發(fā)布時間：2018-04-01 07:18

  本文選題：番茄　切入點：鎘　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：鎘(Cd)帶來很大的環(huán)境問題,因為它具有生態(tài)毒性從而嚴重影響生態(tài)系統(tǒng),快速的工業(yè)化和城市化進程伴隨著世界人口的激增、向環(huán)境排放污染物,這不僅造成了對自然資源的嚴重破壞,也造成了對地球生物廣泛而嚴重的污染。有證據(jù)表明,在大多數(shù)國家人們通過農(nóng)作物攝入的Cd占到很大的比例。因此,重金屬明顯的生物富集作用和在食物鏈各環(huán)節(jié)中的毒性漸進已經(jīng)對包括植物在內(nèi)的所有生物構(gòu)成危害。于是,植物體中Cd的解毒對于保證食品安全非常重要。植物本身具有對Cd的解毒和耐受性的復(fù)雜的分子機制,包括對Cd的固定,排除,螯合和在植物組織細胞中的重新分配以及對細胞結(jié)構(gòu)的修復(fù)。然而,當暴露在高濃度的重金屬環(huán)境下植物本身的解毒能力和抗氧化酶活性會下降。因此,外源植物激素的應(yīng)用可以增強植物解毒系統(tǒng)來對抗外源物質(zhì)引起的脅迫。近來,褪黑素(N-乙酰-5-甲氧色胺)已經(jīng)出現(xiàn)在植物激素的范疇里,其增強植物對包括高溫、低溫、鹽害、干旱、澇害、紫外輻射,以及水和土壤中化學(xué)或金屬污染物等非生物脅迫的耐受力。因此,本文研究了番茄對Cd脅迫的響應(yīng),通過系列實驗闡明了褪黑素緩解Cd脅迫的保護作用機制。主要研究結(jié)果總結(jié)如下：1預(yù)實驗的研究表明結(jié)果表明,低濃度的Cd就會對植物造成毒害,限制番茄植株的生長。當100 μ M Cd處理后,植物啟動了解毒機制。鎘脅迫下,通過代謝產(chǎn)物的合成和降解最終提高了Cd的解毒能力,提高了番茄對鎘脅迫的抗性。研究了葉面噴施GSH和GSH生物合成抑制劑對Cd脅迫下番茄植株的影響。通過分析100μM的Cd處理下植株的生長表型,我們發(fā)現(xiàn)5mM的GSH的應(yīng)用對于減少Cd的毒害最有效。Cd在葉綠體／質(zhì)體、根和葉細胞的線粒體和細胞核中積累。有趣的是,GSH促進細胞內(nèi)Cd的重新分配和減少其在這些細胞器中的含量。然而,GSH生物合成抑制劑(BSO)起相反的作用。類似的,GSH促進、而BSO抑制涉及螯合Cd和排除Cd的植物螯合肽(PCs)的積累。此外,除了調(diào)節(jié)Cd的積累,GSH調(diào)節(jié)細胞的氧化還原狀態(tài)和增加一氧化氮(NO)和S-亞硝基硫醇(SNO)的形成。與氧化還原狀態(tài)的變化相對應(yīng),GSH主動調(diào)控相關(guān)脅迫響應(yīng)基因的一些轉(zhuǎn)錄因子的表達。相應(yīng)地,GSH的應(yīng)用增強了抗氧化酶基因的表達和酶活性。我們的研究結(jié)果表明,GSH增強對Cd的抗性不僅通過對Cd的螫合和隔離的促進作用實現(xiàn),而且通過依賴于氧化還原作用機制的途徑增強抗氧化系統(tǒng)的活性而實現(xiàn)。2.本實驗優(yōu)化設(shè)計了高效液相色譜法(HPLC)用于簡單、快捷、靈敏地檢測褪黑素的含量,建立了褪黑素的生物合成與植物鎘脅迫的關(guān)系。三種重要的蔬菜：番茄,生菜和黃瓜植株用不同濃度的Cd(25μM和100μM)處理后,利用高效液相熒光檢測的優(yōu)化方法測定對照和處理的葉片和根系中的褪激素含量。優(yōu)化測定方法靈敏、重現(xiàn)性好,在18.33min時將褪黑素分離出,總運行時間為42min,檢測限為25 fM,10μL進樣量。