人工氧化镧纳米颗粒的高等植物毒性效应及抑制水分吸收的分子机制

摘要

随着纳米技术的快速发展，纳米材料已广泛应用于人类生产和生活的各个方面。这些纳米产品在生产、运输和使用过程中，其产生的纳米颗粒(NPs)不可避免地会通过各种途径进入到环境中，从而对生态系统以及人体健康造成潜在的危害。越来越多的研究表明，NPs能够在不同水平（包括食物链、植物个体、动物体、细胞与亚细胞水平、蛋白与基因等）上对生物体造成毒性损伤，但从分子水平阐明其植物毒性机制的研究较少。本论文以玉米(Zea mays L.)和樱桃萝卜(Raphanus sativus L.)为对象，研究了NPs致使玉米幼苗吸水能力降低和樱桃萝卜块根开裂等的毒性效应，并进一步探讨La2O3NPs处理下玉米幼苗水通道蛋白(AQPs)基因的表达和信号传导，以及樱桃萝卜块根的主要品质变化，初步揭示了La2O3NPs植物毒性的分子机制。论文主要研究结果概括如下: 1、不同浓度La2O3NPs（50，250和500mg L-1）显著影响玉米幼苗根系生物量。与对照相比，500mg L-1La2O3NPs处理6d的根系生物量降低22.73％;同时根系变粗变短，表面皱缩、塌陷，表现出明显的纳米毒性效应。 2、La2O3NPs明显抑制玉米幼苗的水分吸收，玉米幼苗根系皱缩、叶片叶脉水分运移减弱;50mg L-1La2O3NPs处理3d后，玉米幼苗根系栓化明显，凯氏带分化提前;同时，根系水通道蛋白ZmPIP1含量明显增加。La2O3NPs处理下，玉米幼苗地上部和根系AQPs基因表达总体呈下调趋势。AQPs基因表达下调致使植物体对水分吸收降低，最终导致植物生长受抑。 3、La2O3NPs处理下，玉米幼苗体内ABA含量受诱导增加，ABA合成的促进可能进一步触发了与AQPs基因相关的信号通路。 4、La2O3NPs处理下，玉米幼苗地上部和根系的养分含量呈下降趋势。Ca、K、Mg等元素含量的降低可以延缓叶绿素的合成，这是玉米幼苗生长受抑的主要原因之一;植物体内养分含量的降低可以破坏植物的正常生理代谢，从而抑制植株生长，导致品质下降，对食品安全，乃至人体健康产生不可预知的潜在危害。此外，La2O3NPs比氧化镧大颗粒(La2O3BPs)更易进入植物体内，植物La含量则随着处理浓度和时间的增加而增加。 5、不同浓度La2O3NPs处理下，樱桃萝卜幼苗地上部、块根和根系的生物量显著降低;水分吸收减少，块根开裂，根系变短，表现出较强的毒性作用。樱桃萝卜幼苗体内生理代谢过程受阻，块根生长所必需活性物质如维生素、可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物明显降低，块根着色度减少，最终导致萝卜品质的显著下降。 综上所述，La2O3NPs处理下，玉米幼苗地上部和根系ABA含量受诱导增加，ABA合成的促进作用进一步触发AQPs基因表达的总体下调，进而导致了植物体水分吸收的降低，最终使得玉米幼苗生长受阻、养分含量降低。此外，萝卜水分吸收减少，直接导致生长受抑、根系变短和块根开裂、块根品质下降。本研究可为纳米颗粒的生态风险评估及其阻控提供科学依据。

目录

声明

摘要

第一章人工纳米颗粒的植物毒性效应(代文献综述)

