重金属Pb2+对水花生愈伤组织的毒害效应及其机理研究

论文摘要

水体重金属污染已经成为一个日益严重的环境问题,了解水体重金属污染原理、处理水体重金属,已经成为一个必需解决的课题。由于重金属元素具有难降解、易积累、毒性大等特点,另外还能被水生植物富集吸收进入食物链危害人畜健康。因此,植物对重金属毒害的抗性机理以及提高植物抗重金属胁迫能力的探索研究越来越引起人们的关注。虽然铅（Pb2+）胁迫下植物的抗氧化反应已经有了一些报道,但有关于植物愈伤组织受到重金属胁迫后变化的研究报道较少。目前,国内外对Pb2+毒害的研究对象多为自然生长的植物,主要研究了Pb2+对植物体生长发育过程的影响和植物生理过程的影响,也有少量文献涉及Pb2+对植物基因和氨基酸的影响。然而,利用水生植物愈伤组织进行重金属胁迫的研究还未见详细的报道。鉴于此,本文将分布广泛的挺水植物水花生进行愈伤组织培养,克服了光照、温度、水分及植物生长发育在自然状态下的不可控制性,使实验数据更具重复性和科学性。本文通过组织培养技术培养出水花生愈伤组织并以此为研究对象,以常见的污染环境的重金属离子——Pb2+为胁迫因子。将愈伤组织培养在人工模拟的含有这种典型重金属的培养液中,系统研究了水生植物愈伤组织抗重金属胁迫机理以及重金属离子在愈伤组织体内的富集变化、在细胞中的定位和对吸收矿质元素的影响。研究结果表明：（1）本文探讨了水花生愈伤组织的诱导,结果表明：水花生的茎段比叶片诱导愈伤率高,同时茎段所产生的愈伤组织质地紧密,体积较大且数量多,茎段仍为绿色,而叶片所产生的愈伤组织质地疏松,体积较小,且叶变枯黄；经过70%酒精30s、5%次氯酸钠10 min和0.1%升汞10 min消毒后,愈伤组织的染菌率最低,控制在16.7%内,且成活率可达63.3%,灭菌效果最好；激素为6-BA（3.0 mg/L）和NAA（0.2 mmg/L）的1/2MS培养基最适合愈伤组织生长,诱导率高达86.7%。以水花生茎段为外植体,通过最佳消毒方式和激素配比于温度为25℃,每天光照16 h,光照强度为1200-1500 lx的条件下培养,10d左右在茎段两端伤口处细胞迅速增殖长出致密的绿色水花生愈伤组织。（2）不同浓度（0,0.2,0.4,0.8和1.6 mmol/L）的Pb2+胁迫下,结果表明,随着Pb2+浓度的增加,水花生愈伤组织光合色素和可溶性蛋白含量逐渐下降；超氧阴离子（O2）和过氧化氢（H202）含量呈上升趋势,丙二醛（MDA）含量表现为先升后降；超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性同样呈现先升后降趋势,过氧化氢酶（CAT）活性则为逐渐下降的趋势。超微结构主要表现为：叶绿体基粒与基质类囊体膨胀、排列紊乱、数目逐渐减少趋于空泡状；线粒体嵴突无序、出现空泡化；核膜破裂,染色质与核质几乎消失,核仁膨胀解体。Pb2+破坏了水花生愈伤组织进行正常生长代谢所必需的生理和结构基础,打乱了代谢平衡,最终导致愈伤组织的死亡。（3）本实验研究了不同Pb处理浓度（0,0.2,0.4,0.8和1.6 mmol/L）下愈伤组织对Pb的积累、亚细胞分布、亚显微定位及矿质元素的影响。结果表明,随着培养液中Pb浓度的增加,愈伤组织体内的Pb含量极显著上升,富集系数为2341—2681；各亚细胞组份中的Pb含量都呈逐渐上升的趋势,但分配比例明显不均,分布规律为：细胞壁)细胞器>可溶性部分；超微定位观察发现在细胞壁上分布有大量的Pb颗粒,细胞内膜结构及基质中也都存在Pb；Pb对各亚细胞组份中矿质元素的影响不同,其中抑制了大量元素P、K、Mg和微量元素Na、Zn、Mn的吸收；Ca在细胞壁中先升后降,细胞器中逐渐减少,可溶性部分中则是逐渐增加；Fe和B在各亚细胞组份中均表现出先升后降；Cu在前两个组份中总体呈上升趋势,可溶性部分中则是先升后降；Si在细胞壁中逐渐减少,细胞器中呈先升后降的趋势,而可溶性部分中无法测出。可见,Pb胁迫与处理浓度间存在显著的剂量—效应关系,亚细胞分布与对细胞超微结构的损伤关系密切,Pb打乱了各亚细胞组分中离子平衡,导致愈伤组织正常生理活动紊乱,这些都是Pb毒害水花生愈伤组织的主要表现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言与综述
