一氧化氮缓解水稻镉毒害的作用及其生理机制

论文摘要

镉（Cadmium,Cd）是最主要的重金属污染元素之一,它对农作物产生多种生理毒害作用。水稻（Oryza sativa L.）是对Cd有较强生理耐受力和积累力的作物之一,Cd对水稻的污染具有很强的隐蔽性和危险性,它给我国水稻生产和人民健康带了风险和危害。一氧化氮（Nitric oxide,NO）是近十年来备受关注的重要气体信号分子,它在植物信号转导以及植物抗逆过程中发挥着重要作用,近年来有关NO减轻植物重金属毒害的研究方兴未艾,NO缓解植物重金属毒害的许多生理过程和机制还不为人知。研究NO缓解水稻Cd毒害的作用过程和生理机制是十分必要和有意义的,这将为减少Cd污染造成的水稻减产,降低Cd在稻米中的积累提供理论基础和防控依据。本研究以粳稻中花11为材料,采用溶液培养研究了外源NO处理对水稻Cd毒害的缓解作用,并从氧化胁迫、Cd在水稻体内的分布、蒸腾速率、根系细胞壁成分及金属硫蛋白（Metallothionein,MT）基因表达等角度探讨了外源NO缓解水稻Cd毒害的生理机制。主要研究结果如下:1.外源低浓度的NO缓释剂硝普钠（Sodium nitroprussidum,SNP）（≤0.2 mM）处理能够缓解0.1 mM CdCl2对水稻幼苗种子根（Primary roots,PR）和冠根（Crown roots,CR）伸长以及冠根数目的抑制作用。Cd处理抑制了水稻幼苗中NO合成的关键酶—一氧化氮合成酶（Nitric oxide synthase,NOS）活性,降低了内源NO含量,外源NO处理弥补了Cd毒害造成的NO不足,恢复了水稻幼苗冠根发生数目。一定浓度的内源NO对于维持水稻冠根原基的发生是十分必要的,而对水稻种子根和冠根的伸长并不是必需的,Cd对根系伸长的抑制不是通过降低内源NO含量来实现的。水稻幼苗冠根原基的发生和冠根的伸长是两个不同的生理过程,本文认为NO在这两个生理过程中所起到的调控作用可能存在着明显差异。2.低浓度的SNP（≤0.1 mM）能够缓解0.2 mM Cd胁迫对5叶期水稻的毒害作用。0.1 mM SNP处理增加了水稻根和茎中Cd的积累量,减少了水稻叶片中Cd的积累量,0.1 mM SNP处理增加了水稻根系细胞壁和细胞器中的Cd含量,减少了叶片细胞质中的Cd含量。此外,0.1 mM SNP处理降低了五叶期水稻根系细胞壁中纤维素含量,增加了细胞壁中果胶和半纤维素含量,这可能是NO增加水稻根系细胞壁中Cd积累量,降低水稻叶片细胞质中Cd积累量来实现缓解水稻Cd毒害的主要机制之一。3.0.1 mM SNP处理减少了0.2 mM CdCl2胁迫下5叶期水稻根尖和叶片中的活性氧（Reactive oxygen species,ROS）含量,降低了氧化胁迫程度,同时还能诱导水稻金属硫蛋白（Metallothioneins,MT）基因U43529在水稻根、茎和叶中增强表达,抑制基因U43530在根、茎和叶中的组成型表达,而对基因AF001396在茎和叶中的表达没有明显影响。这表明不同类型的MT在水稻中发挥着不同的作用,其中NO和Cd诱导增强表达的水稻MT基因U43529有可能参与了NO缓解水稻Cd毒害的过程。

论文目录

• 致谢
• 目录
• 缩略词表
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述与研究意义
• 0 引言
• 1 Cd毒害与植物
• 1.1 Cd对植物和人体的毒害作用
• 1.2 植物对Cd的吸收、转运和积累
• 1.3 植物抗（耐）Cd毒害的主要机制
• 2 NO与植物
• 2.1 植物体内NO的合成
• 2.2 植物体内NO的生理作用
• 2.3 植物体内NO参与的信号转导
• 3 NO在植物抗重金属胁迫中的作用
• 4 本研究的目的意义和主要研究内容
• 第二章 NO对Cd胁迫下水稻幼苗根系生长的影响
• 0 前言
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验方法
• 2 结果与分析
• 2.1 外源NO处理对Cd胁迫下水稻幼苗根系生长毒害的缓解作用
• 2.2 NO特异性清除剂cPTIO对水稻根系生长的影响
• 2.3 Cd胁迫下水稻根系NOS活性和内源NO含量的变化
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 第三章 NO对Cd胁迫下水稻生长毒害的缓解作用
• 0 前言
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验方法
• 2 结果与分析
• 2.1 外源NO处理对Cd胁迫下水稻生长毒害的缓解作用
• 2.2 外源NO处理对Cd胁迫下水稻根尖NO含量的影响
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 第四章 NO缓解Cd对水稻生长毒害的生理机制
• 0 前言
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验方法
• 2 结果与分析
• 2.1 外源NO处理减轻Cd胁迫下水稻体内的氧化胁迫
• 2.2 外源NO处理对Cd胁迫下Cd在水稻不同部位分布的影响
• 2.3 外源NO处理对Cd胁迫下叶片蒸腾速率的影响
• 2.4 外源NO处理对Cd胁迫下水稻根系细胞壁成分的影响
• 2.5 外源NO处理对Cd胁迫下金属硫蛋白基因表达的影响
• 3 讨论
• 4 本章小结
• 全文结论与展望
• 1 全文结论
• 2 创新之处
• 3 研究展望
• 参考文献
• 彩图
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果