外源NO对铜胁迫下番茄幼苗生理生化特性的影响

摘要

铜既是植物生长发育必需的微量营养元素，又是环境污染的重金属元素。植物正常生长对铜的需求量很少，但含铜杀菌剂、农药、污水灌溉、施用污泥和开矿等使土壤中铜含量过高，过量的铜就会对植物造成危害，甚至会通过食物链危害人体健康。NO是生物体中一种重要的氧化还原信号分子和毒性分子，它具有多种生理功能。近年来的研究表明，NO广泛存在于植物组织中，并参与植物呼吸作用、光形态建成、种子萌发、衰老、对胁迫的响应、细胞程序性死亡以及抗病防御反应等过程。但到目前为止，NO对铜胁迫作用机理还了解不多，特别在园艺作物上的研究报道甚少。本文以番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）品种‘中蔬4号’为材料，采用水培法，初步探讨了铜胁迫下NO处理对番茄幼苗生理生化特性的影响，为了解NO缓解铜胁迫的作用和指导铜毒害的治理提供理论依据。
　　 主要研究结果如下：
　　 1.外源NO供体硝普钠（SNP）处理能够缓解Cu胁迫对番茄幼苗造成的伤害，并且具有剂量效应，以300μmol·L-1SNP处理缓解500μmol·L-1Cu2+胁迫伤害的效果最好，显著提高了铜胁迫下番茄幼苗株高、茎粗、地上部鲜重、地下部鲜重、单株干、鲜重和根系活力；一氧化氮合酶（NOS）的抑制剂N-L-精氨酸（L-NAME）抑制了内源NO的效应；铁氰化钠（SF）处理加剧了Cu胁迫对番茄幼苗的伤害，显著降低了幼苗的生长量和根系活力。
　　 2.Cu胁迫下番茄幼苗细胞壁和可溶性组分中Cu的含量最高，可能是番茄通过细胞壁固持和液泡区隔化提高植株对Cu胁迫的耐性。Cu胁迫下添加外源NO降低了番茄幼苗根、茎、叶中Cu的累积，显著减轻茎、叶中Fe、Mg含量的下降，从而维持了植物体内矿质元素代谢平衡。L-NAME处理加重了Cu胁迫下番茄根、茎、叶中Cu的累积和Fe、Mg含量的下降。
　　 3.Cu胁迫下添加外源NO有助于维持番茄叶片较高的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量，提高了叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr），降低了胞间CO2浓度（Ci），维持了番茄较高的光合速率。L-NAME和SF处理降低了Cu胁迫下番茄叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量及Pn、Gs和Tr。
　　 4.外源NO提高了Cu胁迫下番茄幼苗叶片的最大荧光（Fm）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）、最大光化学量子产量（Fv/Fm）和PSⅡ的实际光化学效率（φPSⅡ），明显降低初始荧光（Fo），缓解了铜胁迫对PSⅡ反应中心的伤害。外源NO还抑制了光化学猝灭系数（qP）和电子传递速率（ETR）的下降，非光化学猝灭系数（NPQ）的增加，从而使铜胁迫下番茄幼苗的光合效率升高。SF和L-NAME处理加剧了铜胁迫对PSⅡ反应中心的伤害，使铜胁迫下光合电子传递速率降低，光合效率下降，光合能力降低。
　　 5.Cu胁迫下，番茄幼苗叶片H2O2和丙二醛（MDA）含量显著升高，引起膜脂过氧化，膜透性增大。外源NO显著提高了Cu胁迫下番茄幼苗叶片保护酶POD、SOD、CAT、APX的活性，提高了植株清除活性氧的能力，降低了铜胁迫下幼苗体内H2O2和MDA含量。NOS抑制剂L-NAME抑制了部分内源NO的缓解效应。SF处理加剧了铜胁迫的伤害。
　　 6.外源NO显著提高了Cu胁迫下番茄叶片POD、SOD、CAT、APX编码基因mRNA的表达量，诱导同工酶Cu、Zn-SOD和CAT1、CAT2的表达，提高了植株抵御Cu毒害的能力。L-NAME处理消除了内源NO的调节作用，抑制了转录水平上编码抗氧化物酶基因的表达，加重了Cu对植株的毒害。
　　 7.利用Northern杂交研究表明NO诱导了MT基因的表达，构建了瞬时表达载体IL-60-BS-MT，转化农杆菌LBA4404侵染番茄。Cu+SNP处理转基因的植株，与非转基因株系相比，SNP对铜毒害的缓解作用减弱。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

