（植物营养学专业论文）镉诱导植物氧化代谢与钙信使的变化及分子机理.pdf

摘要 植物镛毒害作用的机理研究方兴未艾。研究镉诱导的植物氧化代谢与钙信使的变化及分子机 理，是提商植物对镉耐性的基础；鉴于镉对植物极其毒性，对生物大分予n 一或s ，键具有强攻击 力，对氧化代谢与钙信使的影响具有生物学上的普遍意义，该研究也有助于推动_ j c 尊动物和入镉毒 理研究的深入和认识的深化。 本文以普通玉米为试材，采用溶液培养，设置不周供镉浓度( o ，5 ，2 0 和1 0 0t t m o l lc d ) 和不屈 供镉时间( 1 2 、2 4 、4 8 、9 6 和1 6 8h ) ，研究( i ) 植物的氧化代谢，包括氧自由基含量、活性氧 清除系统超氧亿物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a = r ) 、抗坏盘酸过氧化物酶( 雕x ) 、脱氮抗 坏血酸还原酶( d h a r ) 和谷胱甘肽还原酶( g r ) 活性，以及抗氧化荆抗坏血酸和谷胱甘肽含蹩的 变化，以及s o d 、c a t 、a p x 、d h a r 秘g r 的基因表达；( 2 ) 细胞钙信使变化，包括c a m 含 麓和细胞膜系统c a s + 。a t p a s e 活性的变化及相关基冈表达；( 3 ) 镉的亚细胞分布特征。采用生物 化学方法测定氧化代谢和钙信使的关键纺羼含量和棚关酶活性的变化，采用e d n a 末端快速扩增 方法分离相关基因，采用n o r t h e r n 杂交方法研究相关基因表达特征；采用透射电镜一能谱技术研 究镉的亚纲胞分布特薤。论文取得的主要结果与进艘如下： 1 孤米叶片和根系生物邋随供镉浓度的增加而降低，叶片和根系生长的抑制程度随供镉时 润鲶增加露增加，1 0 0 转m o l l c d 处理1 6 8 h 后时片秘缀系生物繁比对照分别降低5 2 。8 纛3 3 。3 ； 随镉处理浓度和处理时间的增加，玉米叶片和根系镉积累量增加；玉米根系细胞镉主要分布于细 胞壁，瑟时片细胞镉表现兔液海 缨脆壁 缨胞质，玉米主要通过锈分隧在液泡帮凄薨僖缨胞壁 来减轻镉的毒害。 2 。隧镶处理浓度秘处理对瓣鲍增加，时片和根系o f 产生速率、h 2 。2 和嚣二醛( m d a ) 禽量 迅速增加；镉处理下玉米叶片s o d 活性以及c u z n s o d 基冈表达均受镉诱导增加，低镉处理下 二者4 8h 焉舞始f 降，健高镉处理( 1 0 0i l m o l l ) q - 鄹使在培养1 6 8h 后s o d 活猛以及c u z n s o d 基因表达嫩仍然较高，二者变化规律一致，镉在植物体内对s o d 的调控是通过基因转录实现的。 时片c a t 活性受低锈( 5 箨2 0 t m o l l ) 诱导髭著增热，健2 4h 瑟逐步+ f 降，焉高锈处理 ( 1 0 0 p t m o l l ) c a t 活性培养期间一直低于对照；叶片c a t 基因表达量受镉( 2 0 和1 0 0 1 x m o l l ) 诱导显著增加，僵2 4h 磊逐步”f 降，至培养1 6 8h 嚣仍唆显高于对爨。可觅c a t 活性与c a t 基 因表达变化并不十分吻合，在玉米叶片中镉对c a t 的调控可能是通过转录或翻译后修饰实现的。 叶片a p x 活性受镉诱导照著增加，培养1 2h 后，5 ，2 0 和1 0 0i x m o l l 处理分别较对照增加 2 4 、6 7 和5 0 ，此后随胁追瓣麓鲶筵长逐步降低，1 0 0 t m o l l 锈处理在1 6 8h 麝甚至低予对 照；叶片a p x 基因袭达受低镉( 5 和2 0i l m o l l ) 诱导高于对照，至1 6 8h 表达量仍然较高，1 0 0 l a m o l l 镶处理豹a p x 表达量一盖低于2 0g m o l l 锈处理，说明镊可畿是通过转慕域翡译嚣修饰 而影响a p x 活性。 3 。低镶处理对予抗坏盘酸一谷虢苗默：( a s a - g s h ) 循环途径缛用不明聂，低锈处理檀株随处理 时间的增加，叶片总抗坏血酸、还原型抗坏血酸( a s a ) 和氧化溅抗坏血酸( d a s a ) 含量总体上变化 不大，时片d h a r 活性及基因静转录表达总体上处于较低水平，与对照没有显著熬异，谎瞒玉米 叶片d h a r 基因的转录不受低镉胁迫的诱导。1 0 0g m o l i 儡处理1 6 8 h 后，g r 活性和总抗坏血酸含 簸瞬显增加，显示a s a - g s h 循环可被长隧闻裙高浓度的锈处蘧激活。 4 不网镉处理下叶片c a 2 + - a t p a s e 活性均表现为细胞质膜 液泡膜、内质网膜 线粒体膜。镉 诱导了玉米叶片生物膜系统c a 2 + - a t p a s e 懑性的畀离，但隧镉处理浓度殴增加和时润酶延长，生 物膜系统c a 2 + a t p a s e 活性在4 8h ( 质膜、液泡膜和内质网膜) 和2 4h ( 线粒体膜) 后又开始被镉 捧裁，其麓镶处理浓度酶增加和翼雩闻的延长逐步降低。叶片囊膜c 鑫2 + 煳瀑磁s e 基因转录表达憋变 化与其酶活性基本一致；镉诱导了玉米叶片钙调蛋l 匀( c a m ) 基因的表达，c a m 含量及其表达撼均 隧锈处理浓度酶增翻和时闻的筵长逐步臻滢。