抗坏血酸对不同耐铝性小麦基因型铝毒胁迫的缓解作用及其机理研究-硕士论文

膨歹? Z 擎 硕士学位论文 中文论文题目：抗坏血酸对不同耐铝性小麦基因型铝毒 胁迫的缓解作用及其机理研究 英文论文题目：T h eR o l eo fA s c o r b i cA c i di nA l l e v i a t i n g A l u m i num T o x i c i t yi nW h e a t ( T r i t i c u ma e s t i v u mL ) g e n o t y p e sd i f f e r i n gi na l u m i n u mt o l e r a n c e 中国杭州 抗坏血酸对不同耐铝性小麦基因型铝毒胁迫的缓解 作用及其机理研究 论文作者签名：尊墨丝 指导教师签名： 论文评阅人1 吐垂垡 评阅人2 ： 组孟鲑 评阅人3 ： 金塞焦 答辩委员会主席： 昌笙 委员l ： 睦二定 委员2 童丞松 委员3 ： 左茔 委员4 盐盛丞 委员5 ： 昌至 塑f l llr I II II II IIrI III ll 18 5 2 2 2 1 T h eR o l eo fA s c o r b i cA c i di nA l l e v i a t i n gA l u m i n u m T o x i c i t yi nW h e a t ( T r i t i c u ma e s t i v u mL ) g e n o t y p e s d i f f e r i n gi na l u m i n u mt o l e r a n c e A u t h o r Ss i g n a t u r e ： S u p e r v i s o r Ss i g n a t u r e ： E x t e r n a lR e v i e w e r s ：) 至圣h 星坠g g i 垦n 盥i 进圣b Q 旦g i 垒h Q 坠g 型曼i E x a m i n i n gC o m m i t t e eC h a i r p e r s o n ： L VJ u n E x a m i n i n gC o m m i t t e eM e m b e r s ： b 星旦! i 鱼i n g Z h 垦堕g ! ，o 望g 墨Q 堕g 至垒坠g 里i 堕g L i 壁X i i ! ! 理Q 望g I ，VJ u n D a t eo f o r a ld e f e n c e ： 丛丛垒h ：! Q 兰2 Q ! ! 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：善瑶，丝 签字日期： 沙年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 耨。移丝 导师签名： 签字日期：沙，J 年；月，日 签字日期：沪7 J 年弓月( 日 本研究承蒙： 本研究得到国家重点基础研究发展计 划( 2 0 0 7 C B l0 9 3 0 ：5 ) 、国家自然科学基金 ( 3 0 7 7 1 2 9 2 ) 、教育部博士点基金 ( 2 0 0 6 0 3 3 5 0 1 4 ) 共同资助 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师林成永教授悉心指导和不断鼓励下完成的。三年来，无论是 从论文的选题、试验的设计、方案的实施还是在论文的撰写修改方面都倾注了他 大量的心血和智慧，而且在生活中给予我无微不至的关怀和帮助，令学生终生难 忘! 导师严谨的治学态度、求实创新的科研精神、敏锐的学术思想、诲人不倦的 精神品质以及对科研执着的追求令学生终生受益! 值此论文完成之际，谨向恩师 表示最衷心的感谢，并致以最崇高的敬意! 在研究和学习期间得到了许多老师的指导和启发，感谢同实验室章永松教 授、罗安程教授等对我的研究工作给予的很多有益帮助和关心；感谢方萍教授、 倪吾钟教授、冯英副教授对我研究工作的热心指导和帮助；感谢金崇伟老师平时 对我课题指导和论文修改给予的莫大帮助和关心；感谢研究生科的钱秀萍老师、 陈秀美老师和丁小梅老师在学业和生活上给予的关心和帮助。 在三年的研究生学习生活中，同学对我在学习、生活中的关怀和帮助，令我 终生难忘! 在此特别感谢师兄孙大生，师姐徐芳杰、师姐陈秋会、师姐章燕平、 刘文婧、薛巧云、丁文雅、刘晓霞、刘敏娜、王军君、孙成亮在学习、试验以及 生活中对我的关心、鼓励和支持! 感谢同实验室的周青燕、李玲玲、黄利东、钱 林波、杜叶红、张春娣、宗晓波、牛耀芳、张帅，柴如山、付丽丽、王欢、聂新 军在各方面的关心和帮助，共同营造了一个其乐融融的实验室大家庭。同时还感 谢宿舍好友谢亚军、陈娜娜、陈珠丽同学给予的关心和帮助。