重金属Cr6+对水花生愈伤组织和水花生植物体的毒害机制研究

摘要

本文选用了广泛分布的挺水植物-水花生(Alternanthera philoxeroides)的愈伤组织和水花生植物体作为实验材料，分别以六价铬离子作为胁迫因子，将水花生愈伤组织培养在人工模拟的含有这种常见重金属的污水中，运用透射电镜、电泳、生理生化测定等实验手段，系统地研究了水花生愈伤组织和水花生植物体对重金属铬污染的抵抗及反应机制。研究结果表明：
　　(1)在本实验中水花生愈伤组织最佳培养条件为：将从琵琶湖采集的水花生置于人工培养池中，用营养液预培养7天后，待其长出新芽，选取水花生新长出的嫩茎段，在无菌条件下，接种于含有6-BA和NAA(6-BA/NAA=3 mg·L-1/0.2 mg·L-1)的1/2MS固体培养基上，放入可控制温度和光照的培养室中，培养室温度为25℃，每天光照16小时，光照强度为1200-1500 lx，培养出水花生愈伤组织，选取生长一致的呈绿色且生长致密的愈伤组织用于重金属毒害的实验材料。
　　(2)将水花生愈伤组织置于不同处理浓度Cr6+(0、0.1、0.3、0.6、0.9 mM)7天以后，结果表明，随着Cr6+浓度的增加：①打破了愈伤组织中各矿质营养元素的平衡：Fe3+、Zn2+的含量逐渐减少：Ca2+、Mg2+的含量逐渐增加；Mn2+的含量变化不大；②超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)含量随着Cr6+处理浓度的增大呈现先慢后快的增长趋势；而MDA含量则逐渐降低；③SOD、POD和CAT的活性以均表现先升后降；④除0.1mMCr6+浓度外，可溶性蛋白含量随着Cr6+浓度的升高呈逐渐下降趋势，从SDS-PAGE蛋白电泳图也可以看出，随着Cr6+浓度的增大，蛋白质条带的颜色逐渐变淡，减少的蛋白质主要集中在39.2、24.4和11.2KDa区段；⑤叶绿素和类胡萝卜素的含量随着Cr6+处理浓度的增加呈现逐渐减少趋势。电镜观察发现，Cr6+使叶绿体出现囊泡，被膜破损，当Cr6+浓度达到0.9 mML时，类囊体的基粒片层损伤更加严重，部分膜消失；随着Cr6+浓度升高，线粒体嵴突数目减少，空泡化。可见，Cr6+胁迫破坏了水花生愈伤组织的正常生理生化活动，对其细胞超微结构造成了不可逆的损伤。
　　(3)测定了不同Cr6+浓度(0.1，0.3，0.6，0.9 mM)对水花生愈伤组织中腐胺(putrescine，Put)、亚精胺(spermidine，Spd)、精胺(spermine，Spm)、脯氨酸(Pro)含量及精氨酸脱羧酶(ADC)、鸟氨酸脱羧酶(ODC)、多胺氧化酶(PAO)和二胺氧化酶(DAO)活性的影响。结果表明，随着Cr6+处理浓度的增大：①游离态腐胺(f-Put)、亚精胺(f-Spd)和精胺(f-Spm)的含量先升后降，且均在0.6mM时达到峰值；②结合态腐胺(PS-conjugatedPut)含量在0.1mM时达到最大值，之后下降；而结合态亚精胺(PS-conjugated Spd)和精胺(PS-conjugated Spm)含量则逐渐上升；③束缚态腐胺(PIS-bound Put)、亚精胺(PIS-bound Spd)和精胺(PIS-bound Spm)含量先升后降，在0.6mM时PIS-bound Put与Spd达到最大值；而PIS-bound Spm则是在0.1mM时达到最大值，之后逐渐下降；④ADC酶和ODC酶活性逐渐上升；而PAO、DAO酶活性则表现为先升后降；⑤Pro含量呈先升后降趋势。可见，重金属Cr6+胁迫，破坏了水花生愈伤组织内多胺代谢平衡，造成多胺(polyamines，PAs)大量积累，较高的内源PAs在提高愈伤组织抵抗Cr6+胁迫能力的过程中发挥重要作用。
　　(4)不同处理浓度Cr6+(0、0.1、0.3、0.6、0.9 mM)对水花生植物体处理七天以后，测定水花生叶片中的叶绿素含量、可溶性蛋白的含量、脯氨酸(Pro)的含量以及不同状态、不同种类的多胺(PAs)的含量。随着Cr6+浓度的增加：①总叶绿素(chl)含量、叶绿素a(chl a)、叶绿素b(chl b)和类胡萝卜素(car)含量逐渐下降；可溶性蛋白的含量也逐渐下降；②多胺总含量与游离态多胺含量的变化趋势相似，Put含量呈上升趋势，而Spd和Spm含量呈逐渐降低趋势；③结合态Put和Spm含量呈上升趋势，但较游离态变化趋势较小；Spd含量逐渐减少；④束缚态Put含量与Spm含量逐渐降低，而spd含量则呈先增加后降低的趋势；⑤水花生植物体中脯氨酸(Pro)的含量逐渐上升，与Cr6+处理浓度间达到极显著正相关。

