外源水杨酸对路易斯安娜鸢尾(Iris hexagona W.)镉吸收、积累和抗性的影响

摘要

路易斯安娜鸢尾(Iris hexagona W.)是20世纪80年代末从国外引进的具有良好推广前景的水生观赏植物，具有积累重金属和观赏的双重价值，是一种较为理想的植物修复材料。本文在探明路易斯安娜鸢尾吸收、积累和耐受Cd能力的基础上，通过外源SA预处理和SA同时处理两种方式，研究了外源SA提高路易斯安娜鸢尾Cd抗性的作用，不仅为SA对Cd毒害缓解机制提供了理论参考，也为生产栽培上进一步提高路易斯安娜鸢尾的抗Cd能力提供实践应用方法。
　　采用溶液培养，研究了10、100、500μM Cd浓度处理对路易斯安娜鸢尾生长形态、叶绿素含量、光合参数、Cd含量、抗氧化酶活性以及细胞结构等指标的影响。结果表明:低浓度10μM Cd处理对路易斯安娜鸢尾生长无明显影响，随着Cd胁迫浓度上升，根叶干重和根长显著降低，叶绿素和光合速率显著下降。100μM Cd处理时叶内POD、SOD活性显著上升(P＜0.05)，但在500μM Cd处理时叶内SOD、POD活性下降。100μM Cd和500μM Cd处理时CAT活性均下降，MAD含量均上升。叶、基部茎节和根中Cd含量均随着Cd处理浓度的增加而增加，基部茎节和根的Cd积累量明显高于叶。10μM Cd处理14天后，根部Cd含量达到147.67μg g-1干重。经Cd胁迫后，叶的N含量明显下降，叶、基部茎节和根中的K相对含量也显著下降，而P、S相对含量上升。以上结果说明，路易斯安娜鸢尾对低浓度Cd具有较强的抗性和吸收、积累能力，并且基部茎节和根是主要积累部位。Cd胁迫不仅影响了N、S、P代谢，还对K的吸收产生重要影响。100μM Cd处理时路易斯安娜鸢尾表现毒害症状，但体内抗氧化系统作用明显，仍具有较强的抗性，500μM Cd处理时路易斯安娜鸢尾叶片萎蔫，根系大量死亡，细胞结构严重破坏，超出其生理抗性范围。
　　在以上研究的基础上，本文通过外源SA预处理和SA同时处理两种方式，研究了在Cd胁迫条件下，外源SA对路易斯安娜鸢尾生长的影响。结果表明:与单独100μMCd处理相比，SA预处理后，路易斯安娜鸢尾根的生长状态、干重、根系活力得到明显提高，在500μMCd处理时，叶的干重、叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度才得到明显提高。说明SA预处理可以缓解Cd的毒害，而且根对毒害缓解作用反应比较敏感。另外，SA预处理后，与同一浓度单独Cd处理相比，Cd含量无明显变化，而能适当促进N、S、P的吸收，说明SA预处理对其生长的缓解作用不是通过减少Cd的吸收量，而是调节了离子吸收，增强了对Cd的抗性。经SA预处理后，根叶内CAT、SOD、POD、APX活性及Pro含量显著上升(P＜0.05)，而MDA含量降低。同时，叶肉细胞超微结构明显改善，根尖细胞出现了很多的小裳泡，部分囊泡内包裹高电子密度颗粒。以上结果说明，SA预处理后路易斯安娜鸢尾体内抗氧化酶活性提高，降低了脂类过氧化，保持生物膜的稳定性，减轻了细胞结构伤害。叶绿体结构的改善是SA预处理后光合上升的重要原因，囊泡增多并在其内沉积颗粒是植物SA缓解重金属毒害的重要机制之一。
　　SA同时处理后，在100μM Cd和500μMCd处理时叶的干重、叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度均比同一浓度单独Cd处理时低，而根的生长状态、干重、根系活力均明显提高。说明根与叶对SA同时处理的反应差异较大，培养液中SA的存在加剧了Cd对光合作用的抑制。SA同时处理降低了叶内N含量，Cd、P、S相对含量上升，K相对含量则显著下降，说明SA同时处理增加了植株Cd的吸收，同时进一步抑制了N、K的吸收。这可能是SA同时处理后地上部光合下降、生长受抑的原因之一。经SA同时处理后，CAT、SOD、POD、APX活性均比同一浓度单独Cd处理也有所提高，而MDA含量降低，说明SA同时处理也具有激活路易斯安娜鸢尾体内抗氧化系统的作用，但效果不如SA预处理显著，该结果与SA同时处理后根叶细胞结构改善程度较低相一致。
　　在确定SA预处理可以较好缓解Cd毒害基础上，我们进一步研究了100μM Cd胁迫和SA预处理对路易斯安娜鸢尾叶片蛋白质组表达的影响。与对照相比，在100μM Cd胁迫下，路易斯安娜鸢尾叶片蛋白图谱差异显著，共有77个蛋白点的丰度超过1.5倍差异表达，其中上调39个，下调28个，新增10个。先经1μM SA预处理后再经100μMCd处理，与对照相比仅有18个蛋白点差异表达。以上结果表明，SA预处理可以显著提高路易斯安娜鸢尾与对照的2-DE蛋白质点匹配率，进一步证实SA预处理可以显著减少Cd胁迫引起的蛋白差异表达而缓解了Cd毒害。3种处理的102个蛋白表达差异点，经MALDI-TOF-MS质谱鉴定，共得到了54个与外源SA及Cd处理的相关蛋白。这些蛋白参与了光合作用、能量与物质代谢、解毒与抗氧化作用、氨基酸及蛋白质代谢等生理过程，其中抗坏血酸过氧化物酶和热激蛋白70同源物在SA缓解Cd毒害中发挥了重要作用。
　　上述研究表明，路易斯安娜鸢尾对100μM以内Cd胁迫具有较强抗逆性，对一般水体中Cd污染具有较强的抵抗和吸收能力，是一种具有观赏和富集Cd双重功能的水生花卉。SA根系预处理能较好地缓解Cd对路易斯安娜鸢尾的毒害，其原因是多方面因素共同作用的结果。