镉对叶片质膜c 鑫2 + 阉融粼释c a m 基因功麓酶调控 是在转录水平进行。 综上所述，锈胁遣下植物活性氧清除酶朐活性灞强，锈在基因转录水平调控s o d 活性，对c a t 和a p x 的调控是通过转录或翻译后修饰而实现；低镉处理对于a s a - g s h 循环途径作用不明最，但 被长时闻和高浓度的镉处理激活；锈诱导植物钙傣使静变纯怒透过增强c a 2 + a t p a s e 和c a m 基嚣 的转录而提高c e + - a t p a s e 活性和c a m 含髓。 关键词：镉，玉米，氧化代谢，钙信使，分子生理 a b s t r a c t t h eq u e s t i o na st oh o wc a d m i u m ( c d ) a c t sa tt h ec e l l u l a ra n dm o l e c u l a rl e v e la n dh o w p l a n t sm a y d e f e n d t h e m s e l v e sa g a i n s tt h i sp o l l u t a n th a sb e e np a i d i n c r e a s i n ga t t e n t i o n t oi n v e s t i g a t eh o wc d i n d u c e sc o m m o np l a n td e f e n s ep a t h w a y sc a np r o v i d eb a s i sf o ri m p r o v i n gc dt o l e r a n c eo fp l a n t s ，a n di s a l s oh e l p f u lf o ru n d e r s t a n d i n go fe n v i r o n m e n t a lt o x i c o l o g yf o ra n i m a la n dh u m a na sc d 2 + c a l la l s ob o n d t on - a n ds o fb i o l o g i c a lb i gm o l e c u l e sa n dt h e ni n t e r f e r eo x i d a t i v em e t a b o l i s ma n di n d u c ec h a n g e si n c a l c i u mm e s s e n g e r t og a i nb e t t e ri n s i g h ti n t ot h eb i o l o g i c a lm e c h a n i s m so fc a d m i u m - i n d u c e dc h a n g e si no x i d a t i v e m e t a b o l i s ma n dc a l c i u mm e s s e n g e ri np l a n t s ，m a i z e ( z e am a y s ) s e e d l i n g sw e r ee x p o s e dt od i f f e r e n t c d 2 + c o n c e n t r a t i o n o ，5 ，2 0a n d1 0 0l m o l lc d ) i nh y d r o p o n i c s ，t h et e m p o r a ls e q u e n c e ( 1 2 ，2 4 、4 8 ， 9 6a n d1 6 8h ) o fp h y s i o l o g i c a lr e a c t i o n s ，i n c l u d i n g ( 1 ) o x i d a t i v em e t a b o l i s ms u c ha sh y d r o g e np e r o x i d e ( 0 2 ) p r o d u c t i o n ，a c t i v i t i e so fs u p e r o x i d ed i s m u t a s e s ( s o d ) ，c a t a l a s e s ( c a t ) ，a s c o r b a t ep e r o x i d a s e s ( a p x ) ，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 n dg l u t a t h i o n er e d u c t a s e ( g r ) ，a n dc o n c e n t r a t i o n so f a s c o r b a t ea n dg l u t a t h i o n e ，a n dg e n ee x p r e s s i o no fs o d ，c a t , a p x ，d h a ra n dg r ；( 2 ) i n v o l v e m e n to f c a l c i u mm e s s e n g e rs u c ha sc h a n g e si nc a mc o n t e n ta n dc a 2 + - a t p a s ea c t i v i t i e