蜈蚣草植酸酶特性和抗氧化系统对砷胁迫的响应研究

论文摘要

砷是环境中优先控制的致癌污染物之一。蜈蚣草是世界首例被公认的砷超积累植物,能够大量吸收污染土壤中的砷。近年来,利用蜈蚣草修复土壤砷污染的技术广泛应用于环境修复领域,然而,有关砷超积累植物砷超积累和解砷毒机理还缺乏系统了解。本项目研究比较了砷胁迫条件下,以普通蕨类植物小叶井口边草（Pterisnervosa.）和禾本科植物玉米（Zea mays L.）为对照植物,研究了美国佛罗里达州的蜈蚣草（Pteris vittata L.（Chinese brake fern））和湖北省宜昌市的蜈蚣草Pteris vittataL.（Chinese brake fern）抗氧化系统对砷胁迫的响应,以及植酸酶的酶学性质、同工酶的变化差异。主要研究结果如下:1.砷超积累植物蜈蚣草具有很强的累积砷的能力。本实验条件下,砷处理10天后美国蜈蚣草和宜昌蜈蚣草砷浓度分别达678.408 mg/kg和786.044mg/kg,比小叶井口边草（114.715mg/kg）和玉米（89.116mg/kg）的最高砷浓度高5.91-8.82倍。可以认为,2种蜈蚣草都属于砷的超积累植物基因型。2.在砷胁迫条件下,砷超积累植物拥有更强的抗砷胁迫能力。砷处理提高4种供试植物体内SOD酶的活性,但以砷超积累植物蜈蚣草的酶活性增加最高,达41.61%,最低值则是玉米,只有11.87%;另外,砷胁迫下,蜈蚣草的CAT、AsA-POD和POD酶活性分别比对照增加100.18%、133.33%和224.51%。4种植物以玉米MDA含量增幅最大,达126.31%,其次是蜈蚣草,增加38.06%,小叶井口边草MDA含量没有出现明显变化。此外,2种蜈蚣草GSH含量与对照相提高75.88%,而小叶井口边草和玉米GSH含量并没有出现显著增加。3.供试4种植物植酸酶都是酸性磷酸酶。植酸酶最适pH值5.0,最适温度40℃。值得注意的是蜈蚣草植酸酶在40℃-70℃时,仍然保持100%的酶活性,在80℃时,酶活性仍有73.22%,结果说明,蜈蚣草植酸酶具有较高的热稳定性。据我们所知,这是首次在植物中发现高稳定性的植酸酶。2种蜈蚣草植酸钠最适底物浓度为1mmol/L,而小叶井口边草和玉米植酸钠最适底物浓度为2mmol/L,表明蜈蚣草对底物的亲和性较高。4.在离体情况下,添加重金属Pb、Cd、As（Ⅲ）、As（Ⅴ）都显著抑制植酸酶活性,抑制百分比为41.20%-96.10%,其中以As（Ⅴ）抑制最强,As（Ⅲ）最弱。不同植物来源的植酸酶对重金属抑制的反应有明显差别,其中玉米的抑制作用最明显,植酸酶分别降低90.58%、90.65%和92.19%。小叶井口边草其次,下降值分别为70.28%、65.27%、54.99%,对美国蜈蚣草和宜昌蜈蚣草的抑制作用介于41.20%-53.33%之间。5.砷处理2种蜈蚣草并没有获得预期的同工酶谱带,但在小叶井口边草和玉米上取得成功。实验发现,在本实验条件下,砷胁迫没有产生新的同工酶谱,但砷胁迫提高了同工酶谱带的强度,表明砷胁迫提高了植物植酸酶的表达。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1 前言
• 2 植物对砷胁迫的反应及机理
• 2.1 植物对砷的吸收与分配
• 2.2 植物解砷毒的机理
• 2.2.1 植物磷营养与抗砷性
• 2.2.2 砷的还原与解砷毒
• 2.2.3 根系分泌物与砷胁迫反应
• 2.2.4 砷的络合作用与解砷毒
• 2.2.5 砷处理诱发抗氧化反应
• 3 植酸酶及其应用研究
• 3.1 植酸酶的分类和酶学特征
• 3.1.1 分类
• 3.1.2 植酸酶的酶学性质
• 3.1.3 植酸酶在植物体内的分布
• 3.2 植物酸的生理功能
• 3.2.1 在磷素吸收及植物细胞中的作用
• 3.2.2 抗胁迫反应
• 3.3 植酸酶的应用研究
• 3.3.1 在饲料工业中的应用
• 3.3.2 在食品工业中的应用
• 3.3.3 在环境保护中的应用
• 3.3.4 植酸酶的应用前景
• 4 本项目的研究目的、研究内容和意义
• 第二章 植物抗氧化酶系统对砷胁迫的响应
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 供试植物
• 2.2 供试植物的繁殖与培育
• 2.2.1 美国蜈蚣草培养
• 2.2.2 湖北宜昌蜈蚣草和武汉小叶井口边草移植培养
• 2.2.3 玉米培养
• 2.3 供试土壤
• 2.4 试验处理
• 2.5 酶的分析方法
• 2.5.1 酶液的提取
• 2.5.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性测定
• 2.5.3 过氧化物酶（CAT）和过氧化氢酶（POD）活性测定
• 2.5.4 抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性的测定
• 2.5.5 丙二醛（MDA）含量的测定
• 2.5.6 还原型谷胱甘肽（GSH）含量的测定
• 2.6 砷的测定
• 3 结果与分析
• 3.1 砷对抗氧化酶的影响
• 3.1.1 超氧化物歧化酶（SOD）
• 3.1.2 过氧化物酶（CAT）
• 3.1.3 过氧化氢酶（POD）
• 3.1.4 抗坏血酸过氧化物酶（AsA-POD）
• 3.2 砷对非酶类抗胁迫指示物质影响
• 3.2.1 丙二醛（MDA）
• 3.2.2 还原型谷胱甘肽（GSH）
• 3.3 砷胁迫下四种植物对砷的吸收
• 4 讨论
• 5 结论
• 第三章 植酸酶的酶学性质及对砷胁迫的响应
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 植酸酶的提取、纯化和测定
• 2.2.2 蛋白质浓度测定
• 2.3 植酸酶的酶学性质研究
• 2.3.1 pH对植酸酶活性影响
• 2.3.2 温度对植酸酶活性影响
• 2.3.3 不同反应时间对植酸酶活性影响
• 2.3.4 不同底物浓度对植酸酶活性影响
• 2.3.5 植酸酶的热稳定性
• 2.3.6 砷胁迫处理对植株植酸酶活性的影响
• 2.3.7 重金属胁迫对离体植酸酶活性的影响
• 2.4 同工酶测定
• 2.4.1 样品制备
• 2.4.2 植酸酶同工酶的研究方法
• 3 结果和分析
• 3.1 植酸酶的酶学性质
• 3.1.1 不同植物的植酸酶活性比较
• 3.1.2 pH对植酸酶活性影响
• 3.1.3 温度对植酸酶活性影响
• 3.1.4 不同反应时间对植酸酶活性影响
• 3.1.5 不同底物浓度对植酸酶活性影响
• 3.1.6 植酸酶的热稳定性
• 3.1.7 砷胁迫处理活体植株后植酸酶的活性
• 3.1.8 重金属对离体植酸酶活性的影响
• 3.2 砷胁迫植酸酶同工酶的变化
• 4 讨论
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献