他们给我留下了很 多美好的回忆，这份友谊值得永远珍惜! 我把最深的感谢献给我父母，这么多年来，他们一直在精神上和物质上给予 我最大的支持，在此向他们表示深深的感谢! 另外还要深深的感谢我叔叔、婶婶 对我学习和生活上的关心和支持! 使我我不断的拼搏、进取，催促我在人生道路 上不断前进，并成为我学习和工作的重要动力。 值此论文完成之际，谨向所有关心、理解、帮助和支持我的各位领导、老师、 同学以及亲朋好友，致以最诚挚的谢意和良好的祝愿! 蒋思丝 2 0 1 1 年1 月于浙江大学华家池校区 浙江大学硕士学位论文 摘要 据报道，p H 低于5 5 的酸性土壤约占全世界土地面积的3 0 和潜在可耕地 面积的5 0 。在中国，酸性土壤遍布1 5 个省区，总面积达2 0 3 万平方公里，约 占耕地面积的2 1 。酸性或生理酸性化肥的大量施用以及工业化过程造成的大范 围酸性沉降加剧了土壤的酸化过程。研究表明，A 1 浓度低于1 0g m o l L 就会严重 抑制许多植物根系的生长以及对养分和水分的吸收，而一般酸性土壤溶液中A l 的浓度为1 0 1 0 0g m o l L 。因此，A l 毒被认为是酸性土壤中限制作物生长最重要 的障碍因子，严重影响酸性土壤的作物生产。虽然国内外学者针对植物铝毒胁迫 及其耐性机理已开展了大量研究，但迄今为止植物适应铝胁迫的生理生化及分子 机制仍不完全清楚。近年来已有一些证据表明抗坏血酸( A s A ) 作为一种主要的 抗氧化剂在植物对铝毒胁迫的响应中起着非常重要作用，但是对铝影响植物体内 A s A 的机理以及外源A s A 对铝毒胁迫的缓解效应及其机制等问题尚不清楚。因 此，本文以前期筛选的一对耐铝性差异明显的小麦基因型鉴8 6 4 ( 耐性) 和扬麦 5 号( 敏感) 为材料，通过水培试验研究铝对不同小麦基因型A s A 代谢的影响、 外源A s A 或者A s A 合成前体对铝毒的缓解效应及其机理，以期更加深入地揭示 铝对植物的毒害及植物耐铝性机理。取得的主要研究结果如下： 1 、铝对不同小麦基因型根尖A s A 含量的影响及其机理 以2 个不同耐铝性的小麦基因型为材料，采用水培试验的方法，研究铝对小 麦体内抗坏血酸代谢的影响。结果表明，在0 ，1 0 ，3 0 ，5 0g m o l LA 1 C h 胁迫下 处理2 4h ，鉴8 6 4 和扬麦5 号根系伸长受抑制程度随着铝处理浓度的提高而加剧。 在3 0g m o l LA I C l 3 胁迫下，2 个基因型的相对根伸长率差异最大，鉴8 6 4 的相 对根伸长率为5 2 ，而扬麦5 号仅为2 8 。由此可见，鉴8 6 4 是对铝毒耐性较 强，而扬麦5 号对铝毒较为敏感。此外，小麦根尖铝含量和M D A ( 脂质过氧化 指标) 含量也均随铝处理浓度的提高而增加，且2 个基因型也在3 0 t m o l LA I C l 3 胁迫下差异最大，表现为扬麦5 号高于鉴8 6 4 ；因此，在后面的研究中选择该浓 度进行铝胁迫处理。 铝胁迫处理显著提高2 个小麦基因型根尖A s A 含量、L 半乳糖酸，l ，4 一内脂 脱氢酶( L G a l L D H ) 、单脱氢抗坏血酸还原酶( M D H A R ) 、脱氢抗坏血酸还原 酶( D H A R ) 抗坏血酸过氧化物酶( A P X ) 活性、A s A D H A 比值和抗坏血酸氧 I l 浙江大学硕士学位论文 化酶( A A o ) 活性，且均表现为鉴8 6 4 高于扬麦5 号。由此可见，铝诱导小麦 体内A s A 含量的提高与其促进A s A 的合成和循环再生有关，鉴8 6 4 具有较强的 合成、循环再生与降解的平衡能力，是其抵御铝诱导的氧化胁迫损伤的重要原因。 2 、外源A s A 对铝胁迫下对小麦根尖A s A 含量的影响及其机理 以2 个不同耐铝性的小麦基因型为材料，采用水培试验的方法，研究了外源 A s A ( o 5m m o l L ) 预处理6h 对小麦铝毒的缓解效应及其体内抗坏血酸代谢的 影响。结果显示，A s A 预处理可显著增加铝胁迫下2 个小麦基因型的相对根长率， 降低了根尖的铝含量，并显著增加2 个小麦基因型根尖的A s A 含量、A s A D H A 比值、L G a l L D H 、M D H A R 、D H A R 、A P X 和A A O 活性，且A s A 含量、M D H A R 、 D H A R 、A P X 和A A O 活性在扬麦5 号中的增加幅度大于鉴8 6 4 。可见，外源A s A 主要通过促进A s A 合成和循环再生能力而提高体内A s A 含量，降低小麦根尖铝 含量的吸收，缓解铝毒胁迫对小麦根系伸长的抑制作用。 3 、外源L G a l 对铝胁迫下对小麦根尖A s A 含量的影响及其机理 以2 个不同耐铝性的小麦基因型为材料，采用水培试验的方法，研究了外源 的A s A 合成前体L G a l ( 0 5m m o l L ) 预处理6h 对小麦铝毒的缓解效应及其体 内抗坏血酸代谢的影响。