s ，a n dt h e i rr e l a t e dg e n e e x p r e s s i o n ，a n d 3 ) s u b c e l l u a rd i s t r i b u t i o no fc a d m i u mi nm a i z ew a sc h a r a c t e r i z e d b i o c h e m i c a l p r o c e d u r ew e r eu s e dt od e t e r m i n et h ea m o u n t a c t i v i t i e so ft h er e l a t e de n z y m e ，p r o t e i no rp r o d u c t si n o x i d a t i v em e t a b o l i s ma n dc a l c i u mm e s s e n g e r , t h er e l a t e dg e n e sw e r ei s o l a t e df r o mm a i z el e a v e su s i n g r a p i da m p l i c a t i o no fc d n ae n d s ( r a c e ) ，a n dn o r t h e r nh y b r i d i z a t i o nw a sa p p l i e dt oi d e n t i f yt h e s t a g e - s p e c i f i ce x p r e s s i o n t h es u b c e l l u l a rd i s t r i b u t i o no fc di nm a i z er o o t sa n dl e a v e sw a sp r o b e dw i t h t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e - - e n e r g y - d i s p e r s i v ex - r a ym i c r o a n a l y s i s ( t e m e d x m a ) t h em a i n f i n d i n g so b t a i n e da l ea sf o l l o w s ： 1 b i o m a s so fm a i z el e a v e sa n dr o o t sd e c l i n e dw i t hi n c r e a s i n gc ds u p p l yl e v e l ，t h eg r o w t h i n h i b i t i o nw a sh i g h e rw i t hp r o l o n g e dc de x p o s u r et i m e 。i tw a sf o u n dt h a tt h eb i o m a s so fm a i z el e a v e s a n dr o o t sa f t e ri n c u b a t i n gf o r1 6 8 hi nt h et r e a t m e n to f1 0 0 t m o l lc dw a s5 2 8 a n d3 3 3 l o w e rt h a n t h a tw i t h o u tc da d d i t i o n ，r e s p e c t i v e l y c da c c u m u l a t i o ni nm a i z ep l a n t se x p o s e dt oc di n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gc ds u p p l yl e v e la n dp r o l o n g e dc de x p o s u r et i m e i tw a sg e n e r a l l yo b s e r v e dt h a tt h eh i g h e s t h i c dp e a ki nr o o ta r o s ei nc e l lw a l l ，a n dt h a t i nl e a ff o l l o w e dat e n d e n c yo fv a c u o l e c e l lw a l l c y t o p l a s m ，i n d i c a t i n gt h a tc dt o x i c i t yi np l a n t sw a sa l l e v i a t e db ys e q u e s t r a t i o no fc d i n t ov a c u o l ea n d a p o p l a s t ( c e l lw a l l ) u n d e rc ds t r e s s 2 。