目录

文摘

英文文摘

第1章 前言与综述

1.1 水生植物的组织培养

1.1.1 培养基的制备

1.1.2 植物生长调节物质

1.1.3 外植体的消毒

1.1.4 pH值的选择

1.2 重金属对植物的毒害机理

1.2.1 重金属在植物体内的运输和积累

1.2.2 重金属对植物体矿质元素吸收的影响

1.2.3 重金属对植物体超微结构的影响

1.2.4 重金属对光合作用和呼吸作用的影响

1.2.5 重金属对植物细胞膜透性和活性氧清除系统的影响

1.3 植物体中多胺的种类、代谢

1.3.1 植物体中多胺的种类

1.3.2 植物体中多胺的合成代谢

1.3.3植物体中多胺的降解代谢

1.3.4 多胺与植物抗重金属胁迫的关系

第2章 铬(Cr6+)对水花生愈伤组织生理及超微结构的毒害效应

2.1 材料与方法

2.1.1 供试材料

2.1.2 实验设计

2.1.3 生理指标测定

2.1.4 超微结构观察

2.1.5 统计分析

2.2 结果与分析

2.2.1 水花生愈伤中Cr及各营养元素的含量

2.2.2 Cr6+对水花生愈伤中O2·-、H2O2及MDA含量的影响

2.2.3 Cr6+对水花生愈伤中SOD、POD及CAT含量的影响

2.2.4 Cr6+对水花生愈伤中蛋白质含量的影响

2.2.5 Cr6+对水花生愈伤中光合色素含量的影响

2.2.6 Cr6+对水花生愈伤组织细胞超微结构的损伤

2.3 讨论

第3章 铬(Cr6+)胁迫对水花生愈伤组织多胺代谢的影响

3.1 材料和方法

3.1.1 供试材料

3.1.2 愈伤组织的培养

3.1.3 水花生愈伤组织Cr6+的处理

3.1.4 多胺含量的测定

3.1.5 ADC、ODC、PAO和DAO活性测定

3.1.6 脯氨酸含量的测定

3.1.7 统计分析

3.2 实验结果

3.2.1 Cr6+胁迫对愈伤组织游离态多胺含量影响

3.2.2 Cr6+胁迫对愈伤组织结合态多胺含量变化

3.2.3 Cr6+胁迫对愈伤组织束缚态多胺含量变化

3.2.4 Cr6+胁迫对愈伤组织多胺总含量变化

3.2.5 ADC、ODC、PAO和DAO活性变化

3.2.6 Pro含量变化

3.3 讨论

第4章 铬(Cr6+)对水花生植物体的毒害及生理应答

4.1 材料与方法

4.1.1 供试材料

4.1.2 试验设计

4.1.3 水花生植物体中叶绿素含量的测定

4.1.4 可溶性蛋白含量的测定

4.1.5 水花生植物体中PAs含量的测定

4.1.6 水花生植物体中Pro含量的测定

4.2 实验结果与分析

4.2.1 Cr6+对水花生叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

4.2.2 Cr6+对水花生叶片可溶性蛋白含量的影响

4.2.3 Cr6+对水花生叶片PAs总含量的影响

4.2.4 Cr6+对水花生叶片游离态PAs含量的影响

4.2.5 Cr6+对水花生叶片结合态PAs含量的影响

4.2.6 Cr6+对水花生叶片束缚态PAs含量的影响

4.2.7 Cr6+对水花生叶片脯氨酸含量的影响

4.3 讨论

第5章 结论

附录A 缩略表

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