结果显示，L G a l 预处理可显著增加了铝胁迫下2 个小 麦基因型的相对根长率，降低了根尖的铝含量，并显著增加2 个小麦基因型根尖 的A s A 含量、A s A D H A 比值、L G a l L D H 、M D H A R 、D H A R 、A P X 和A A O 活 性。可见，外源L G a l 可通过促进A s A 合成和循环再生能力而提高小麦体内A s A 含量，降低小麦根尖铝含量的吸收，缓解铝胁迫对小麦根系伸长的抑制作用。 关键词：铝毒；小麦；抗坏血酸；L 一半乳糖酸- 1 ，4 一内脂脱氢酶；脱氢抗坏血酸 还原酶；单脱氢抗坏血酸还原酶；抗坏血酸氧化酶；抗坏血酸过氧化物酶 I I I 浙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t I tw a sr e p o r t e dt h a ts o i l s 、 ，i t l lp Hl o w e rt h a n5 5a c c o u n t sf o r3 0 o ft h ew o r l d l a n d ，a n d5 0 o ft h ew o r l da r a b l el a n d I nC h i n a ，a c i d i cs o i ld i s t r i b u t e da c r o s s15 p r o v i n c e s ，a c c o u n t i n gf o r2 0 3s q u a r eK M ，a n dr e p r e s e n t i n g21 o fi t sa r a b l el a n d S o i la c i d i z a t i o na r o s ef r o mt h e a p p l i c a t i o n o fa c i d i c f e r t i l i z e r sa n dt h e i n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s P r e v i o u ss t u d yi n d i c a t e dt h a tw h e nA 1c o n c e n t r a t i o ni sl o w e r t h a n10p m o l Li ns o i l ，p l a n tr o o tg r o w t hi si n h i b i t e dd u et ot h ep r o b l e m si nn u t r i e n t s a n dw a t e ru p t a k e N o r m a l l y , A 1c o n c e n t r a t i o nv a r y sb e t w e e n10t o10 0L t m o l Li n a c i d i cs o i l s T h e r e f o r e ，A 1t o x i c i t yi st h o u g h tt ob et h em o s ti m p o r t a n ti n h i b i t o r l i m i t i n gc r o pp r o d u c t i v i t y A l t h o u g ht h e r ea r em a n yr e p o r t so nt h eA Is t r e s sa n di t s t o x i c i t ym e c h a n i s m ，l i t t l ei sk n o w na b o u tt h ep h y s i o l i c a la n dm o l e c u l a rm e c h a n i s m o f ft h ep l a n tr e s p o n s ea g a i n tA It o x i c i t y 1 M e c h a n i s m sf o rt h ee f f e c t so f A Io nA s Ac o n t e n ta n dA s Am e t a b o l i ce n z y m e s a c t i v i t i e sb e t w e e nw h e a tg e n o t y p e sd i f f e r i n gi nA It o l e r a n c e H y d r o p o n i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt o 。