o z g e n e r a t i o nr a t e 、h 2 0 2a n dm 挝o n d i m d e h y d e ( m d a ) c o n t e n ti nl e a v e sa n dr o o t si n c r e a s e d r a p i d l yw i t hi n c r e a s i n gc dc o n c e n t r a t i o n sa n dp r o l o n g e dc de x p o s u r et i m e b o t hs o da c t i v i t ya n d c u z n s o dg e n ee x p r e s s i o nw e r ei n d u c e db yc da n di n c r e a s e da tf i r s t ，t h e nd e c l i n e dc o n s i d e r a b l yi n t h et r e a t m e n to f5a n d2 0i - l m o l lc da f t e ri n c u b a t i n gf o r4 8 h ，h o w e v e lt h o s ea t1 0 0i x m o l lc d r e m a i n e dah i g h e rl e v e la f t e ri n c u b a t i n gf o r1 6 8 h t h e r e f o r e ，t h ee x p r e s s i o no fc u , 7 _ , n s o dg e n ew a s r e g u l a t e db yc da tt r a n s c r i p t i o nl e v e la st h eg e n ee x p r e s s i o np a t t e r ni sc o n s i s t e n tw i t ht h ec h a n g eo f t h i s e n z y m ea c t i v i t y c a ta c t i v i t yi nm a i z el e a v e sw a si n d u c e db yc de x p o s u r ea n di n c r e a s e da tf i r s ti nt h et r e a t m e n to f 5a n d2 0i x m o l lc d , t h e nd e p r e s s e dg r a d u a l l ya f t e ri n c u b a t i n gf o r2 4 h ，w h i l et h a tw i t hc ds u p p l yl e v e l o f10 0i x m o l lc dw a se v e nl o w e rt h a nt h a to fc o n t r o lt h r o u g h o u tt h ee n t i r ei n c u b a t i o np e r i o d c a t g e n ee x p r e s s i o ni nm a i z el e a v e sw a si n d u c e db y 翻i nt h et r e a t m e n to f2 0 o r1 0 0 t m o l lc d 。t h e n d e c l i n e ds l i g h t l ya f t e ri n c u b a t i n gf o r2 4 h ，b u tr e m a i n e dam a r k e d l yh i g h e rl e v e ld u r i n ge n t i r ei n c u b a t i o n i nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n t r o l ，i n d i c a t i n gt h a tc a tg e n ee x p r e s s i o nm i g h tb er e g u l a t e db y p o s t - t r a n s c r i p t i o n a lo rp o s t - t r a n s l a t i o n a lm o d i f i c a t i o ni nm a i z el e a v e su n d e rc d s t r e s s - a p xa c t i v i t yi nm a i z el e a v e sw a se n h a n c e db yc de x p o s u r e ，a n dw a s2 4 ，6 7 a n d5 0 h i g h e r t h a nc o n t r o la f t e ri n c u b a t i n gf o r1 2 hi nt h et r e a t m e n to f5 ，2 0a n d1 0 0l m o l lc d ，r e s p e c t i v e l y ，t h e n d e c r e a s e dg r a 如蠢】翼e v e nl o w e rt h a nt h a to fc o n t r o la f t e ri n c u b a t i n gf o r16 8 h 。