稀土元素铈(Ce)和钇(Y)在紫背浮萍体内的分子定位及其毒理学效应研究

摘要

本文以水生植物紫背浮萍（Spirodela polyrrhiza）为试验对象，研究了经不同浓度（0，10，20，40和60μmol·L-1）的轻稀土铈(Ce)和重稀土钇(Y)处理15天后，研究稀土元素Ce和Y在紫背浮萍体内的富集、分布、生理生化效应及作用的靶位点。从而进一步探究在稀土胁迫下植物体内所采取的适应策略，同时也为植物的抗性机理研究提供一定的理论依据。
　　1本文使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)分析Ce和Y在紫背浮萍中的分布及离子组学的变化。在本实验中得到以下结论:(1) Ce和Y在紫背浮萍中主要结合在纤维素和果胶中，但各组份中含量不同。Ce处理组，纤维素和果胶(83-85％)＞粗蛋白(8-12％)＞粗多糖(4-6％)＞粗脂肪(1％);Y处理组，纤维素和果胶(60-80％)＞粗蛋白(11-24％)＞粗多糖(8-14％)＞粗脂肪(1-2％)。(2) Ce和Y处理紫背浮萍后，其离子组学也发生了一定的变化。Ce处理组:Ca、K和Cu的含量表现出先升高再降低的趋势，最高浓度组的含量分别为对照组的83％、89％和86％; Mg、P、S、Mn呈先降再升趋势，最高浓度组含量均高于对照组。Y处理组:Ca、K、P和S的含量呈先升再降的趋势，但Ca和P的最高浓度组仍高于对照组，最高浓度组分别是对照组的114％和115％; Mg的含量呈先降再升的趋势，但最高浓度组仍低于对照组;Cu、Zn和B呈上升的趋势，其最高浓度组的含量分别是对照组的268％、213％和164％。
　　2本文利用扫描仪（Epson Perfection V700）分析紫背浮萍形态学的变化。叶片损伤百分比(PLAD)结果显示，随着稀土Ce和Y浓度的增加，叶片损伤程度不断增加，对照组损伤比例为3％，而最高浓度组损伤比例均达到77％，二者无显著差异。Ce和Y处理使紫背浮萍的相对生长量降低，最高浓度组的相对生长量分别是对照组的36％和27％。同时细胞死亡也加重，最高浓度组分别是对照组的1.3和1.4倍。
　　3本文利用气相色谱/质谱联用仪研究脂肪酸含量及组份的变化。研究结果表明，经稀土Ce和Y处理后，不饱和脂肪酸明显下降。最高浓度Ce处理组的棕桐油酸(16∶1)、油酸(18∶1)、亚油酸(18∶2)和亚麻酸(18∶3)分别是对照组的37％、98％、79％和60％;Y处理组分别是37％、98％、68％和52％。而饱和脂肪酸肉豆蔻酸(14∶0)含量上升，棕榈酸(16∶0)、硬脂酸(18∶0)含量下降。随着稀土Ce和Y浓度增加，MDA在紫背浮萍中逐渐积累，最高浓度组分别是对照组的2.3和2.9倍。Ce和Y对O2-产生速率和H2O2含量的影响相似，在最高浓度组达到峰值。Ce处理组分别比对照组提高了83％和47％，Y处理组分别提高了99％和46％。
　　4稀土Ce和Y处理紫背浮萍后，其体内超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性均下降，使活性氧清除能力降低。最高浓度的Ce和Y分别使SOD活性下降了82％和88％，CAT活性下降了25％和27％。而过氧化物酶(POD)活性被诱导升高，最高浓度组分别是对照组的1.5倍和1.9倍，由此可见外源稀土胁迫后POD在清除氧化物中发挥主导作用。可溶性蛋白含量随着外源稀土Ce和Y浓度的增加而显著下降，最高浓度组的可溶性蛋白含量分别为对照值的41％和25％。
　　5外源稀土Ce处理后，谷胱甘肽还原酶(GR)活性呈先降后升趋势，但是最高浓度组仍低于对照组，约为对照的89％。而Y处理后呈下降趋势，最高浓度组约为对照的44％。而抗坏血酸过氧化物酶(APx)活性都呈下降趋势，最高浓度组分别为对照组的51％和43％，表明清除活性氧的酶促能力随稀土Ce和Y浓度增加而下降。还原型谷光甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)含量增加，清除氧化物质的能力增强。最高浓度下GSH含量分别比对照增加了62％和36％，AsA则分别增加了24％和39％。
　　6经外源稀土Ce和Y处理后，紫背浮萍的光合能力也发生明显的变化。(1)叶绿素a、b和类胡萝卜素含量随着稀土Ce和Y浓度的升高迅速下降，均在最高浓度组达到最低值，分别为对照组的46％和40％(Chl a)、57％和49％(Chl b)、72％和57％(Car)。(2) Fv/Fm和Fv/Fo也呈下降的趋势，与对照相比，最高浓度组分别下降了11％和20％(Fv/Fm)、27％和49％(Fv/Fo)。而Fo/Fm分别升高了47％和84％。NPQ和qP随着外源稀土Ce浓度的增加而下降，最高浓度组分别是对照组的63％和28％，Y处理组也呈下降趋势，最高浓度组分别是对照组的57％和28％。(3)光合磷酸化和ATP含量变化相比较，ATP含量下降幅度比较大，与对照相比，Ce处理组分别下降了49％和72％，Y处理组分别下降了65％和84％。Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase活性变化幅度一致，Ce处理的最高浓度组分别是对照组的54％和45％，Y处理的分别是47％和40％。(4)观察叶绿体超微结构，在稀土Ce和Y处理组，稀土沉淀物以大小不等的颗粒状聚集在细胞壁上，而对照组则未看见。对照组叶绿体为椭圆形，双层被膜及类囊体结构清晰。但随着稀土浓度的升高，叶绿体结构出现不同程度的损伤。叶绿体体积逐渐膨大至双层膜破裂，基粒片层结构严重破坏，内容物质流失，最终导致叶绿体结构解体。但在高浓度组，Y处理后的叶绿体结构破坏程度比Ce处理的严重。(5) SDS-PAGE分离结果表明，随着外源稀土Ce和Y浓度增加，多肽组分逐渐降解。通过Western-blot分析，随着外源稀土浓度的增加，CP43和CP47逐渐降解，含量不断下降，而D1和D2蛋白在处理过程中并没有显著降解。