s t u d y t h ee f f e c t so fA 1o nA s A m e t a b o l i s mf o rt w ow h e a tg e n o t y p e sv a r y i n gi nA 1t o l e r a n c e T h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ed o s e d e p e n d e n te x p e r i m e n to f2 4h e x p o s u r et o0 ，10 ，3 0 ，5 0 舻n o l LA 1 C 1 3 i n d i c a t e dt h a tt h er o o te l o n g a t i o no fJ i a n - 8 6 4a n dY a n g m a i - - 5w a si n h i b i t e dw i t ht h e i n c r e a s i n gA 1c o n c e n t r a t i o n s T h eg r e a t e s td i f f e r e n c ei nr e l a t i v er o o te l o n g a t i o n ( R R E ) b e t w e e nt h et w og e n o t y p e sW a so b s e r v e da tt h ec o n c e n t r a t i o no f3 0i x m o l LA I C l 3 ， w i t ht h eR R E5 2 o fJ i a n 一8 6 4a n do n l y2 8 o fY a n g m a i - 5 T h i ss h o w sY a n g m a i 一5 w a sm o r es e n s i t i v et oA It h a n J i a n g 一8 6 4 I na d d i t i o n ，T h eA Ic o n t e n ta n d m o n o d e h y d r o a s c o r b a t e ( M D A ) c o n t e n to fJ i a n 一8 6 4a n dY a n g m a i 一5w a sp r o m o t e d w i t ht h ei n c r e a s i n gA 1c o n c e n t r a t i o n s T h eg r e a t e s td i f f e r e n c ei nA 1c o n t e n ta n dM D A c o n t e n tb e t w e e nt h et w og e n o t y p e sw a so b s e r v e da tt h ec o n c e n t r a t i o no f3 0l x r n o l L S o ，3 0I t m o l LA I C l 3c o n c e n t r a t i o ni sc h o s e nf o r t h ef o l l o w i n gs t u d y T h ed o s e d e p e n d e n te x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h eA s Ac o n t e n t ，L g a l a c t o n o - 1 ，4 - l a c t o n e d e h y d r o g e n a s e ( L - G a l L D H ) ，m o n o d e h y d r o a s c o r b a t er e d u c t a s e ( M D H A R ) ， I V 浙江大学硕士学位论文 d e h y d r o a s c o r b a t er e d u c t a s e ( D H A R ) ，a s c o r b a t ep e r o x i d a s e ( A P X ) ，A s A D H Ar a d i o a n da s c o r b a t eo x i d a s e ( A A 0 ) a c t i v i t i e si n0 10n l n lr o o ta p e xo ft w og e n o t y p e s i n c r e a s e dr e s p o n d i n gt ot h ei n c r e a s i n gA 1c o n c e n t r a t i o n H o w e v e r ，J i a n - 8 6 4i s s t i l l s u p e r i o rt oY a