（细胞生物学专业论文）多胺对水生植物重金属胁迫的缓解效应及机理研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究t 作。 2 、本论文是我个人在导师指导r 进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文巾除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作j ，声明并表示 了谢意。 作者签名：土圣一 日期：2 翌垒：l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学何论文并向围家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位治文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索i 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名 日期 j l 字 至型：芏：1 8 摘要 摘要 重金属污染己经成为一个日趋严重的环境问题。重金属可以通过食物链富集 进入人体，对人类健康造成极大危害。在重金属的富集过程中，植物作为初级生 产者起着重要的作用。因此，植物对重金属毒害的抗性机理以及提高植物抗重金 属胁迫能力的探索研究越来越引起人们的关注。多胺( p a s ) 是植物体内普遍存 在的一类脂肪族含氮碱，是调控植物生长、发育的重要活性物质。有关p a s 与植 物抗旱、抗盐关系的研究较多，然而对于p a s 与植物抗重金属胁迫关系的研究却 甚少，也从未见过重金属对水生植物体内p a s 含量影响以及外源p a s 缓解水生植 物重金属胁迫的研究报道。 本文阱分布广泛的沉水植物菹草、浮水植物一荇菜以及挺水植物一慈姑为 研究对象，以植物非必需金属元素一h g 和兼具营养和毒性的金属元素c u 为胁 迫因子，将植物培养在人工模拟的分别含有这两种典型重金属的污水中，系统研 究了内源多胺水平变化与水生植物抗重金属胁迫之间的关系以及外源多胺对水 生植物重金属胁迫的缓解效应和机理。研究结果表明： ( 1 ) 不同浓度的c u 和h g 胁迫6d 后，菹草叶内游离态腐胺( f p u t ) 上升， 游离态亚精胺( f s p d ) 和游离态精胺( f g p m ) 含量下降。而所有结合态的p a s 都 随重金属浓度的升高呈现为下降趋势。此外，c u 、h g 胁迫还导致了游离态脯氨酸 ( f p r o ) 含量的降低。统计分析显示，重金属浓度与f p a s 及f p r o 含量之间皆为线 性关系。重金属浓度与( f s p d + f s p m ) f p u t 和f p r o f p u t 比值间均为显著负相 关。由此可以推测菹草叶内f p a s $ 口f p r o 都可能与胁迫信息传递有关，而( f s p d + f s p m ) f p u t 和f p r o f p u t 的比值在信号传导中可能起决定性的作用。 ( 2 ) 不同浓度的c u 胁迫6d 后，慈姑根叶中所有的f p a s 随着c u 浓度的升 高均逐渐下降；并与c u 浓度间皆成显著负相关。腐胺和尸胺的两种结合态形式随 c u 胁迫的加重逐渐上升，这可能与二者由游离态向结合态转化有关。随c u 浓度的 升高，根、叶中的高氯酸可溶性结合态s p d ( p s c s p d ) 芹d s p m ( p s c s p m ) 呈下降趋势， 高氯酸不溶性结合态s p m ( p i s c s p m ) 则为先升后降。除p i s c s p d 外，慈姑根叶 中的其它种类和形态的p a s 变化趋势都基本上是相同的，但f p r o s d p i s c s p d 在两 器官中的变化趋势却截然相反，随着c u 浓度的升高，根中f p r o 和p i s c s p d 逐渐下 降，而叶中的f p r o 和p i s c s p d 在c u 胁迫下却显著上升。根、叶中f p r o 和p a s 的变 摘要 化差异可能与两器官受胁迫的程度不同有关。f p u t 的下降以及游离态p a s 向结合 态p a s 的转化可能增强了慈姑抗c u 胁迫的能力。 ( 3 ) 用不同浓度的外源s p d 和s p m 处理荇菜发现两者的最适浓度分别在 0 1 0 5 和o 0 5 o 1 m m o l l 之间，过高浓度( 5m m o l l ) 的外源s p d 和s p m 都 对荇菜有一定的毒害作用，这一点类似于激素；但从使用浓度上来看，其值远高 于激素的最适浓度( 1 0 1 1 0 m m o l l ) ，由此可见p a s 并不是一种激素，它可 能是一种胁迫信号的传递物质。 ( 4 ) 外施0 1m m o l l 的s p d 和s p m 显著的提高了铜胁迫下荇菜叶内的抗 坏血酸( a s a ) 含量以及超氧化物歧化酶( s o d ) 、谷胱甘肽过氧化物酶( g s h - p x ) 和抗坏血酸过氧化物酶( a p x ) 的活性，增强了细胞的抗氧化能力，从而降低了 o i - 的产生速率和h 2 0 2 含量，有效的阻止了铜胁迫诱导的活性氧的过度积累。单 一c u ( 5 0um o l l ) 处理导致了不饱和脂肪酸氧化，使之向饱和脂肪酸转化， 从而降低了不饱和指数( i u f a ) ，并进一步导致膜质过氧化，造成m d a 在细胞内 大量积累，而外施s p d 和s p m 可以通过降低铜胁迫下荇菜叶内的活性氧水平， 有效的阻止其不饱和脂肪酸组分的氧化及i u f a 的下降，降低脂质过氧化和m d a 含量，从而缓解了c u 诱导的氧化胁迫，保护了各种生物膜，阻止了细胞膜透性的 升高。 ( 5 ) 细胞膜是细胞与外界环境相接触的选择透过性膜，5 0um o l l 的c u 处理显著的提高了细胞膜的透性，破坏了细胞膜的完整性。从而导致了c u 在荇 菜叶细胞中大量积累，k 、n a 、p 大量渗出以及z n 、m n 、m g 和c a 在细胞中显著 增加。由此可见c u 处理打破了细胞中各营养元素固有的平衡。而外施0 1 m m o l l 的s p d 和s p m 降低了荇菜叶细胞膜的透性，从而阻止了c u 在细胞内的 过量积累，并有效的维持了细胞内各营养元素的平衡。此外，外源s p d 和s p m 还阻止了叶绿素和光合速率的下降，以及呼吸速率的上升。 ( 6 ) 从形态结构上来看，c u ( 5 0um o l l ) 胁迫4 天后，荇菜叶上下表皮的 细胞均严重脱水变形，气孔塌陷并丧失了原有的形态结构。此外，c u 胁迫也严 重的破坏了细胞的超微结构。其核染色质凝集，核仁消失，核膜破裂；叶绿体膨 大、破损或解体：线粒体嵴突膨胀、部分线粒体空泡化。而外施0 1m m o l ls p d 可以有效的缓解c u 诱导的这些症状。 摘要 综上所述，外源s p d 和s p m 可以通过提高植物的抗氧化能力，保护细胞的各 种生物膜，阻止重金属在植物体内大量积累，从而缓解了水生植物的重金属毒害。 