a p xg e n ee x p r e s s i o ni n m a i z el e a v e sw a si n d u c e db yc di nt h et r e a t m e n to f 5o r2 0l x m o l lc d ，a n dr e m a i n e dah i g h e rl e v e l a f t e ri n c u b a t i n gf o r1 6 8 h 。w h i l et h a ti nt h et r e a t m e n t 艇1 1 3 0i x m o l lc dw a si n h a b i t e d ，a n dl o w e rt h a n t h a tw i t h2 0i m o l lc dd u r i n ge n t i r ei n c u b a t i o n ，s u g g e s t i n gt h a ta p xg e n ee x p r e s s i o nm i g h tb e r e g u l a t e db yp o s t - t r a n s c r i 曲o n a lo rp o s t - t r a n s l a t i o n a lm o d i f i c a t i o n 。 3 t h ea s c o r b a t e - g l u t a t h i o n ec y c l e ( a s a g s hc y c l e ) i nl e a v e so fm a i z ec o u l dn o tb ei n d u c e d o b v i o u s l yb yc de x p o s u r ea tl o wc ds u p p l yl e v e l t h et o t a la s c o r b a t e ，r e d u c e da s c o r b a t e ( a s a ) a n d d e h y d r o a s c o r b a t e ( d a s a ) c o n t e n t si nl e a v e so fm a i z ei n c u b a t e da tal o w e rc ds u p p l yl e v e lr e m a i n e d a r e l a t i v e l ys t a b l el e v e lw i t hp r o l o n g e dc de x p o s u r et i m et h m u g h o u tt h ee n t i r ei n c u b a t i o np e r i o d 。b o t h d h a ra c t i v i t ya n dg e n ee x p r e s s i o ni nt h ee a c ht r e a t m e n to fc da d d i t i o nw a sg e n e r a l l yf o u n dt ob e i v l o w e r , a n ds i m i l a rt ot h a tw i t h o u tc da d d i t i o n ，s h o w i n gt h a td h a rg e n et r a n s c r i p t i o nc o u l dn o tb e i n d u c e dw i t hal o w e rc ds u p p l yl e v e l 。i tw a so b s e r v e dt h a tg ra c t i v i t ya n dt o t a la s c o r b a t ec o n t e n t i n l e a v e sw e r ee n h a n c e ds i g n i f i c a n t l yb yc de x p o s u r ew i t h1 0 01 t m o l lc da f t e ri n c u b a t i n gf o r16 8 h ， i n d i c a t i n gt h a ta s a - g s hc y c l ec o u l db ea c t i v a t e db yap r o l o n g e dc de x p o s u r et i m e a tah i g h e rc d s u p p l yl e v e l 毒。t h es e q u e n c eo fc a 2 + - a t p a s ea c t i v i t i e si nc e l lm e m b r a n es y s t e m sw a sp l a s m am e m b r a n e m n o p l a s tm e m b r a n e 、e n d o p l a s m i cr e t i c u l u mm e m b r a n e m i t o c h o n d r i a lm e m b r a n e c 扩a t p a s e a c t i v i t i e si nc e l lm e m b r a n es y s t e m sw e r ee n h a n c e d 姆c da tf i r s t ，t h e nb e g a nt od e c l i n eg r a d u a l l yi n p l a s m a t o n o p l a s ta n de n d o p l a s m i cr e t i c u l u mm e m b r a n e a f t e ri n c u b a t i n gf o r4 8h ，a n di nm i t o c h o n d r i a l l 堇螳国渡瑟ea f t e ri n c u b a t i n gf o r2 4h 。