葡萄根系和叶片对氯化镉处理的生理学与细胞学响应

摘要

以葡萄当年生扦插苗为试材，通过水培和盆栽试验，研究了镉在葡萄根、茎和叶中的分布，比较了20个葡萄品种对镉的富集与迁移，分析了氯化镉(CdCl2)处理下葡萄根系活力、丙二醛含量、根系与叶片质膜ATPase活性和线粒体特性的变化以及活性氧和一氧化氮(NO)生成等的变化规律；同时，利用流式细胞仪、吖啶橙荧光染色和类caspase3/7活性检测与分析等技术，研究了氯化镉处理下葡萄根系细胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)，探讨了外源水杨酸和氯化钙对葡萄根系镉伤害的缓解作用。结果表明： 1.镉在葡萄根、茎、叶中的分布与累积存在明显差异，但总体呈现根>叶>茎的规律。20个葡萄品种对镉的富集及镉由根系向叶片的迁移存在明显差异。镉在根系的富集系数在39.18％～135.76％(其中紫珍香最高，维多利亚最低)、在茎的富集系数在2.55％～14.32％(其中红地球最高，玫瑰香最低)、在叶片的富集系数在12.06％～54.61％之间(其中红地球最高，克瑞森无核最低)；镉由根系向叶片的迁移系数(叶/根)在0.16～1.12之间(其中早艳最高，紫珍香最低)。 20个葡萄品种对镉的吸收总量由大到小的顺序是：巨峰>紫珍香>红地球>玫瑰香>矢富罗莎>红宝石无核>泽香>奥迪亚无核>美人指>瑰宝>克瑞森无核>乍娜>森田尼无核>早艳>皇家秋天>早黑宝>黄金指>达米娜>龙眼>维多利亚。 2.在0～1mmol·L-1浓度范围内，随着氯化镉处理浓度的增加，泽香葡萄根系活力、根系和叶片NO含量、一氧化氮合酶(NOS)活性、Ca2+-ATPase活性先升高后降低，O2-·产生速率、H2O2含量、丙二醛含量逐渐升高，质膜H+-ATPase活性逐渐降低。其中氯化镉浓度在0.1mmol·L-1时，葡萄根系活力、质膜Ca2+ATPase活性显著提高；在0.5mmol·L-1和1 mmol·L-1时质膜ATPase活性、NOS活性、根系活力和NO含量显著下降。 3.用0.5 mmol·L-1氯化镉处理乍娜、玫瑰香、达米娜、瑰宝、泽香、红地球、巨峰、奥迪亚无核、皇家秋天等9个葡萄品种，它们的根系活力和质膜ATPase活性均降低，根系O2-·产生速率和H2O2含量、丙二醛含量均升高，除奥迪亚无核外NO含量和NOS活性均升高。巨峰葡萄根系活力比其他品种更易受到氯化镉影响，奥迪亚无核葡萄根系活力最不敏感，受氯化镉影响最小；9个品种根系活力下降幅度由大到小的顺序是：巨峰>皇家秋天>玫瑰香>瑰宝>红地球>乍娜>达米娜>泽香>奥迪亚无核。 4.在0～1mmol·L-1浓度范围内，随着氯化镉处理浓度的增加，泽香葡萄根系线粒体膜通透性(MPT)增大、膜电位(△ψm)下降、H2O2含量逐渐升高、细胞色素C(cytochrome c，Cyt c)含量逐渐下降。流式细胞仪检测结果表明，随着氯化镉处理浓度升高根系细胞凋亡率提高。细胞程序性死亡关键酶类caspase3/7的活性也随着CdCl2浓度的增加而提高，研究表明：0.5mmol·L-1和1.0mmol·L-1的氯化镉明显诱导泽香葡萄根系发生细胞程序性死亡，吖啶橙染色检测结果也证实了这一点。 5.泽香、龙眼、玫瑰香和巨峰4个葡萄品种一年生扦插苗经0.5mmol·L-1氯化镉处理后，根系、叶片线粒体H2O2含量升高，MPTP开放程度增大，△ψm降低，Cyt c含量下降，根系活力明显降低，类caspase3/7的活性显著提高。其中，根系线粒体H2O2含量和Cyt c含量由高到低的顺序为：巨峰>泽香>玫瑰香>龙眼；根系活力、MPTP和△ψm由高到低的顺序为：龙眼>玫瑰香>泽香>巨峰；细胞凋亡率由高到低为：巨峰>泽香>玫瑰香>龙眼。表明巨峰葡萄根系比其他品种更易受到氯化镉的伤害而发生细胞程序性死亡。 6.较低浓度(10μmol·L-1和50μmol·L-1)水杨酸预处理显著降低了1.0mmol·L-1氯化镉处理下泽香葡萄根系O2-·、H2O2和NO的生成，阻止了根系活力和质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性下降；而较高浓度(100μmol·L-1和200μmol·L-1)水杨酸促进了氯化镉处理下自由基的生成，进一步降低了根系活力和质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性，表明低浓度水杨酸可通过降低自由基而减轻氯化镉对葡萄根系功能的损伤，而高浓度水杨酸则会加重氯化镉的伤害。 7.较低浓度(1mmol·L-1和5mmol·L-1)氯化钙显著降低了1.0mmol·L-1氯化镉处理下泽香葡萄根系O2-·、H2O2和NO的生成，阻止了根系活力和质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性下降，缓解CdCl2对葡萄根系造成的伤害；而较高浓度(10mmol·L-1)氯化钙则促进了氯化镉处理下根系自由基的生成，进一步降低了根系活力和质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性，加重了氯化镉对葡萄根系功能的伤害。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩略表

