一氧化氮对水稻幼苗镉毒害的缓解效应及其生理机制

摘要

重金属镉（cadmium，Cd）是最主要的环境污染物之一，它会严重影响农作物的产量和品质。Cd对水稻的污染具有隐蔽性和危险性，它可以通过食物链给人民健康带来风险和危害。一氧化氮(nitric oxide，NO)是近年来备受关注的信号分子，它在植物信号转导及抗逆过程中发挥着重要作用。目前有关NO缓解植物重金属毒害的研究越来越多，但NO缓解植物重金属毒害的生理和分子机制鲜为人知。探讨外源NO对水稻Cd毒害的影响具有重要的理论和实践指导意义。
　　 本研究以秀水63为试验材料，采用营养液培养的方法研究了外源NO对水稻Cd毒害的缓解作用，并从水稻生长、氧化胁迫、光合特性、矿质元素吸收、细胞超显微结构和蛋白组学等角度探讨了外源NO缓解水稻Cd毒害的生理及分子机制。主要研究结果如下:
　　 (1)低浓度NO供体硝普钠(sodium nitroprusside，SNP，≤0.2 mM)能够缓解Cd胁迫对水稻的毒害，而高浓度的SNP会抑制水稻的生长。0.005 mM SNP能够缓解0.1 mMCd胁迫对水稻的毒害作用;0.1 mM SNP能够缓解0.2 mM Cd胁迫对水稻的毒害作用。具体表现为:外源NO能够缓解Cd毒害对水稻株高、根长和干重的抑制作用。同时也反映出外源NO缓解水稻Cd毒害具有浓度效应。
　　 (2)外施NO能显著减少Cd诱导的膜脂过氧化程度和H2O2的含量，还能降低水稻植株SOD、POD、APX、GR活性和ASA的含量，促进CAT活性的升高和GSH的含量。表明NO通过调节水稻受到的氧化胁迫来缓解Cd对水稻的毒害作用。
　　 (3)外源NO能够增加Cd毒害下水稻叶片叶绿素的含量，提高叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、叶绿素最大荧光(Fm)、PSⅡ原初光能转换效率（Fv/Fm）、光合电子传递量子效率(ΦPSⅡ)，降低叶片胞间CO2浓度(Ci)，表明NO参与调节植物的光合作用，抑制Cd毒害对光系统损伤，降低热能耗散，缓解了Cd对水稻的毒害。
　　 (4)外源NO可以使Cd毒害下水稻叶片叶绿体基粒类囊体片层结构变得密集，淀粉粒增加，液泡变小，液泡中沉积更多的电子富集颗粒，水稻Cd中毒现象得到一定缓解。
　　 (5)外源NO降低了Cd毒害下水稻地上部Cd的含量，显著提高了水稻地上部Fe、Zn、Mn、Cu的含量以及根中K、Mg、Zn、Mn、Cu的含量，显著降低了根中Ca的含量。表明外源NO可能通过维持细胞质离子稳态平衡来缓解Cd对水稻生长发育的抑制作用。
　　 (6)外源NO处理的Cd毒害下水稻叶片和根中成功鉴定出41个蛋白质。其中，水稻叶片中磷酸甘油酸激酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、ATP合酶、NADP-苹果酸、氨甲基转移酶蛋白均下调表达;单脱氢抗坏血酸还原酶、磷酸甘油酸变位酶和铁氧还蛋白-亚硝酸盐还原酶上调表达。水稻根中5-甲基四氢叶酸-高半胱氨酸S-甲基转移酶、热激蛋白、ATP合酶和蔗糖-二磷酸尿核苷葡萄糖基转移酶蛋白表达上调;果糖激酶、异黄酮还原酶和半胱氨酸结合β裂解酶蛋白表达下调。表明，NO参与了水稻光合作用、碳代谢、氮代谢、能量代谢、氧化胁迫、信号转导和细胞分裂等途径的调节。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 Cd对作物的影响

1．1 Cd对作物的毒害效应

1．2 作物对Cd的吸收、转运和积累

1．3 作物抗(耐)Cd毒害的主要机制

2 作物Cd毒害的缓解途径

2．1 植物生长调节物质对作物Cd毒害的影响

2．2 土壤改良剂对作物Cd毒害的影响

2．3 NO对作物Cd毒害的缓解作用

3 NO在作物中的作用

3．1 作物体内NO的来源

3．2 作物体内NO的生理功能

3．3 作物体内参与的信号转导途径

4 蛋白质组学分析NO对作物Cd毒害的缓解效应

5 本研究的目的意义和主要研究内容

5．1 本研究的目的和意义

5．2 本研究的主要内容

5．3 技术路线

参考文献

第二章 NO对Cd毒害下水稻幼苗生长及矿质元素吸收的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 外源NO对Cd毒害下水稻幼苗生长的影响

2．2 外源NO对水稻体内Cd和矿质元素含量的影响

3 讨论

参考文献

第三章 NO对Cd毒害下水稻活性氧代谢的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 外源NO对Cd毒害下水稻活性氧和膜脂过氧化的影响

2．2 外源NO对Cd毒害下水稻体内SOD、POD和CAT活性的影响

2．3 外源NO对Cd毒害下水稻体内ASA-GSH循环相关物质和酶类活性的影响

3 讨论

参考文献

第四章 NO对Cd毒害下水稻幼苗光合特性及细胞超微结构的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 外源NO对Cd毒害下水稻叶片叶绿素含量的影响

2．2 外源NO对Cd毒害下水稻光合、荧光参数的影响

2．3 外源NO对Cd毒害下水稻细胞超微结构的影响

3 讨论

参考文献

第五章 NO缓解水稻Cd毒害的蛋白质组学研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

2 结果与分析

2．1 外源NO对Cd毒害下水稻叶片差异蛋白的影响

2．2 外源NO对Cd毒害下水稻根系差异蛋白的影响

3 讨论

3．1 水稻叶片中NO响应差异表达蛋白

3．2 水稻根系中NO响应差异表达蛋白

参考文献

第六章 全文讨论与结论

1 讨论

1．1 外源NO调节活性氧代谢，减轻Cd引起的水稻氧化胁迫

1．2 外源NO保护叶绿体膜的完整性，减轻Cd毒害对光合机构的伤害

1．3 外源NO维持水稻对矿质营养元素吸收的平衡

1．4 外源NO调控相关代谢的蛋白表达

2 主要结论

3 主要创新点

4 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表和投稿的学术论文

致谢