t h ep r o f i l eo fp l a s m am e m b r a n ec a 2 l a t p a s eg e n ee x p r e s s i o nw a s d i s c o v e r e dt ob ei na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a n g e so ft h i se n z y m ea c t i v i t yi nm a i z el e a v e s b o t hc a m c o n t e n ta n dg e n ee x p r e s s i o ni nl e a v e sw a su p - r e g u l a t e dw i t hi n c r e a s i n gc ac o n c e n t r a t i o n s a n d p r o l o n g e dc de x p o s u r et i m ei nc o m p a r i s o nw i t ht h a to fc o n t r o l ，t h ec h a n g e si nc a m c o n t e n tw a sf o u n d t ob ec o n s i s t e n tw i t ht h et e m p o r a le x p r e s s i o np r o f i l e + t h e r e f o r e , g e n ee x p r e s s i o no fb o t hp l a s m a m e m b r a n ec a 2 + a t p a s ea n dc a m w e r ee n h a n c e db yc da tt r a n s c r i p t i o nl e v e l b a s e do na b o v e , a n t i o x i d a n te n z y m ea c t i v i t i e si no x i d a t i v em e t a b o l i s mi nm a i z el e a v e sc a nb e i n d u c e db yc a d m i u m , t h ee x p r e s s i o no fc u z n s o dg e n ew a se n h a n c e db yc da tt r a n s c r i p t i o nl e v e l ， w h i l et h o s eo fc a ta n da p xg e n ew e r eu p - r e g u l a t e da tt h et r a n s l a t i o n a lo rp o s t - t r a n s l a t i o n a ll e v e l i t s e e l n st h a tt h ea s a g s hc y c l ei nl e a v e so f m a i z e c o u l dn o tb ea c t i v a t e do b v i o u s l yb yl o wc ds u p p l y l e v e l ，w h i l ee n h a n c e db yap r o l o n g e dc de x p o s u r et i m ew i t hah i g h e rc ds u p p l y l e v e l tf o rc a l c i u m m e s s e n g e r , b o t hc a 2 + 一a t p a s ea n dc a mg e n ee x p r e s s i o nc o u l db eu p + r e g u l a t e db yc de x p o s u r ea t t r a n s c r i p t i o nl e v e l ，a n da c c o r d i n g l ye n h a n c e d c a 2 + - a t pa s ea c t i v i t i e sa n dc a mc o n t e n t si nl e a v e so f m a i z e k e yw o r d s ：c a d m i u m , m a i z e , o x i d a t i v em e t a b o l i s m , c a l c i u mm e s s e n g e r , m o l e c u l a rp h y s i o l o g y v 独刨性声明 本人声甓甄罴交戆论文燕冀个入在零露撵导下避行瓣舔巍工嚣及彀得簿蘸簿戚 熙。