POD和CAT活性先升后降,分别在40μM和20μM时达到峰值；AsA、GSH、H2O2和MDA含量呈上升趋势。随着Cd2+处理浓度增加,Cd2+在水鳖叶细胞中大量积累,促进对K+、Fe3+和Mg2+的吸收,降低对P、Ca2+和Cu2+的吸收。此外,电镜观察发现：叶绿体膨大、解体；线粒体嵴突肿胀、空泡化。Cd2+对水鳖叶片细胞的叶绿体和线粒体造成严重损伤。Cd2+破坏了水鳖正常代谢所需的生理和结构基础,打乱了代谢平衡,加速了植物的衰老。（5）研究外施0.1 mmol L-1 Spd对40μM Cd2+胁迫下水鳖叶片三种形态的PAs含量、Pro含量、精氨酸脱羧酶（ADC）、鸟氨酸脱羧酶（ODC）、PAO和DAO活性的影响。结果表明：Cd2+胁迫使水鳖叶片free Put急剧积累,free Spd和Spm显著下降。PS-PAs和PIS-PAs的变化趋势和free PAs的变化趋势相同。外施Spd均可部分逆转Cd2+诱导的三种形态PAs的变化,抑制Put的积累,缓解Spd和Spm的下降。外源Spd有效的缓解了Cd2+胁迫诱导的ADC、PAO、DAO的升高,但ODC活性并没有显著变化。与单一Cd2+胁迫相比,Spd显著提高了游离态Pro的含量,在一定程度上缓解了Cd2+诱导的氧化胁迫,增强了水鳖对Cd2+胁迫的抗性。（6）不同浓度Cd2+（0、5、25、50、100μM）胁迫下,慈姑根可溶性蛋白含量和SOD、POD、CAT活性逐渐下降,但SOD活性下降并不明显；O2·-产生速率呈单峰曲线,在25μM Cd2+浓度时达到峰值,之后开始缓慢下降；MDA含量的变化呈先缓慢后迅速上升的趋势。随着Cd2+处理浓度增加,Cd2+在慈姑根细胞中大量积累,慈姑根对矿质元素K+、P、Na+、Mg2+、Cu2+和Zn2+的吸收均起抑制作用。此外,慈姑内三种形态PAs变化呈现不同的趋势。free Put含量显著下降,free Spd和free Spm急剧积累；PS-Put含量无显著变化,PS-Spd含量呈单峰曲线,PS-Spm显著下降,但含量极少；PIS-Put和Spm含量总体呈上升趋势,PIS-Spd含量的变化并不显著,其中PIS-Put含量远高于PS-Put和PIS-Put。表明,PIS-Put在慈姑抵抗Cd2+胁迫的过程中发挥重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言与综述
• 1.1 重金属对植物的毒害机理
• 1.2 植物中多胺的代谢
• 1.3 多胺的生理功能
• 1.4 多胺与逆境胁迫的关系
• 1.5 多胺提高植物抗逆境胁迫能力的作用机理
• 2+胁迫对菹草叶片内源多胺代谢、生理生化特征及超微结构的影响'>第2章 Cd²⁺胁迫对菹草叶片内源多胺代谢、生理生化特征及超微结构的影响
• 2.1 材料和方法
• 2.2 结果与分析
• 2.3 讨论
• 2+胁迫对竹叶眼子菜叶片生理生化特征及超微结构的影响'>第3章 Cd²⁺胁迫对竹叶眼子菜叶片生理生化特征及超微结构的影响
• 3.1 材料和方法
• 3.2 结果与分析
• 3.3 讨论
• 2+胁迫下竹叶眼子菜叶片生理生化特征的影响'>第4章 外源多胺对Cd²⁺胁迫下竹叶眼子菜叶片生理生化特征的影响
• 4.1 材料和方法
• 4.2 结果与分析
• 4.3 讨论
• 2+胁迫对水鳖叶片生理生化特征及超微结构的影响'>第5章 Cd²⁺胁迫对水鳖叶片生理生化特征及超微结构的影响
• 5.1 材料和方法
• 5.2 结果与分析
• 5.3 讨论
• 2+胁迫下水鳖叶片内源多胺代谢及脯氨酸含量的影响'>第6章 外源亚精胺对Cd²⁺胁迫下水鳖叶片内源多胺代谢及脯氨酸含量的影响
• 6.1 材料和方法
• 6.2 结果与分析
• 6.3 讨论
• 2+胁迫对慈姑根内源多胺代谢及生理生化特征的影响'>第7章 Cd²⁺胁迫对慈姑根内源多胺代谢及生理生化特征的影响
• 7.1 材料和方法
• 7.2 结果与分析
• 7.3 讨论
• 论文小结
• 参考文献
• 附录A 缩略表
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 致谢