n g m a i - 5 T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tA 1c a ni n c r e a s et h eA s Ac o n t e n t ， i n d u c et h ea c t i v i t ) ro fe n z y m e sr e l a t e dt om e t a b o l i s ma n ds t i m u l a t et h ea n t i o x i d a n t s y s t e mr e s p o n s et oA Is t r e s s M e a n w h i l e ，A s As y n t h e s i sc a p a b i l i t ya n dm e t a b o l i c e n z y m ea c t i v i t yc l o s e l ya s s o c i a t e d 、i t ht h ed i f f e r e n c e si nA It o l e r a n c ei nd i f f e r e n t w h e a t g e n o t y p e s 2 M e c h a n i s m so ft h ee f f e c t so fA Io nA s Ac o n t e n ta n dA s Am e t a b o l i ce n z y m e s a c t i v i t i e si nd i f f e r e n tw h e a tg e n o t y p e sw i t hA s A a p p l i c a t i o n H y d r o p o n i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fA s Ac a t a b a t i c m e c h a n i s ma n dA s Am e t a b o l i s mf o rt w ow h e a tg e n o t y p e se x p o s e dt o0 5m m o l L A s Ap r e t r e a t m e n tf o r6h T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et w ow h e a tg e n o t y p e so f r e l a t i v er o o te l o n g a t i o n ( R R E ) w e r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y 谢t I lA s Ap r e t r e a t m e n t ， b u tA 1c o n t e n ti nr o o t si sr e d u c e d A f t e rA s Ap r e t r e a t m e n t ，A s Ac o n t e n t ，A s A D H A r a t i o ，L - G a l L D H ，M D H A RD H A R ，A P Xa n dA A Oa c t i v i t yi nw h e a tr o s em a r k e d l y A n dt h er a t eo fi n c r e a s eo fA s Ac o n t e n t ，M D H A R ，D H A R ，A P Xa n dA A O a c t i v i t yi n Y a n g m a i - 5w a sg r e a t e rt h a nt h eo n e s 。i nt h eJ i a n - 8 6 4 T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t e x o g e n o u sA s AC a na c c e l e r a t ee n d o g e n o u sA s A D H Aa n dt h e i rm e t a b o l i ce n z y m e s i n v o l v i n g i ns y n t h e s i s ，p r o m o t ew h e a t r o o te l o n g a t i o na n dr e d u c t i o no ft h ea l u m i n u m a b s o r p t i o na n dr e l i e v et h eA 1i n h i b i t i o ni nr o o ta p e x 3 M e c h a n