尽我麟知，除? 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含熊他人己缝发 袭或撰写过的研巍成粟，也不包含鸯获霉串瓣农监辩学院或其它教育褫梭酶学谴藏证 饕恧蓑髑过骢材料尊与我一嬲工 乍的阑恚对本蟥究所傲的饪轲贡献均已拦论文中侔了 嘴确的说嗡并表示了谢意。 研究生躲妻立毒线一男年舢目 关于论文使用授权的声明 本人宽垒了解中餐农溉科学院霄关傈督、使蔫学髓论文酶瓣定，霹；孛霞农逝襻 学鳖有投绦璧送交论文熬复露箨彝磁盘，允许论文被避耀和氆澜，可以采用影印、缩 印或扫描簿复制手段保存、汇编学饿论文。同意中国农业科学院可以用不同方式猩不 鼹爨婆上发表、黉搂学蒸论文獒全都霭l 絮分斑窖。 ( 保糍的学位论文在解樾后应遵哿此协议) 黻奎黎饕枣步毒袁护落年i 鼬瑟 簿辉豁名： 耐年善搿t t - i i 中同农业科学院博1 ：学位论丈第1 章绪论 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼皇曼皇, m 曼r a n , n nn n n 皇曼曼曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼量曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼量量量曼皇曼曼曼曼量曼皇曼曼量蔓曼曼曼皇曼皇曼曼舅 第一章绪论 1 1 镉污染及对动植物的毒害作用 镉( c d ) 是自然界中广泛存在的一种重金属微量元素。地壳中镉的质量分数一般是o 1 8m g k g ， 土壤中为o 0 l o 7m g k g 。国际上公认的土壤本底质量分数是0 3 0 4m g k g ，我国主要农业土 壤中镉的质量分数背景值在0 0 1 - - 1 3 4m g k g 之间，平均为0 1 2m g k g ( 许嘉林等，1 9 9 5 ) 。环 境镉污染主要来自矿产开采、工业生产中的“三废”污染、污水灌溉和士壤施肥，特别是磷肥被认 为是农业土壤污染的重要来源，大气沉降也是环境镉来源中一个不可忽视的部分，目前也逐渐引 起了人们的重视( 赵中秋等，2 0 0 5 ) 。我国已有十一个省二十五个地区的农田受到镉的污染( 章士 炎，1 9 9 5 ) 。我国几个典型的环境镉污染区，如贵州赫章铅锌矿镉污染区，江西大余、浙江温 州、沈阳张士灌区、天津和广卅l 市郊的镉污染区等已受到人们的重视。长期食用“镉米”、“镉菜” 可导致人体镉中毒，镉在体内的生物半衰期长达1 0 - - 3 0 年，为已知的最易在体内蓄积的有毒物 质( 廖自基，1 9 8 9 ；w a g n e r , 1 9 9 3 ；a d a m se ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 自上个世纪6 0 年代研究人员弄清了镉污染与日本“痛痛病”的因果关系后，环境镉污染与公 众健康的关系日益受到人们的关注。镉是人体非必需且有毒的元素，生物体内c d 2 + 可与大分子 n 或s 键反应，具有致癌、致畸和致突变作用( w a g n e r , 1 9 9 3 ) 。镉可以通过食物链进入人体并具 有可积累性，其在人体内的半衰期有2 0 - - 一3 0 年，积累到一定的剂量会影响人体健康，严重时则 会导致各种疾病产生，人的肝脏、。肾脏、肺脏和骨骼均为镉的主要靶器官，镉可以引起人体急、 慢性中毒。t e e y a k a s e m e ta 1 ( 2 0 0 7 ) 在泰国对居住在不同镉污染地区居民的调查研究中，发现在高 镉污染区，人体肾脏镉积累较多，慢性病的发病率高于低镉污染区人群。1 9 7 2 年联合国粮农组织 ( f a o ) 与世界卫生组织( w t o ) 联合专家委员会在关于食品污染的毒性报告中指出，镉是仅次于黄 曲霉毒素和砷的食品污染物，联合国环境规划署1 9 8 4 年提出的具有全球意义的1 2 种危害物质中， 镉被列为首位，并于1 9 9 3 年被正式确定为致癌物质，镉污染已成为危害生态环境和人畜健康最 严重的公害之一( 赵中秋等，2 0 0 5 ) 。 镉的高毒性还可能由于其对嘌呤衍生物、嘧啶类、磷酸盐、卟呤以及蛋白半胱氨酸和组氨酸 残基的高亲和性，同样可对植物造成伤害。首先，镉影响植物对营养元素的吸收，s a n d a l i oe ta 1 ( 2 0 0 1 ) 研究发现营养液中加镉可导致植物地上部对c u 、m n 、z n 的吸收减少。s h a oe ta 1 ( 2 0 0 7 ) 也 发现在水稻中，c d 胁迫影响植物对c u 和z n 的吸收。研究显示，镉胁迫下玉米叶片变黄，叶绿素 中罔农、世科学院博f ：学位论文 第1 章绪论 生物合成及光合作用酶活性受到抑制( 周卫等，1 9 9 9 ；p e r f u s b a r b e o c he ta 1 ，2 0 0 2 ) ，膜脂过氧化发 生，植株最终死亡( 汪洪等，2 0 0 1 ；r o m e r o p i l e n a se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。