拟南芥、水稻突变体与野生型砷吸收和转运的差异

论文摘要

随着工农业的发展和含砷化学物质的不断应用,砷污染己成为一个世界性的严重问题,土壤、大气和水体中的砷污染也正危胁着作物生产和人类的健康。因此,研究植物砷的吸收和转运机制,减少或者消除砷的污染和毒害成为一个亟待解决的重要课题。水稻是人类主要的粮食作物之一,然而,目前稻米主要生产区(东南亚地区)的土壤和灌溉水砷污染严重,导致稻米中砷的积累。砷在稻米中的积累通过食物链传递,对人体健康构成严重威胁。所以,稻米砷污染问题已成为东南亚地区比较突出且急需解决的环境问题之一。而减少水稻对砷的吸收、控制水稻体内砷向籽粒转移、降低籽粒中砷的生物有效性是解决这一问题的关键途径。作为植物分子生物学研究模式植物的拟南芥,在植物砷的吸收、转运机制研究方面非常重要,而植物砷解毒关键基因和酶突变后的拟南芥突变体在植物砷解毒机制和应用方面的作用更是显而易见。但要成功将拟南芥突变的植株用于植物修复或者用于植物砷的有效排出,必须先对突变植株和野生植株体内砷的吸收、转化等代谢过程有全面而透彻的理解。本论文深入研究了水稻和拟南芥这两种典型植物体内砷吸收和转运的生物化学过程及机制。一、不同磷浓度下水稻短根突变体与野生型砷吸收和转运的差异为探讨水稻根形态及磷营养状况这两个调控因子对水稻吸收和转运五价砷的影响,实验采用水培的方法,研究了在不同外部磷浓度下(0、10、50、150、300μM KH2PO4)水稻短根突变体与野生型短期内对五价砷(10μM Na3AsO4)吸收和转运的差异。实验结果表明,水稻根形态(短根突变体与野生型)和磷营养状况均能对水稻吸收和转运五价砷产生显著影响:1)磷能竞争性抑制水稻对五价砷的吸收,随营养液中磷浓度的增加,水稻地上部和地下部五价砷含量、单位根干重砷吸收量(根系砷吸收能力)均显著降低;2)水稻短根突变体对五价砷的吸收能力低于野生型,但转运能力高于野生型。二、不同砷浓度下拟南芥ACR2突变体与野生型砷吸收和转运的差异随着环境中砷浓度的增加,植物吸收砷然后通过食物链进入动物,最后威胁人类,引起了人们的广泛关注。为了有效的了解如何更广泛的将砷的植物修复技术和植物体内的砷有效排出应用于其他物种,因此实验研究了拟南芥突变体和野生型砷吸收和转运的差异。实验采用了三种拟南芥植物样品——野生型(WT),ACR2基因沉默突变体(ST),CDC25基因超量表达突变体(OE)。我们发现,1)WT,ST和OE的生物量没有明显差异。2)拟南芥体内的砷酸盐还原酶活性能被环境中的As(Ⅴ)胁迫诱导,且OE的砷酸盐还原酶活性很高,ST的则很低。3)加入75, 150和300μM As(Ⅴ)处理后,ST砷转运系数很高,地上部砷浓度明显高于WT和OE,地上部磷含量很低。4)OE砷转运系数较低,地上部砷含量较低,地上部磷含量较高。5)ST地下部砷含量最小,OE地下部砷含量与WT无明显差异,三种植物样品地下部磷含量无明显差异。6)不同砷浓度下,ST地上部三价砷非常少,OE地上部五价砷非常少。总之,本论文研究了水稻和拟南芥突变体与野生型砷吸收和转运的差异。研究结果对于控制水稻砷吸收,筛选低砷水稻品种具有重要的实践指导意义;此外,将对利用拟南芥突变体植株研究植物修复和研究能将砷有效排出体外的品种,提供了研究方向。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 砷污染及其危害
• 1.1.1 自然界中的砷及砷污染
• 1.1.2 砷对植物的危害
• 1.1.3 砷对动物、人体的危害
• 1.2 生物体砷解毒机制及其应用
• 1.2.1 生物体砷解毒机制
• 1.2.2 生物体砷解毒机制的应用
• 1.3 本课题研究的目的、意义和内容
• 1.3.1 本课题研究的目的、意义
• 1.3.2 本课题研究的内容、技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 水稻短根突变体与野生型砷吸收转运的差异
• 2.1.1 植物材料及培养方法
• 2.1.2 磷、砷处理
• 2.1.3 植物样品的制备和分析
• 2.1.4 系数计算
• 2.1.5 统计方法
• 2.2 拟南芥ACR2 突变体与野生型砷吸收和转运的差异
• 2.2.1 植物材料及培养方法
• 2.2.2 加砷处理
• 2.2.3 植物样品的制备
• 2.2.4 砷酸盐还原酶活性的分析
• 2.2.5 砷、磷含量的测定与分析
• 2.2.6 地上部砷形态分析
• 2.2.7 统计方法
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻短根突变体与野生型砷吸收转运的差异
• 3.1.1 水稻根系形态、生物量及根冠比
• 3.1.2 短根突变体与野生型体内砷含量的变化
• 3.1.3 根系砷吸收能力
• 3.1.4 转运系数
• 3.2 拟南芥ACR2 突变体与野生型砷吸收和转运的差异
• 3.2.1 砷对拟南芥突变体和野生型生长的影响
• 3.2.2 砷对拟南芥体内砷酸盐还原酶活性的影响
• 3.2.3 砷处理下拟南芥体内砷含量
• 3.2.4 砷处理下拟南芥体内磷含量
• 3.2.5 砷的转运系数
• 3.2.6 砷处理下拟南芥地上部砷形态
• 4 讨论
• 4.1 水稻短根突变体与野生型砷吸收转运的差异
• 4.2 拟南芥ACR2 突变体与野生型砷吸收和转运的差异
• 5 结论
• 5.1 水稻短根突变体与野生型砷吸收转运的差异
• 5.2 拟南芥ACR2 突变体与野生型砷吸收和转运的差异
• 5.3 小结
• 5.4 问题与展望
• 5.5 本研究的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文的目录