手性除草剂2，4-滴丙酸对拟南芥体内氮铁元素及气孔行为调节的对映体效应研究

摘要

中国作为一个农业大国，也是一个“农药大国”，每年都有大量的农药被用于农业生产。人们选择“绿色”手性农药，以期对目标植物有更好的效果，并且对非靶标生物更加安全和环境友好;与此同时，农药需求和用量的持续增加，必然会导致环境中手性农药残留的增加。当手性农药进入生物体内时，由于结构上的差异，不同构型的对映体会与生物大分子之间发生不同的作用，最终在靶标和非靶标生物体中表现出不同的毒性效应。因此，研究手性农药对映体的生物活性是有现实意义的。
　　影响植物生长的因素主要有水分光照以及营养元素等，本研究以常用的手性除草剂2，4-滴丙酸(DCPP)作为研究对象，在对映体的水平上研究了其对拟南芥体内氮、铁元素的调控以及P450酶的影响，同时研究了气孔行为的响应，并探索相关机制，为更加准确地理解DCPP对映体选择性毒性提供了全新的角度和方法。主要内容如下:
　　(1)在对映体的水平上比较了DCPP对拟南芥体内氮元素吸收和同化、氨基酸合成和氮稳定同位素分馏的影响。结果表明，(R)-DCPP明显抑制了拟南芥对NO3-的吸收，促进了NH4+的吸收，提高了硝酸还原酶的活性而抑制了亚硝酸还原酶的活性，(S)-DCPP的作用效果相对较小，仅在NH4+的吸收表现出一定程度的促进作用，对拟南芥体内NO3-→NH4+的转换过程没有表现出明显的调节作用;DCPP影响了拟南芥体内谷氨酸的合成途径的选择，其中(R)-DCPP抑制了谷氨酸-谷氨酰胺循环途径，促进了谷氨酸脱氢酶途径的氨基化方向，减弱去氨基化方向，保证了谷氨酸的合成，而(S)-DCPP对拟南芥体内谷氨酸的合成没有产生显著的影响。另一方面，DCPP影响了拟南芥体内总氨基酸的含量，其中在谷氨酸和天冬氨酸等6种氨基酸的含量上表现出对映体选择性。在氮稳定同位素分馏方面，比较了不同氮源（NO3-或NH4+）的影响，发现NH4+会使得拟南芥体内氮分馏的数值更加的负;进一步测定DCPP处理对拟南芥体内氮分馏的影响，发现具有除草活性的(R)-DCPP使得氮分馏的数值更负，而(S)-DCPP与对照组相类似，表明DCPP一定程度上是通过影响拟南芥对NH4+进行过量的选择性吸收，进而表现出毒性。
　　(2) P450酶抑制剂1-氨基苯并三唑(ABT)本身对拟南芥没有明显的毒性，但是减小了(R)-DCPP的毒性效应，增强了(S)-DCPP的毒性效应;拟南芥体内活性氧的产量以及相应的抗氧化系统也表现出类似的变化趋势。对于乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)损伤方面，在没有ABT的情况下，(R)-DCPP较(S)-DCPP对ACCase的损伤更大;随着ABT浓度的增加，(R)-DCPP的毒性效应逐渐减小，(S)-DCPP的毒性效应开始增大，进一步证明P450酶介导了手性农药对映体选择性效应。同时，拟南芥体内铁元素在ABT和DCPP共同存在的体系中分布情况的结果显示，ABT能够缓解(R)-DCPP引起的铁元素聚集，但是加剧了(S)-DCPP处理下铁元素的不均匀分布，结合DCPP的毒性和铁元素异常分布的相关性，进一步论证了P450酶和铁元素在DCPP对映体选择性效应中的作用。
　　(3)在气孔行为方面，低浓度的DCPP基本不影响拟南芬体内气孔的开闭行为;随着浓度的增加，具有除草活性的(R)-DCPP显著提高了植物气孔的开放程度，而(S)-DCPP没有表现出明显的调节作用，即DCPP对拟南芥气孔行为的影响存在对映体选择性;拟南芥体内ROS的产量与气孔的开放程度呈现显著的正相关，即ROS的产量越多，气孔的开放程度越大;鉴于ROS的累积是DCPP的作用机制之一，研究结果为解释DCPP对映体选择性效应提供了全新的角度和方法。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 文献综述

1．1 前言

1．2 DCPP的性质与制备方法

1．3 DCPP的对映体选择性环境行为

1．3．1 DCPP的对映体选择性降解

1．3．2 DCPP的对映体选择性毒性

1．4 DCPP的毒性作用机制

1．5 DCPP毒性效应的研究方法

1．6 论文的研究目标和基本思路

第2章 DCPP对拟南芥体内氮元素循环影响的对映体效应研究

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验主要试剂与仪器

2．2．2 DCPP的合成与表征

2．2．3 DCPP对拟南芥生长抑制实验

2．2．4 拟南芥体内不同形态氰元素含量测定

2．2．5 拟南芥体内氮元素相关酶活性测定

2．2．6 拟南芥体内氮元素相关的基因表达

2．2．7 拟南芥植株氮稳定同位素分馏测定和氮源类型的影响

2．3 结果与讨论

2．3．1 DCPP合成及其对拟南芥生长的影响

2．3．2 DCPP对拟南芥体内不同形态氮元素转运的影响

2．3．3 DCPP对拟南芥体内氮元素相关酶活性的影响

2．3．4 DCPP对拟南芥体内氨基酸含量的影响

2．3．5 DCPP及氮源类型对拟南芥体内氮稳定同位素分馏的影响

2．4 小结

第3章 拟南芥体内铁元素和P450酶在DCPP对映体选择性毒性的作用研究

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验主要试剂和仪器

3．2．2 DCPP和ABT对拟南芥生长抑制实验

3．2．3 拟南芥体内活性氧产量的测定

3．2．4 拟南芥体内抗氧化系统响应的测定

3．2．5 拟南芥体内铁元素含量及其在叶片中分布的测定

3．2．6 拟南芥体内铁元素相关的和ACCase相关的基因表达

3．3 结果与讨论

3．3．1 DCPP和ABT共同作用对拟南芥生长的影响

3．3．2 DCPP和ABT共同作用对拟南芬体内活性氧(ROS)产量的影响

3．3．3 DCPP和ABT共同作用对拟南芥体内抗氧化系统的影响

3．3．4 DCPP和ABT共同作用对拟南芥体内铁元素含量及分布的影响

3．3．5 DCPP和ABT共同作用对拟南芥体内ACCase相关基因表达的影响

3．3．6 铁元素聚集和DCPP毒性相关性分析

3．4 小结

第4章 DCPP对拟南芥气孔行为调节的对映体效应研究

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验主要试剂和仪器

4．2．2 DCPP对拟南芥生长抑制实验

4．2．3 拟南芥叶片活性氧产量以及气孔行为的测定

4．2．4 拟南芥体内抗氧化系统响应的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 DCPP对拟南芥生长的影响

4．3．2 拟南芥叶片中气孔的响应

4．3．3 DCPP对拟南芥叶片中活性氧产量的影响

4．3．4 DCPP对拟南芥体内抗氧化系统的影响

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

在学期间所取得的科研成果