然而，无论是从水生植物的内源p a s 含量来看，还是从外施p a s 的有效浓度来看， 水生植物体内的p a s 都不可能是一种激素。鉴于内源f p a s 含量与重金属胁迫程 度成显著相关性，笔者推测水生植物体内的f p a s 可能是胁迫信号的传递物质。 它们可能将胁迫信号传递到细胞的靶位置，诱导抗氧化物的合成，提高植物的抗 逆性。 关键词：多胺；水生植物；汞；铜：缓解 a b s t r a c t a b s t r a c t h e a v ym e t a l ( 珈) p o l l u t i o nh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m i n sm a ye n t e rh u m a nb o d yt h r o u g ht h ef o o dc h a i n sa n dl e a dt ov a r i o u s d i s e a s e s d u r i n g t h e p r o c e s s o fi nb i o a c c u m u l a t i o n ，p l a n t sp l a y s i g n i f i c a n tr o l e sa sp r i m a r yp r o d u c t i o n si nm a n yh a b i t a t s t h e r e f o r e ， m u c ha t t e n t i o nh a sb e e nd e v o t e dt ot h es t u d i e so nt h em e c h a n i s m so f 瑚 t o l e r a n c ei np l a n t sa n dh o wt oi m p r o v e 叫t o l e r a n c eo fp l a n t s p o i y a m i n e s ( p a s ) a r eu b i q u i t o u sa l i p h a t i cc a t i o n so fl o wm o l e c u l a rw e i g h ta n dc a n r e g u l a t ep l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r em a n y s t u d i e so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a sa n dp l a n tt o l e r a n c et ov a r i o u s s t r e s s e s ，s u c ha sd r o u g h t ，s a l ta n ds oo n h o w e v e r ，v e r yl i t t l es y s t e m a t i c w o r kh a sb e e n d o n eo nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a s a n dh ms t r e s s ： f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so fh m so np ac o n t e n t si na q u a t i cp l a n t sa sw e l l a st h ep o s s i b l ep r o t e c t i v er o l eo fe x o g e n o u sp a sa g a i n s th mp o i s o nh a v e n o ty e tb e e nd o c u m e n t e d i nt h i sp a p e r ，t h e r e f o r e ，t h r e ea q u a t i cp l a n t s w i t hd i f f e r e n te c o t y p e s ( p o t a m o g e t o nc r s p g sl ，s u b m e r g e dp l a n t ： n y m p h o f d e sp e t t a t u m ( g m e l ) k u n t z e ，f l o a t i n gp l a n t ：s a g i t t a r f a s a g i t t i f o l i al ，e m e r g e dp l a n t ) w e r ec h o s e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s h ga n dc uw e r es e l e c t e da st h es t r e s sf a c t o r s ：t h ef o r m e ri sa nu n e s s e n t i a l e l e m e n t ，w h i l et h el a t t e ri sa ne s s e n t i a lm i c r o e l e m e n to fp l a n t s t h e s e p l a n t sw e r ec u l t i v a t e di ns o l u t i o nc o n t a i n i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o fc ua n dh gu n d e rl a bc o n d i t i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n d o g e n o u sp a l e v e l sa n d 蹦s t r e s sa sw e l la st h em e c h a n i s m sf o rt h ep r o t e c t i o no f a q u a t i cp l a n t sf r o mt h et o x i ce f f e c t so fi n sw e r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t sa r ea sf 0 1 l o w ： ( 1 ) h ga n dc us t r e s s e si n d u c e da ni n c r e a s ei nf r e ep u t r e s c i n e ( f p u t ) c o n t e n ta n dad e c r e a s ei nt h ec o n t e n t so fb o t hf r e es p e r m i d i n e ( f s p d ) a n d s p e r m i n e ( f s p m ) a f t e r6dt r e a t m e n t i nc