水生植物对Hg2+、Cu2+、Ni2+胁迫的反应机理研究

论文摘要

重金属是全球环境最重要的污染物之一,毒性强,难缓解,不仅能通过活性氧和矿质营养胁迫等的中介作用,导致植物氧化伤害、代谢紊乱、乃至死亡,并且能通过食物链危害人类身体健康。因此,研究植物重金属伤害及其抗性机理,已经成为有关环境和人类健康的重要问题。本文以分布广泛的沉水植物——菹草和竹叶眼子菜、浮水植物——水鳖和槐叶苹为研究对象,以植物非必需金属元素——Hg2+、兼具营养及毒性的金属元素——Cu2+、植物必需金属元素——Ni2+为胁迫因子,将水生植物培养在人工模拟的分别含有这三种典型重金属的污水中,系统研究了重金属对高等水生植物逆境胁迫的耐受机理。研究结果表明:（1）不同Hg2+浓度(0、1、3、5、7 mg·L-1)胁迫下,菹草叶片内叶绿素含量和可溶性蛋白含量逐渐下降,丙二醛（MDA）含量和游离脯氨酸（Pro）含量逐渐上升,谷胱甘肽（GSH）含量则先升后降。SDS-PAGE蛋白电泳图的条带随Hg2+浓度增加而逐渐减少,亮度也随之减弱,并且在5 mg·L-1和7 mg·L-1Hg2+时导致了分子量为83600和51300多肽明显丢失,导致了Hg2+在菹草叶细胞中大量积累,促进对Ca2+、Fe3+、Mg2+、Zn2+的吸收,降低对大量元素P、K+的吸收。Hg2+处理打破了细胞中各营养元素固有的平衡。Hg2+对菹草的致死浓度范围应在1～3 mg·L-1。（2）不同Cu2+浓度(0、2、4、6、8 mg·L-1)胁迫下,Cu2+对水鳖的矿质营养吸收产生了影响,主要是促进对Ca2+、Fe3+、Mg2+、Zn2+的吸收,降低对Mn2+、P、K+的吸收;超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈下降趋势,过氧化物酶（POD）的活性呈上升趋势,过氧化氢酶（CAT）活性仅略有上升。同工酶酶谱分析显示,随着Cu2+浓度的增加,SOD谱带数和表达量均减少。POD谱带数由少逐渐增多,由4带增加到7带,表达量也呈现上升趋势。CAT酶谱带数无明显变化,表达量略存在差异。Cu2+对水鳖的致死浓度范围在2～4 mg·L-1。（3）不同Cu2+浓度(0、2、4、6、8 mg·L-1)胁迫下,竹叶眼子菜的总叶绿素、类胡萝卜素和可溶性蛋白含量逐渐下降;SOD、POD变化呈逐渐下降,而CAT则呈先升后降趋势。O2-产生速率、H2O2、MDA和可溶性糖含量均呈上升趋势。SDS-PAGE蛋白电泳图显示,胁迫导致了分子量为60900、18800、15700、22300和30000多肽的表达量减少或消失。Cu2+对叶片细胞器的超微结构也造成严重损伤,特别是叶绿体,线粒体和细胞核。Cu2+对竹叶眼子菜的致死浓度范围在2～4 mg·L-1。（4）不同Ni2+浓度(0、5、10、15、20 mg·L-1)胁迫下,Ni2+对槐叶苹叶片的矿质营养元素吸收的影响,主要是促进对Ca2+、Na+、Zn2+、Fe3+、Mg2+的吸收,降低对Mn2+、Mo2+、P、K+的吸收;叶绿素,类胡萝卜素,可溶性蛋白和可溶性糖含量以及SOD,CAT活性逐渐下降。POD、O2、H2O2和MDA含量逐渐上升。SDS-PAGE蛋白电泳图显示,胁迫导致了相对分子质量小于17200的多肽增加,诱导了94000多肽的出现和35000多肽蛋白条带表达量加强。综上所述,重金属对水生植物的胁迫是非常复杂的,其胁迫效应与金属种类有关,也与金属离子的浓度有关。同时,重金属对水生植物的胁迫并不是破坏某一种酶或某一种物质的含量,而是对水生植物整个的生理生化反应和细胞结构造成整体伤害。

