铈对拟南芥的Hormesis效应及其与钙信号传导之间关系的研究

摘要

本文以模式植物拟南芥为实验材料，以农用稀土中的主要成分硝酸铈为细胞外调控因子，从细胞、亚细胞及分子水平等不同层次，系统的研究了稀土元素铈（Cerium，Ce）对拟南芥的Hormesis效应及其与钙离子信号传导之间的关系。结果表明：
　　（1）稀土元素Ce对拟南芥生长发育的影响具有明显的Hormesis效应。低浓度的Ce促进了拟南芥主根伸长，显著的增加了根毛密度、叶冠直径、刺激了叶绿素的合成，而浓度较高时，则表现出明显的抑制效应。且随着浓度的加大，拟南芥的主根伸长量、根毛密度、植株鲜量、叶冠直径、叶片数量均显著降低，叶绿素含量也随Ce浓度的增加而急剧下降。（2）扫描电镜分析显示，低浓度的Ce可刺激叶细胞直径扩大，但浓度较高时则使之皱缩，甚至严重变形。（3）透射电镜分析表明，Ce主要分布于细胞壁，在高浓度下少量Ce也可穿过细胞膜进入细胞内部。低浓度Ce对细胞的超微结构没有显著影响，而在高浓度下，根和叶细胞内的线粒体、叶绿体等细胞器都受到不同程度的损坏。且随着培养基中的Ce浓度的增大，细胞受损程度逐渐加重。（4）电感耦合等离子体质谱分析显示，Ce对钙及其它营养元素的吸收与转运均有明显影响。低浓度Ce促进了Ca的吸收，而高浓度Ce却强烈的抑制了Ca的吸收与转运，Mg、Na、Mn、Fe、Cu、Zn的吸收和转运被低剂量的Ce刺激，而高剂量Ce却显著抑制了Fe、Cu、K的吸收以及Mg、Na、K、Fe、Cu、Zn的转运。（5）激光扫描共聚焦显微镜分析表明：钙同稀土类似也主要分布于细胞壁；低浓度Ce对拟南芥根细胞内Ca2+浓度基本无影响，浓度较高时，会造成根细胞内Ca2+浓度下降，而浓度过高时则诱导根细胞内Ca2+呈先升后降的震荡变化；Ca2+螯合剂EGTA、钙调蛋白阻断剂TFP、胞内Ca2+通道阻断剂RR和细胞膜Ca2+通道抑制剂VP均可干扰胞内Ca2+浓度变化，由此可见，Ce可通过钙调蛋白、细胞膜和胞内钙离子通道调控细胞内的Ca2+信号。（6）低剂量和高剂量的Ce对CaM基因家族的差异调控以及Ca2+-ATP酶基因表达的不同调节，可能是稀土低促高抑的另一种重要调控机制。（7）低剂量短时间的Ce处理刺激了CaM合成，而高剂量长时间处理却起显著抑制作用，CaM蛋白在低剂量与高剂量Ce处理下的差异表达，使之有可能通过Ca2+-CaM信号进行差异响应。（8）低浓度Ce对抗氧化系统及体内活性氧的影响不大，而高浓度Ce打乱了体内抗氧化系统的动态平衡，造成活性氧（O2.-和H2O2）急剧积累，膜脂过氧化加速，且随着Ce浓度的提高，毒害逐渐加重。
　　综上所述，稀土元素Ce对拟南芥“低促高抑”的Hormesis效应可能与细胞内Ca2+信号对不同剂量稀土响应的差异有关。

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第一章 文献综述

第二章 铈对拟南芥生长发育及其根系形态建成的影响

2.1 实验材料与方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 主要溶液的配置

2.1.3 实验材料的培养

2.1.4 主要仪器

2.1.5 拟南芥叶片数量、叶冠直径的测定以及鲜重的称量

2.1.6拟南芥主根伸长量、侧根密度和根毛密度的测定

2.1.7 拟南芥叶片表面扫描电子显微镜观察

2.1.8 拟南芥根、叶细胞透射电子显微镜观察

2.1.9数据处理

2.2实验数据和分析

2.2.1 铈对拟南芥生长发育的影响

2.2.2 铈对拟南芥根系形态建成的影响

2.2.3铈对拟南芥亚显微结构的影响

2.3 讨论

第三章 铈对拟南芥活性氧及其他生理生化的影响

3.1 实验材料与方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 主要溶液的配置

3.1.3 实验材料的培养

3.1.4 实验材料的处理

3.1.5 主要仪器

3.1.6 酶液的提取

3.1.7 稀土处理下拟南芥SOD活性的测定

3.1.8 稀土处理下拟南芥POD活性的测定

3.1.9 稀土处理下拟南芥CAT活性的测定

3.1.10 稀土处理下拟南芥MDA含量的测定

3.1.11 稀土处理下拟南芥H2O2含量的测定

3.1.12 稀土处理下拟南芥O2· -产生速度的测定

3.1.13 稀土处理下拟南芥叶绿素含量的测定

3.1.14 稀土处理下拟南芥花色素苷、总酚含量的测定

3.1.15数据处理

3.2 实验数据和分析

3.2.1 铈对拟南芥活性氧代谢的影响

3.2.2 铈对拟南芥叶绿素含量的影响

3.2.3 铈对拟南芥花色素苷含量的影响

3.3 讨论

第四章 铈对拟南芥钙及其他营养元素吸收与转运的影响

4.1 实验材料与方法

4.1.1 实验材料

4.1.2 主要溶液的配置

4.1.3 实验材料的培养和处理

4.1.4 主要仪器

4.1.5稀土元素铈对拟南芥钙及其它营养元素吸收与转运的影响

4.1.6 稀土处理下拟南芥Ca元素转运分析

4.2 实验数据与分析

4.2.1 稀土元素铈对拟南芥钙及其它元素吸收和转运的影响

4.2.2稀土元素铈对拟南芥根细胞钙的荧光强度的影响

4.2.3 稀土元素铈对拟南芥根细胞内Ca2+的影响

4.2.4 钙离子抑制剂预处理后稀土元素铈对拟南芥根细胞内Ca2+的影响

4.2.5 稀土元素铈对拟南芥原生质体内钙离子的影响研究

4.3 讨论

第五章 铈对拟南芥CaM含量、CaM基因表达、Ca2+-ATPase相关基因表达的影响

5.1 实验材料与方法

5.1.1 实验材料

5.1.2 主要溶液的配置

5.1.3 实验材料的培养

5.1.4 实验材料的处理

5.1.5 主要仪器和试剂

5.1.6 稀土处理下拟南芥总蛋白SDS-PAGE分析

5.1.7 稀土处理下拟南芥CaM含量的测定

5.1.8 稀土处理下拟南芥CaM基因、钙泵基因rtPCR分析

5.2 实验数据和分析

5.2.1铈对拟南芥可溶性蛋白SDS-PAGE 电泳的影响

5.2.2铈对拟南芥CaM含量的影响

5.2.3 铈对拟南芥CaM基因表达的影响的影响

5.2.4 铈对拟南芥钙泵基因表达的影响

5.3 结论

小结

参考文献

附录

致谢