i s m so ft h ee f f e c t so fA lo nA s Ac o n t e n ta n dA s Am e t a b o l i ce n z y m e s a c t i v i t i e si nd i f f e r e n tw h e a tg e n o t y p e sw i t hL - G a ia p p l i c a t i o n H y d r o p o n i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fA s Ac a t a b a t i c m e c h a n i s ma n dA s Am e t a b o l i s mf o rt w ow h e a tg e n o t y p e se x p o s e dt o0 5m m o l L L - G a lp r e t r e a t m e n tf o r6h T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tA f t e rL - G a lp r e t r e a t m e n t ，t h e R R Eo ft w ow h e a tg e n o t y p e sw e r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , b u tA 1c o n t e n ti nr o o t si s r e d u c e d A n dA s Ac o n t e n t ，A s A D H Ar a t i o ，L G a l L D H ，M D H A RD H A A P Xa n d A A O a c t i v i t yi nw h e a tw e r ea l s op r o m o t e d n l er e s u l t si n d i c a t e dt h a te x o g e n o u s L G a lc a np r o m o t et h eb i o s y n t h e s i so fe n d o g e n o u sA s A ，D H Aa n dt h e i rm e t a b o l i c e n z y m e si n v o l v e di ns y n t h e s i s ，r e d u c et h ea b s o r p t i o no fa l u m i n u mc o n t e n ta n d r e l i e v e V 浙江大学硕士学位论文 t h eA 1i n h i b i t i o ni nr o o ta p e x K e y w o r d s ：A l u m i n u mt o x i c i t y ；W h e a t ；A s c o r b i ca c i d ；L g a l a c t o n o - 1 ，4 - l a c t o n e d e h y d r o g e n a s e ；M o n o d e h y d r o a s c o r b a t er e d u c t a s e ；D e h y d r o a s c o r b a t er e d u c t a s e ； A s c o r b a t ep e r o x i d a s e ；A s c o r b a t eo x i d a s e V I 浙江大学硕士学位论文 目录 致j 射I 摘要I I A b s t r a c t I V 目录I V 第一章植物体内抗坏血酸代谢及其对铝毒胁迫响应的研究进展1 1 1 铝对植物根系的毒害作用2 1 2A l 胁迫诱导的氧化胁迫3 1 2 1 铝毒害诱导的R O S 产生3 1 2 2 活性氧引起的氧化伤害5 1 3 抗坏血酸在植物体内的合成代谢和功能! 6 1 3 1 抗坏血酸在植物体内的合成途径：6 1 3 2 抗坏血酸在植物体内的代谢途径8 1 3 3 抗坏血酸在植物体内的生理功能1 0 1 4 植物根系抗坏血酸对A l 胁迫的响应1 3 1 5 问题的提出及本研究的技术路线：1 5 1 5 1 问题提出1 5 1 5 2 技术路线1 6 1 5 3 拟解决的关键问题1 7 第二章铝对不同小麦基因型根尖A s A 含量的影响及其机理1 8 2 1 引言18 2 2 材料与方法1 9 2 2 1 植物培养1 9 2 2 2 小麦根长和根尖铝含量的测定1 9 2 2 3 根尖丙二醛含量的测定19 2 2 4 根尖抗坏血酸含量的测定2 0 2 2 5 根尖抗坏血酸代谢相关酶活性的测定2 0 2 