目录

声明

摘要

缩略语

第一章 文献综述

1 植物的Cd毒害

1．1 影响生长发育和光合作用

1．2 影响水分代谢和矿质元素吸收

1．3 影响活性氧代谢和抗氧化系统

1．4 影响植物的细胞结构

2 水杨酸提高植物Cd抗性的作用

2．1 SA对植物生长的影响

2．2 SA对植物Cd毒害的缓解

2．3 SA提高植物Cd抗性的机理

3 植物Cd抗性的蛋白质机制

3．1 植物络合蛋白

3．2 Cd转运蛋白

3．3 蛋白质组响应

4 植物对Cd的富集和植物修复

4．1 植物对Cd的吸收、转运和积累

4．2 Cd的超积累植物

4．3 Cd污染的植物修复

5 鸢尾属植物对Cd等重金属的积累和抗性研究

6 本论文研究的主要内容和拟解决的问题

第二章 路易斯安娜鸢尾对重金属Cd的吸收、累积和生理抗性

1 材料与方法

1．1 植物材料

1．2 处理方法

1．3 主要生理指标测定方法

1．4 资料分析

2 结果与分析

2．1 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾生长的影响

2．2 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾Cd含量的影响

2．3 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾叶绿素含量的影响

2．4 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾光合参数的影响

2．5 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾CAT、POD、SOD活性和MDA含量的影响

2．6 不同浓度Cd对路易斯安娜鸢尾细胞结构的影响

3 讨论

第三章 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾生长发育和光合作用的影响

第一节 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾生长发育的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

第二节 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾光合作用的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

第四章 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾矿质元素吸收的影响

1 材料与方法

1．1 植物材料

1．2 处理方法

1．3 主要测定指标

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 SA对Cd含量的影响

2．2 SA对Cd胁迫下N含量的影响

2．3 SA对叶片Cd、P、K、S相对含量的影响

2．4 SA对基部茎节Cd、P、K、S相对含量的影响

2．5 SA对根表皮Cd、P、K、S相对含量的影响

2．6 SA对根皮层Cd、P、K、S相对含量的影响

2．7 SA对根维管柱Cd、P、K、S相对含量的影响

3 讨论

第五章 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾抗氧化酶活性和细胞超微结构的影响

第一节 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾抗氧化系统的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

第二节 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾叶绿体和根尖细胞超微结构的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

第六章 外源水杨酸对Cd胁迫下路易斯安娜鸢尾蛋白质组表达的影响

1 材料与方法

1．1 植物材料培养与处理

1．2 蛋白提取

1．3 双向电泳

1．4 染色

1．5 图像获得与分析

1．6 胶内酶解

1．7 质谱鉴定与数据检索

2 结果与分析

2．1 路易斯安娜鸢尾叶片总蛋白双向电泳分析

2．2 SA预处理与单独Cd处理路易斯安娜鸢尾叶片总蛋白双向电泳分析

2．3 路易斯安娜鸢尾叶片差异蛋白的质谱鉴定

3 讨论

全文总结与创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表(待发表)的研究论文

致谢