植物褪黑素生物合成和對Cd的吸收和轉(zhuǎn)運的表達模式相互關(guān)聯(lián)。本研究結(jié)果表明,葉片和根系的褪黑素含量的增加與Cd脅迫處理的濃度和時間有關(guān)。3.我們研究了褪黑素對Cd脅迫下番茄植株的影響。將番茄植株根系暴露在100μM的Cd環(huán)境下,同時葉片用不同濃度的褪黑素處理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),最佳劑量的褪黑素能有效改善Cd引起的番茄毒害。鎘脅迫下Cd和褪黑素的含量增加。然而,內(nèi)源性褪黑素的增加無法逆轉(zhuǎn)Cd的不利影響。同時,植物的生物量和光合作用反映了添加褪黑素增強了對鎘脅迫的耐受性。除了抗氧化酶活性顯著增強外,褪黑素對鎘脅迫的緩解與H+-ATP酶活性增強、微量營養(yǎng)素的吸收和谷胱甘肽、植物螯合肽合成增加密切相關(guān)。雖然外源性褪黑素對根系Cd含量沒有影響,但顯著降低葉片Cd含量,表明其在Cd轉(zhuǎn)運中的作用。對Cd在不同的亞細胞分布的分析表明,褪黑素增加細胞壁、液泡中的Cd含量。我們的研究結(jié)果表明,褪黑素在調(diào)節(jié)番茄抗氧化能力、巰基化合物的生物合成,將Cd局限在液泡中以對抗Cd脅迫過程中起決定性的作用。這種機制可能在食品安全生產(chǎn)上有潛在影響。4.本實驗研究了鎘脅迫下,褪黑素通過介導(dǎo)植物對硫的吸收、同化等來調(diào)控植物生長和對重金屬脅迫的耐受性,已經(jīng)證實褪黑素調(diào)控植物對硫的吸收、還原同化是植物對脅迫環(huán)境的一種適應(yīng)機制。試驗結(jié)果揭示了褪黑素是ATP硫酸化酶、APS還原酶、亞硫酸還原酶、半胱氨酸合成酶(CS)[0-7,酰基(巰基)溶酶]的上游激活者,這些酶在硫同化的重要步驟中發(fā)揮作用。此外,在硫平衡被打破時,褪黑素作為一種信號物質(zhì),主要是通過選擇性調(diào)控硫同化和吸收途徑中的基因來發(fā)揮作用。另外,褪黑素可以促進γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-EC)、谷胱甘肽和PCs的生物合成來應(yīng)對脅迫。相比較而言,通過VIGS技術(shù)敲掉ASMT基因抑制褪黑素的生物合成,褪黑素的促進效果就被削弱。在Cd脅迫植物中褪黑素引起PCs生物合成的增加,可能導(dǎo)致了對有毒Cd的螯合,最終結(jié)果可能就是褪黑素減少了Cd從根部向莖葉部的轉(zhuǎn)移,這對于食品安全來說非常重要。除了調(diào)控對硫的同化,褪黑素作為一個抗氧化劑可以有效保護細胞內(nèi)生物大分子免受活性氧爆發(fā)所造成的損害和結(jié)構(gòu)改變。除了做為抗氧化劑直接發(fā)揮作用外,在有氧條件下,褪黑素也可以通過增加半胱氨酸的代謝流從而促進葉片葉綠體中2-Cys過氧化物還原蛋白的活性。綜上所述,我們的研究結(jié)果表明,褪黑素可以通過調(diào)節(jié)細胞氧化還原狀態(tài)和組織中硫的穩(wěn)態(tài)來增強植物對環(huán)境的適應(yīng)和耐受性,對于極端環(huán)境而言,褪黑素的應(yīng)用前景將會十分廣闊。
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【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S641.2
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本文編號：1694511