1．1环境中的人工纳米颗粒

1．1．1人工纳米颗粒的定义、种类及应用

1．1．2人工纳米颗粒的生物效应及致毒机制

1．1．3环境中的稀土金属纳米颗粒

1．2 NPs在植物体内的吸收、转运及形态转化

1．2．1吸收途径

1．2．2迁移及分布规律

1．2．3 NPs在植物体内的形态转化

1．3 NPs的植物毒性及其分子机制

1．3．1 NPs的植物毒性效应

1．3．2影响NPs植物毒性的因素

1．3．3 NPs的植物致毒机制

1．4水分胁迫下植物水通道基因的表达及信号传导的调控机制

1．4．1纳米颗粒对植物水分吸收的影响

1．4．2植物水通道蛋白及基因表达

1．4．3植物信号传导在植物水分吸收和运移中的调控作用

1．5纳米颗粒对植物养分含量和果实品质的影响

1．6论文的研究目的、内容及技术路线

参考文献

第二章三种稀土氧化物纳米颗粒的性质表征及其对植物生长的影响

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1材料

2．2．2试验方法

2．2．3统计分析

2．3结果与讨论

2．3．1三种纳米颗粒悬浮液稳定性及其表观水力半径

2．3．2三种N-Ps对植物生长的影响

2．3．3三种NPs对玉米水分吸收速率的影响

2．4本章小结

参考文献

第三章氧化镧纳米颗粒毒性暴露试验体系的建立及其对玉米幼苗的毒性效应

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1供试材料

3．2．2实验方法

3．2．3统计分析

3．3结果与讨论

3．3．1 La2O3 NPs和La2O3 BPs的性质表征

3．3．2不同浓度La2O3 NPs处理下玉米幼苗的生长状况

3．3．3不同浓度La2O3 NPs对玉米幼苗根系形态的影响

3．3．4不同浓度La2O3 NPs处理对玉米幼苗水分吸收的影响

3．4本章小结

参考文献

第四章氧化镧纳米颗粒对玉米幼苗水分吸收的影响及其分子机制

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1供试材料

4．2．2试验方法

4．2．3统计分析

4．3结果与讨论

4．3．1不同浓度La2O3 NPs处理下玉米幼苗AQPs基因的表达分析

4．3．2不同浓度La2O3 NPs处理下玉米幼苗ABA含量的变化

4．4本章小结

参考文献

第五章氧化镧纳米颗粒对玉米幼苗根系形态形成及水通道蛋白的作用机制

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．2染色法检测La2O3 NPs对玉米幼苗根系凯氏带分化的影响

5．2．4利用免疫组化技术测定La2O3 NPs对根系水通道蛋白表达的影响

5．3结果与讨论

5．3．1 La2O3 NPs对玉米幼苗生长的影响

5．3．2 La2O3 NPs对玉米幼苗根系水分吸收的影响

5．3．3 La2O3 NPs对玉米幼苗根系凯氏带分化的影响

5．3．4 La2O3 NPs对玉米幼苗根系水通道蛋白的影响

5．4本章小结

参考文献

第六章氧化镧纳米颗粒对玉米幼苗养分含量的影响

6．1引言

6．2材料与方法

6．2．1材料

6．2．2试验方法

6．2．3统计分析

6．3结果与讨论

6．3．1玉米幼苗La含量的变化

6．3．2 La2O3 NPs对玉米幼苗地上部大量和中量营养元素含量的影响

6．3．3 La2O3 NPs对玉米幼苗微量元素含量的影响

6．4本章小结

参考文献

第七章氧化镧纳米颗粒对樱桃萝卜幼苗生长及品质的影响

7．1引言

7．2材料与方法

7．2．1溶液培养及幼苗生长

7．2．4樱桃萝卜幼苗块根品质的测定

7．2．5统计分析

7．3结果与讨论

7．3．2 La2O3 NPs对樱桃萝卜幼苗根系形态的影响

7．3．3 La2O3 NPs对樱桃萝卜幼苗水分吸收的影响

7．3．4 La2O3 NPs对樱桃萝卜块根品质的影响

7．4本章小结

参考文献

全文结论

论文创新点

展望

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

致谢