声明

1引言

1.1果园重金属污染概况

1.2土壤镉污染及其危害

1.3植物对镉的吸收和累积

1.3.1植物对镉的吸收和运输

1.3.2植物中镉的累积和分布

1.4植物对镉胁迫的生理反应

1.4.1镉胁迫下植物的氧化代谢

1.4.2植物适应镉胁迫的机制

1.4.3植物质膜ATPase及其对逆境的响应

1.5植物细胞程序性死亡

1.5.1植物细胞程序性死亡的发生过程

1.5.2植物细胞程序性死亡的形态特征

1.5.3植物细胞程序性死亡的诱发因子和信号传导

1.6本研究的目的和意义

2材料与方法

2.1材料

2.2试验处理

2.2.1不同葡萄品种对氯化镉的吸收和富集

2.2.2不同浓度氯化镉对葡萄生理特性和细胞死亡的影响

2.2.3同一浓度氯化镉对不同葡萄品种根系生理特性的影响

2.2.4氯化镉对不同葡萄品种线粒体和细胞死亡的影响

2.2.5水杨酸、氯化钙对葡萄根系镉伤害的缓解作用

2.3测定指标和方法

2.3.1葡萄根、茎、叶镉含量的测定

2.3.2根系活力

2.3.3一氧化氮(NO)含量和一氧化氮合酶(NOS)测定

2.3.4质膜分离与质膜ATPase活性测定

2.3.5线粒体的提取及其特性的测定

2.3.6类caspase3/7蛋白酶提取与活性检测

2.3.7吖啶橙(AO)染色观察

2.3.8根细胞凋亡率FCM法测定

2.4用DPS进行数据分析

3结果与分析

3.1镉在葡萄根茎叶中的分布与累积规律

3.1.1镉在不同葡萄品种根茎叶中的分布

3.1.2不同葡萄品种根系镉含量与富集系数

3.1.3不同葡萄品种茎镉含量与富集系数

3.1.4不同葡萄品种叶片镉含量与富集系数

3.1.5不同葡萄品种镉由根到叶的迁移系数

3.2不同浓度氯化镉对葡萄根系和叶片生理特性的影响

3.2.1氯化镉对葡萄根系活力的影响

3.2.2氯化镉对葡萄根系MDA含量的影响

3.2.3氯化镉对葡萄根系和叶片质膜ATPase活性的影响

3.2.4氯化镉处理下葡萄根系和叶片自由基的生成

3.3不同葡萄品种的根系对同一浓度氯化镉的生理响应

3.3.1氯化镉对不同葡萄品种根系活力的影响

3.3.2氯化镉对不同葡萄品种根系MDA含量的影响

3.3.3氯化镉对不同葡萄品种根系质膜ATPase活性的影响

3.3.4氯化镉处理下不同葡萄品种根系自由基的生成

3.4氯化镉处理对葡萄根系细胞程序性死亡的诱导

3.4.1氯化镉处理下葡萄根系吖啶橙染色检测

3.4.2氯化镉处理下葡萄根系流式细胞分析

3.5氯化镉处理下葡萄类Caspase 3/7活性变化

3.5.1不同浓度氯化镉对葡萄根系类Caspase 3/7活性的影响

3.5.2不同葡萄品种的类capase3/7活性对氯化镉的反应

3.6氯化镉胁迫下葡萄线粒体特性的变化

3.6.1葡萄根系线粒体对不同浓度氯化镉胁迫的响应

3.6.2葡萄不同品种根系和叶片线粒体对氯化镉处理的响应

3.7水杨酸和氯化钙对葡萄根系镉伤害的缓解作用

3.7.1水杨酸对葡萄根系镉伤害的缓解作用

3.7.2氯化钙对葡萄根系镉伤害的缓解作用

4讨论

4.1葡萄体内镉的累积规律和葡萄安全生产

4.2氯化镉处理对葡萄生理伤害的剂量效应

4.3氯化镉与葡萄根系细胞程序性死亡

4.4线粒体在氯化镉（CdCl2）诱导PCD中的作用

4.5葡萄根系Caspase活性与细胞程序性死亡

4.6水杨酸、氯化钙对葡萄镉伤害的缓解效应

4.6.1水杨酸对葡萄镉伤害的缓解效应

4.6.2氯化钙对葡萄镉伤害的缓解效应

5结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况