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ABSTRACT

第一章前言与综述

1 植物体内重金属的分布、积累和对矿质元素吸收的研究

1.1 重金属在植物体内的分布与积累

1.2 植物体对矿质元素的吸收

2 重金属对植物生长、形态结构和细胞结构的研究

2.1 重金属对植物生长、形态结构的影响

2.2 重金属对细胞结构的影响

3 重金属对植物生理生化代谢的影响研究

3.1 重金属对植物抗氧化系统的影响

3.2 重金属对植物光合作用

3.3 重金属对植物有机溶质累积的影响

3.4 重金属对植物诱导蛋白的影响

2+胁迫的反应机理研究'>第二章菹草对Hg²⁺胁迫的反应机理研究

1 材料与方法

1.1 植物材料

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

1.2.2 生理生化指标测定方法

1.2.2.1 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定

1.2.2.2 过氧化物酶（POD）活性的测定

1.2.2.3 过氧化氢酶（CAT）活性测定

2^-）产生速率的测定'>1.2.2.4 超氧阴离子自由基（O₂^-）产生速率的测定

1.2.2.5 还原型谷胱甘肽（GSH）含量的测定

1.2.2.6 脂质过氧化测定

1.2.2.7 叶绿素含量的测定

1.2.2.8 可溶性蛋白含量的测定

1.2.2.9 超微结构观察

1.2.3 统计分析

2 结果与分析

2.1 生理生化变化

2+对菹草营养元素吸收的影响'>2.1.1 Hg²⁺对菹草营养元素吸收的影响

2+对菹草叶片总叶绿素含量的影响'>2.1.2 Hg²⁺对菹草叶片总叶绿素含量的影响

2+对菹草叶片可溶性蛋白的影响'>2.1.3 Hg²⁺对菹草叶片可溶性蛋白的影响

2+对菹草叶片丙二醛（MDA）含量的影响'>2.1.4 Hg²⁺对菹草叶片丙二醛（MDA）含量的影响

2+对菹草叶片游离脯氨酸（Pro）含量的影响'>2.1.5 Hg²⁺对菹草叶片游离脯氨酸（Pro）含量的影响

2+对菹草叶片谷胱甘肽（GSH）含量的影响'>2.1.6 Hg²⁺对菹草叶片谷胱甘肽（GSH）含量的影响

2.2 菹草叶片超微结构变化

2.2.1 细胞核

2.2.2 叶绿体

3 讨论

2+胁迫的反应机理研究'>第三章水鳖对Cu²⁺胁迫的反应机理研究

1 材料与方法

1.1 植物材料

1.2 试验设计

1.3 酶活性的测定及同工酶分析

1.4 其他生理指标的测定

2 结果

2+胁迫对水鳖叶片吸收矿质元素的影响'>2.1 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片吸收矿质元素的影响

2+对水鳖叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响'>2.2 Cu²⁺对水鳖叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响

2+胁迫对水鳖叶片O₂^-、H₂O₂、GR和MDA的影响'>2.3 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片O₂^-、H₂O₂、GR和MDA的影响

2+胁迫对水鳖叶片保护酶活性的影响'>2.4 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片保护酶活性的影响

2+胁迫对水鳖叶片SOD活性和同工酶的影响'>2.4.1 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片SOD活性和同工酶的影响

2+胁迫对水鳖叶片POD活性和同工酶的影响'>2.4.2 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片POD活性和同工酶的影响

2+胁迫对水鳖叶片CAT活性和同工酶的影响'>2.4.3 Cu²⁺胁迫对水鳖叶片CAT活性和同工酶的影响

3 讨论

2+胁迫的反应机理研究'>第四章竹叶眼子菜对Cu²⁺胁迫的反应机理研究

1 材料与方法

1.1 植物材料

1.2 试验设计

1.3 酶液提取及生理指标的测定

1.4 其它生理指标的测定

1.5 超微结构观察

1.6 统计分析

2 结果

2+对竹叶眼子菜叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响'>2.1 Cu²⁺对竹叶眼子菜叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

2+对竹叶眼子菜叶片SOD、POD和CAT活性的影响'>2.2 Cu²⁺对竹叶眼子菜叶片SOD、POD和CAT活性的影响

2+对竹叶眼子菜叶片O₂^-产生速率、H₂O₂、MDA和可溶性糖含量的影响'>2.3 Cu²⁺对竹叶眼子菜叶片O₂^-产生速率、H₂O₂、MDA和可溶性糖含量的影响

2+对竹叶眼子菜叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响'>2.4 Cu²⁺对竹叶眼子菜叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响

2+对竹叶眼子菜叶肉细胞超微结构的影响'>2.5 Cu²⁺对竹叶眼子菜叶肉细胞超微结构的影响

3 讨论

2+胁迫的反应机理研究'>第五章槐叶苹对Ni²⁺胁迫的反应机理研究

1 材料与方法

1.1 植物材料

1.2 试验设计

1.3 生理指标测定

1.5 超微结构观察

1.6 统计分析

2 结果与分析

2+对槐叶苹叶片吸收矿质元素的影响'>2.1 Ni²⁺对槐叶苹叶片吸收矿质元素的影响

2+对槐叶苹叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响'>2.2 Ni²⁺对槐叶苹叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

2+对槐叶苹叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响'>2.3 Ni²⁺对槐叶苹叶片可溶性蛋白及其SDS-PAGE电泳的影响

2+对槐叶苹叶片SOD、POD和CAT活性的影响'>2.4 Ni²⁺对槐叶苹叶片SOD、POD和CAT活性的影响

2+对槐叶苹叶片O₂^-产生速率、H₂O₂、MDA和可溶性糖含量的影响'>2.5 Ni²⁺对槐叶苹叶片O₂^-产生速率、H₂O₂、MDA和可溶性糖含量的影响

2+对槐叶苹叶肉细胞超微结构的影响'>2.6 Ni²⁺对槐叶苹叶肉细胞超微结构的影响

3 讨论

论文小结

参考文献

附录1 缩写

附录2 硕士期间论文发表情况

致谢

水生植物对Hg2+、Cu2+、Ni2+胁迫的反应机理研究

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