1 前言

1.1 铜毒害研究进展

1.1.1 土壤环境铜污染的现状及形成原因

1.1.2 铜胁迫对植物生长和生理特性的影响

1.1.3 铜胁迫对植物伤害的机理

1.1.4 植物对铜毒害的抗性

1.1.5 植物Cu毒害的治理

1.2 植物NO研究进展

1.2.1 NO的发现

1.2.2 植物体内NO的来源

1.2.3 NO在植物体内的信号转导途径

1.2.4 NO在植物体内的生理效应

1.3 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2.1 试验材料及处理

2.1.1 植物材料

2.1.2 试验处理

2.2 测定方法

2.2.1 干鲜重的测定

2.2.2 保护酶活性的测定

2.2.3 根系活力的测定

2.2.4 光合色素含量的测定

2.2.5 叶绿素荧光参数的测定

2.2.6 光合参数的测定

2.2.7 亚细胞分布测定

2.2.8 H2O2含量的测定

2.2.9 植物材料转录水平mRNA的表达分析

2.2.10 番茄瞬时表达载体的构建与转化

3 结果与分析

3.1 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗生长特性的影响

3.1.1 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗株高的影响

3.1.2 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗茎粗的影响

3.1.3 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗地上部鲜重的影响

3.1.4 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗地下部鲜重的影响

3.1.5 NO对铜胁迫下番茄幼苗株高的影响

3.1.6 NO对铜胁迫下番茄幼苗茎粗的影响

3.1.7 NO对铜胁迫下番茄幼苗地上部鲜重的影响

3.1.8 NO对铜胁迫下番茄幼苗地下部鲜重的影响

3.1.10 NO对铜胁迫下番茄幼苗根系活力的影响

3.2 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗Cu、Fe、Mg离子吸收及分布特性的影响

3.2.1 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Cu含量的影响

3.2.2 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Cu亚细胞分布的影响

3.2.3 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Fe含量的影响

3.2.4 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Fe亚细胞分布的影响

3.2.5 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Mg含量的影响

3.2.6 外源NO对Cu胁迫下番茄不同器官Mg亚细胞分布的影响

3.3 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗光合作用的影响

3.3.1 外源NO对Cu胁迫下番茄幼苗光合色素含量的影响

3.3.2 外源NO对Cu胁迫下番茄幼苗光合参数的影响

3.3.3 外源NO对Cu胁迫下番茄幼苗荧光参数的影响

3.4 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗活性氧和清除系统的影响

3.4.1 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗H2O2含量的影响

3.4.2 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗MDA含量的影响

3.4.3 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗抗氧化系统的影响

3.4.4 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗金属硫蛋白（MT）基因表达的影响

3.4.5 NO对番茄幼苗铜胁迫的缓解途径

4 讨论

4.1 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗生长的影响

4.2 外源NO对铜胁迫下番茄叶片Cu、Fe、Mg含量及亚细胞分布的影响

4.3 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗光合作用的影响

4.4 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗荧光参数的影响

4.5 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗活性氧及清除系统的影响

4.5.1 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗活性氧的影响

4.5.2 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗抗氧化物酶活性的影响

4.5.3 外源NO对铜胁迫下番茄幼苗抗氧化物酶编码基因mRNA表达的影响..67

4.5.4 外源NO对铜胁迫番茄幼苗金属硫蛋白编码基因表达的影响

5 结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间文章发表情况