目录

声明

摘要

第一章 前言与综述

1 稀土元素简介

2 稀土污染及危害

3 稀土的植物学效应

3．1 亚细胞分布

3．2 生长发育

3．3 细胞膜结构和功能

3．4 光合作用

4 稀土元素的作用机理

5 稀土与植物抗逆性

5．1 紫外辐射

5．2 盐胁迫

5．3 酸雨胁迫

5．4 重金属胁迫

5．5 植物病害

第二章 外源稀土Ce和Y在紫背浮萍叶片内的分子定位及对保护系统和矿质元素吸收的影响

1 材料和方法

1．1 材料处理

1．2 叶片损伤分析

1．3 相对生长量

1．4 细胞死亡

1．5 赋存形态及离子元素含量测定

1．6 脂肪酸提取及测定

1．7 膜脂过氧化测定

1．8 超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定

1．9 过氧化物酶(POD)活性测定

1．10 过氧化氢酶(CAT)活性测定

1．11 超氧阴离子(O2·-)和过氧化氢(H2O2)含量的测定

1．12 可溶性蛋白含量的测定

1．13 谷胱甘肽还原酶(GR)活性和还原型谷光甘肽(CGSH)含量测定

1．14 抗坏血酸过氧化物酶(APx)活性和抗坏血酸(AsA)含量测定

2 结果与分析

2．1 叶片损伤分析

2．2 相对生长量

2．3 细胞死亡

2．4 赋存形态

2．5 营养元素含量

2．6 脂肪酸含量

2．7 MDA、O2·-和H2O2

2．8 SOD

2．9 POD

2．10 CAT

2．11 可溶性蛋白

2．12 GR与APx

2．13 GSH与AsA

3 讨论

第三章 外源稀土Ce和Y对紫背浮萍光合系统的影响

1 材料和方法

1．1 材料培养和处理

1．2 光合色素

1．3 叶绿素荧光参数

1．4 光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)

1．5 叶绿体悬浮液的制备和光合磷酸化

1．6 ATP含量和Ca2+-ATPase、Mg2+-ATPase活性

1．7 叶绿体超微结构的观察

1．8 部分蛋白Western-blot检测

2 结果与分析

2．1 光合色素

2．2 叶绿素荧光参数

2．3 光合磷酸化、ATP含量和ATP酶活性

2．4 叶绿体超微结构

2．5 叶绿体多肽组分

2．6 叶绿体类囊体膜蛋白

3 讨论

论文小结

附录

参考文献

在读期间发表的论文

致谢