• 1.1 水生植物及其组织培养
• 1.1.1 培养基的选择
• 1.1.2 植物生长调节物质
• 1.1.3 消毒剂
• 1.1.4 培养条件
• 1.2 重金属对水生植物的毒害机理
• 1.2.1 逆境胁迫对愈伤组织生长、形态结构的影响
• 1.2.2 重金属对细胞超微结构的损伤
• 1.3 植物对重金属的富集效应
• 1.3.1 植物对重金属离子的吸收积累
• 1.3.2 重金属的亚细胞分布
• 1.3.3 重金属胁迫对植物吸收矿质元素的影响
• 第2章 水花生愈伤组织的诱导
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 供试植物材料
• 2.1.2 外植体预处理
• 2.1.3 消毒方式
• 2.1.4 培养基
• 2.1.5 培养条件
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 不同消毒处理对外植体成活率及污染率的影响
• 2.2.2 不同消毒处理方式对水花生愈伤组织诱导的影响
• 2.2.3 不同外植体愈伤组织的诱导
• 2.2.4 不同激素浓度对水花生愈伤组织形成的影响
• 2.3 讨论
• 2+胁迫的生理和结构响应'>第3章 水花生愈伤组织对Pb²⁺胁迫的生理和结构响应
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料及其愈伤组织培养
• 3.1.2 试验设计
• 3.1.3 生理指标的测定
• 3.1.4 超微结构观察
• 3.1.5 统计分析
• 3.2 结果与分析
• 2+对水花生愈伤组织光合色素含量的影响'>3.2.1 Pb²⁺对水花生愈伤组织光合色素含量的影响
• 2+对水花生愈伤组织O₂^·-、H₂O₂及MDA含量的影响'>3.2.2 Pb²⁺对水花生愈伤组织O₂^·-、H₂O₂及MDA含量的影响
• 2+对水花生愈伤组织保护酶系统活性的影响'>3.2.3 Pb²⁺对水花生愈伤组织保护酶系统活性的影响
• +2对水花生愈伤组织可溶性蛋白含量的影响'>3.2.4 Pb⁺²对水花生愈伤组织可溶性蛋白含量的影响
• 2+对水花生愈伤组织细胞超微结构的损伤'>3.2.5 Pb²⁺对水花生愈伤组织细胞超微结构的损伤
• 3.3 讨论
• 第4章 Pb在水花生愈伤组织中的超微定位及对矿质元素的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料及愈伤组织培养
• 4.1.2 试验方法
• 4.1.3 统计分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 Pb在水花生愈伤组织体内的积累
• 4.2.2 Pb在水花生愈伤组织亚细胞组份中的含量
• 4.2.3 Pb在水花生愈伤组织细胞中的亚显微定位
• 4.2.4 Pb对水花生愈伤组织各亚细胞组份矿质元素含量的影响
• 4.3 讨论
• 第5章 论文小结
• 参考文献
• 附录A 缩写
• 附录B MS培养基的贮备液配方
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 致谢