2 6 数据统计分析2 1 V I I 浙江大学硕士学位论文 2 3 结果与分析2 1 2 3 1 铝对小麦根系伸长和根尖铝含量的影响2 l 2 3 2 铝对小麦根尖M D A 含量的影响2 3 2 3 - 3 铝对小麦根尖A s A 含量和A s A D H A 比值的影响2 3 2 3 4 铝对小麦根尖L 半乳糖酸1 ，4 内脂脱氢酶( L G a l L D H ) 酶活 性的影响2 4 2 3 5 铝对小麦根尖M D H A R 、D H A R 、A P X 和A A O 酶活性的影 响2 5 2 4 讨论2 7 第三章外源A s A 对铝胁迫下对小麦根尖A s A 含量的影响及其机理3 0 3 1 引言3 0 3 2 材料与方法3 l 3 2 1 植物培养。：3 l 3 2 2 小麦根长和根尖铝含量的测定3 1 3 2 3 根尖抗坏血酸含量的测定3 1 3 2 4 根尖抗坏血酸代谢相关酶活性的测定3 1 3 2 5 数据统计分析：。3 2 3 3 结果与分析3 2 3 3 1 外源A s A 对铝胁迫下小麦根系伸长和根尖铝含量的影响3 2 3 3 2 外源A s A 对铝胁迫下小麦根尖A s A 和A s A D H A 含量的影响 3 3 3 3 3 外源A s A 对铝胁迫下小麦根尖L 半乳糖酸1 ，4 内脂脱氢酶 ( L G a l L D H ) 活性的影响3 4 3 3 3 外源A s A 对铝胁迫下小麦根尖M D H A R 、D H A R 、A P X 和 A A O 活性的影响3 5 3 4 讨论3 7 第四章外源L G a l 对铝胁迫下对小麦根尖A s A 含量的影响及其机理4 0 4 1 引言4 0 4 2 材料与方法j 4 1 V I I I 浙江大学硕士学位论文 4 2 1 植物培养4 1 4 2 2 小麦根长和根尖铝含量的测定4 l 4 2 3 根尖抗坏血酸含量的测定4 l 4 2 4 根尖抗坏血酸代谢相关酶活性的测定4 l 4 2 5 数据统计分析4 l 4 3 结果与分析4 2 4 3 1 外源L G a l 对铝胁迫下小麦根系伸长和根尖铝含量的影响4 2 4 3 2 外源L G a l 对铝胁迫下小麦根尖A s A 和A s A D H A 含量的影 响4 3 4 3 3 外源L G a l 对铝胁迫下小麦根尖L 半乳糖酸1 ，4 内脂脱氢酶 ( L G a l L D H ) 活性的影响4 4 4 3 3 外源L G a l 对铝胁迫下小麦根尖M D H A R 、D H A R 、A P X 和 A A O 活性的影响4 5 4 4 讨论4 6 第五章结论一4 9 参考文献i 5 0 I X 浙江大学硕士学位论文 第一章植物体内抗坏血酸代谢及其对铝毒胁迫响应的研究 进展 据估计，世界上3 0 左右的耕地和超过5 0 的潜在可耕地是酸性土壤。在 世界范围内有1 2 的玉米和1 3 的水稻生长在酸性土壤上，在我国，酸性土壤 分布遍及南方1 5 个省区，总面积达2 0 3 万平方公里，约占全国土地总面积的2 1 ( 林成永和王建林，1 9 9 3 ) 。铝在土壤中主要以难溶性的铝硅酸盐和铝氧化 物存在。通常情况下，这两种形态的铝化合物对植物没有毒害作用( M a t s u m o t o ， 2 0 0 0 ) 。当土壤溶液p H 值下降到一定值时，铝离子就会从硅酸盐或氧化物中释 放出来，以可溶性单体形态( 主要是A l ”) 溶解到土壤溶液中( M a 和F u r u k a w a ， 2 0 0 3 ) 。它是对植物产生毒害作用最主要的形态( K i n r a i d e ，1 9 9 1 ；K i n r a i d e 和 P a r k e r ，1 9 8 9 ；K i n r a i d e 和P a r k e r ，1 9 9 0 ) 。因此，铝毒是限制酸性土壤上作物生 产的主要因素之一( K o c h i a n ，1 9 9 5 ；M a t s u m o t o ，2 0 0 0 ) 。在发达国家，改善土 壤酸度的普遍措施是施用石灰。然而，对农民来说，施用石灰不是一种经济有效 的措施，并且很难消除心土层的酸度( K o c h i a n 等，2 0 0 4 ) 。因此，鉴于酸性土 壤分布的广泛性以及我国目前较低的经济状况水平，选育和利用耐铝作物基因型 以提高作物在酸性土壤中的生产力具有重要的科学研究意义。目前，已有大量关 于培育耐铝作物基因型的研究报道。另外，随着生物技术的发展和广泛应用，培 育耐铝转基因作物可能成为现实。而植物耐铝性的生理生化机制研究是遗传改良 的基础( A n i o l ，1 9 9 5 ) 。因而，对这些机制的深入了解，不仅有利于加速耐铝品 种的选育进程，也有利于提高石灰和肥料的施用效率。 