v i t 6 r i ae ta 1 ( 2 0 0 7 ) 在c d 处理 2 4 d x 时的萝卜苗中，叶绿体外形改变，基质增加，双层膜上有大量电子密集颗粒的淀积；类囊体 发生重组，核膜降解消失，线粒体也有镉淀积，但液泡没有任何变化。a n d e r s s o n & n i l s s o n ( 1 9 7 4 ) 认为c d 2 + 可以与c a 2 + 竞争植物根系上吸收位点，c d “还可以通过膜系统的c a 2 + 通道进入植物细胞 中，从而影响对c a “的吸收。高浓度的镉能干扰植物的光合作用、抑制呼吸作用及氮代谢，造成 植物生长受阻，生物量积累降低( p e r e i r ae ta 1 ，2 0 0 2 ；o r t e g a - v i l l a s a n t ee ta 1 ，2 0 0 5 ) 。c d 2 + 可结合 许多酶活性中心或蛋白巯基，取代蛋白反应中心的必需金属c a 、f e 、z n 等，干扰植物的氧化代谢， 引起膜脂过氧化，导致膜的损伤。由于c d 2 + 的离子半径与c a “相近，可代替c a “与钙调蛋白上的 c a 2 + 结合位点结合，干扰钙信使的调控过程( c h e u n g ，1 9 8 8 ) 。 1 2 植物耐镉的生理基础 植物对重金属的忍耐机制包括避性和耐性。“避性”是指植物通过少吸收环境中高含量的重金 属而免受毒害，此时植物体内重金属浓度较低。避性机制包括限制重金属离子的跨膜吸收，以及 重金属与根系产生的有机物质发生络合反应，使环境中有效态重金属离子的含量降低，避免受害 ( b a k e r ，1 9 8 7 ) 。如“ue ta 1 ( 2 0 0 7 ) 发现，镉胁迫下红树根系分泌物中低分子量有机酸增加，根际 土壤络合态的镉也增加。“耐性”则是指植物能够生存在高浓度的重金属环境中体内保持高浓度重 金属而不受伤害的生理机制。b a k e r ( 1 9 8 7 ) 认为，耐性又包括金属排斥性和金属累积性。金属排 斥性是指重金属被植物吸收后又被排出体外，或重金属在植物体内的运输受到障碍。b e l l e g h e me t a 1 ( 2 0 0 7 ) 研究拟南芥中镉的亚细胞分布时发现根系和叶片韧皮部细胞中隔大量存在，认为镉通 过韧皮部从叶返回根部的外排是重要的解毒机制。金属累积性则包括区室化作用和钝化作用。区 室化是指将重金属隔离在植物体内某些特定的部位或细胞器中，避免其对细胞造成伤害。区室化 和活性钝化往往联系在一起共同发挥解毒作用。避性和耐性被认为是植物对重金属忍耐的第一次 防御，镉胁迫后植物体内活性氧爆发，抗氧化酶活性的增加被认为是重金属忍耐的第二次防御 ( s a g i & h u h r ，2 0 0 6 ) 。具体的，植物对镉耐性的生理基础主要有以下方面： 1 2 1 镉的吸收和运输限制 镉对植物产生毒害的前提是进入植物体内，因此减少镉进入植株体成为植物对镉毒害耐性的 第一步。根系是吸收和积累土壤中镉的最初也是最关键的部位。植物在吸收镉以后，6 5 - 一9 0 2 中圉农、l k 科学院博f ：学位论义第一章绪论 量曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼罾量皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇量曼量鼍曼曼曼量曼曼量曼曼曼量葛i 一；1 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇 的镉积累在根部，迁移至地上部的一般较少，如水稻中根、茎叶、糙米中镉的比例为8 0 ：5 ：l ( 夏 增禄等，1 9 8 8 ；1 9 9 2 ) ，在向日葵、玉米，豌豆、b m o n n i e f i 、白羽扇豆和苎麻等均得到现类似结 果( d r a z k i e w i c ze ta 1 ，2 0 0 3 ；d r a z k i e w i c ze ta 1 ，2 0 0 5 ；p a g ee ta 1 ，2 0 0 6 ；m i s h r ae ta 1 ，2 0 0 6 ；v a z q u e ze t a 1 ，2 0 0 7 ；w a n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) 。减少镉由根系向地上部转运积累，对减轻对地上部镉毒害有重要的 意义。但也有例外，烟草中的大部分镉( 8 0 ) 积累在叶片中( c l k a r ee ta 1 ，1 9 8 9 ) ，胡萝卜和菠菜也 是叶中镉的含量高于根系( g u t o t m s n ee ta 1 ，1 9 9 5 ；r a m o se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。而c h e ne ta 1 ( 2 0 0 6 ) 也发 现镉在大麦中的积累以麦粒中最高。另外，植株不同部位镉的分配比例存在着种间和品种间差异， 如耐镉性较强的小麦品种向地上部转运的镉也少于镉敏感品种( 万敏等，2 0 0 3 ) 。 根系细胞壁由含有大量带负电荷的羧基、羟基和氨基的多聚物( 纤维素、半纤维素和胶质) 和蛋白构成，是镉进入细胞的第一道屏障，一部分镉会在此形成沉淀，是阻i ：镉进入原生质以减 轻其毒害的原因之一( 杨居荣等，1 9 9 4 ；w a n ge ta 1 ，2