研究表明，植物体内的一系列生理过程会受到铝毒胁迫的干扰，而质膜被认 为是植物遭受铝毒的原初靶位之一( C a k m a k 和H o r s t ，1 9 9 1 ；Z h e n g 和Y a n g ， 2 0 0 5 ；A h n 和M a t s u m o t o ，2 0 0 6 ) 。铝可与质膜的磷脂或膜蛋白紧密结合，从而 严重影响植物根系质膜的结构和功能，如改变质膜对电解质和非电解质的渗透 性、膜脂的组分和流动性、质膜表面的电荷状况，降低钙离子通道和质膜 矿一A T P a s e 的活性，最终导致细胞功能紊乱( Z h e n g 和Y a n g ，2 0 0 5 ；A h n 和 M a t s u m o t o ，2 0 0 6 ) 。虽然铝不是过渡金属元素，不具有催化氧化还原反应的能力， 但是铝可通过形成铝超氧化物半还原态自由基而具有过氧化活性，从而导致膜脂 浙江大学硕士学位论文 过氧化( E x l e y ，2 0 0 4 ) 。C a k m a k 和H o r s t ( 1 9 9 1 ) 首先发现铝能诱导大豆根系膜 脂过氧化，并提高与活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，R O S ) 清除有关的酶活性。 此后，在豌豆( Y a m a m o t o 等，2 0 0 1 ) 、油菜( B a s u 等，2 0 0 1 ) 、水稻( M e r i g a 等，2 0 0 4 ) 、小麦( D a r k 6 等，2 0 0 4 ) 、决明( W a n g 等，2 0 0 4 ) 和玉米( B o s c o l o 等，2 0 0 3 ) 等根系中均发现铝诱导的膜脂过氧化现象。 大量的研究表明，不良环境条件会诱导植物细胞过量产生引起氧化胁迫的各 种活性氧( R O S ) 种类，如超氧自由基( 0 2 。) 、过氧化氢( H 2 0 2 ) 、羟自由基( O H ) 和单线态氧( 1 0 2 ) 等( A p e l 和H i r t ，2 0 0 4 ；M o i l e r 等，2 0 0 7 ) 。以往，R O S 一直 被认为是植物代谢过程产生的毒副产物，能引起植物体内大分子物质如脂类、蛋 白质及D N A 的损伤。相应地，为了保护细胞免受R O S 的潜在伤害，植物建立 了一套完整的防御体系，包括酶促抗氧化系统( 如S O D 、C A T 、P O D 、A P O X ) 和非酶促抗氧化系统( A s A 、G S H 等) 。大量的研究表明，抗坏血酸作为一种普 遍存在于植物组织的高丰度小分子抗氧化物质( S m i m o f f ，1 9 9 6 ；N o t o r 和F o y e r ， 1 9 9 8 ；D a v e y 等，2 0 0 0 ) ，在植物遭受各种非生物胁迫时清除R O S ，缓解R O S 的 毒害起着重要的作用( N o c t o r 和F o y e r ，1 9 9 8 ) 。 近年来，铝胁迫下抗坏血酸代谢的变化及其在植物耐铝性中的作用引起了人 们的重视，并进行了一些研究( G u o 等，2 0 0 5 ；S h a r m a 和D u b e y ，2 0 0 7 ；W a n g 和K a o ，2 0 0 7 ；A c h a r y 等，2 0 0 8 ；T a b a l d i 等，2 0 0 9 ；L i 等，2 0 1 0 ) 。本章主要就 铝对植物根系的毒害作用，抗坏血酸在植物体内的功能，A l 胁迫诱导的氧化胁 迫，植物根系抗坏血酸代谢对A l 胁迫的响应等方面的研究进展进行综述。 1 1 铝对植物根系的毒害作用 植物遭受铝毒胁迫最主要的症状是根系伸长迅速受到抑制( K o l l m e i e r ，2 0 0 0 ； R y a n 等，1 9 9 3 ；S i v a g u r a 和H o r s t ，1 9 9 9 ) 。研究表明，即使在微摩尔级浓度下 铝就可以从根的器官、组织和细胞方面抑制根的伸长( C i a m p o r o v a ，2 0 0 2 ) 根 尖过渡区的末端部分，即离根顶端约2 3n l l T l 处是铝毒最初的作用位点，这可 能因为这一区域的细胞处于快速伸长的前期阶段时，在铝胁迫下这一区域比其他 区域积累更多的A 1 3 + 和B 1 ，3 葡聚糖，是铝毒毒害最严重的区域，这已在玉米 中得到证实( S i v a g u r u 和H o r s t ，1 9 9 8 ) 。然而，由于影响根系生长的细胞过程 浙江大学硕士学位论文 的复杂性，铝毒害的精确位点仍不是很清楚( K o c h i a n ，1 9 9 5 ；M a t s u m o t o ，2 0 0 0 ； R o u t 等，2 0 0 1 ) 。但是，一些研究者认为铝诱导膜脂过氧化可能是其抑制根系