o n t r a s t ，a l lo ft h ec o n j u g a t e d p a st o o ko nd e g r e s s i v et r e n d sw i t hi n c r e a s i n gm e t a lc o n c e n t r a t i o n s i n a d d i t i o n ，c ua n dh gs t r e s s e sr e s u l t e di nt h er e d u c t i o no ff r e ep r o l i n e ( f p r o ) l e v e l c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n a l y s i s s h o w e ds i g n i f i c a n t l y o u a n t i t a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nh mc o n c e n t r a t i o n sa n dt h el e v e l so ff p a s a n df p r o a sw e l la sb e t w e e nh mc o n c e n t r a t i o n sa n dt h er a t i o so f ( f s p d 4 a b s t r a c t + f s p m ) f p u ta n df p r o f p u t t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tb o t hf p a sa n df p r o w e r eb i o l o g i c a lm o l e c u l e si n v o l v e di np l a n tr e s p o n s et o 卸i fs t r e s st h a t m i g h tb er e l a t e dt os t r e s ss i g n a l i n g ，m o r e o v e r ，t h er a t i o so fb o t h ( f s p d + f s p m ) f p u ta n df p r o f p u tm i g h tp l a yc r u c i a lr o le si ns t r e s ss i g n a l t r a n s d u c t i o n ( 2 ) a f t e r6dt r e a t m e n t a l lo ff p al e v e l si nt h er o o t sa n dl e a v e so f ss a g f t t i f o d f ad e c l i n e dp r o g r e s s i v e l yw i t hi n c r e a s ei nc uc o n c e n t r a t i o n ， a n dw e r es i g n i f i c a n t l yn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hc uc o n c e n t r a t i o n i n c o n t r a s t ，b o t hc o n j u g a t e dp u t r e s c i n ea n dc a d a v e r i n ea u g m e n t e dw i t ht h e r i s eo fc uc o n c e n t r a t i o n t h i sm i g h tb ed u et ot h ec o n v e r s i o no ff r e ef o r m o fp u ta n dc a dt oc o n j u g a t e df o r m w i t hi n c r e a s i n gc uc o n c e n t r a t i o n ，t h e l e v e l so fp e r c h l o r i ea c i ds o l u b l ec o n j u g a t e ds p d ( p s c - - s p d ) a n ds p m ( p s c - - s p i n ) t o o ko nd e c l i n et r e n d s ，w h i l ep e r c h l o r i ca c i di n s o l u b l ec o n j u g a t e d s p m ( p i s c - - s p m ) i n c r e a s e da tl o wc o n c e n t r a t i o n s ，b u td e c r e a s e da th i g h c o n c e n t r a t i o n s a l lk i n d sa n df o r m so fp a se x c e p tp i s c s p dt o o ko n s i m i l a rt r e n d si nr o o t sa n dl e a v e s ，w h e r e a st h ec h a n g et r e n d so ff p r oa n d p i s c - - s p dw e r ed i f f e r e n ti nr o o t sa n dl e a v e s t h el e v e l so ff p r oa n dp i s c s p dd e c r e a s e dg r a d u a l l yi nr o o t s ，w h i l et h e yi n c r e a s e dp r o g r e s s i v e l y i n1 e a v e s t h e i rc h a n g ed i f f e r e n c e sm i g h tb ea t t r i b u t a b l et ot h ed i f f e r e n t d e g r e e so fs t r e s si nr o o t sa n dl e a v e s t h ed e c l i n ei nf p u tl e v e la n dt h e c o n v e r s i o no ff r e ep a st oc o n j u g a t e dp a sm i g h ti m p r o v et h ec ut o l e r a n c e o fss a g i t t i f o l i a ( 3 ) t h em o s ts u i t a b l ec o n c e n t r a t i o n so fs p da n ds p mw e r ei nt h er a n g e s o f0 1 0 5a n d0 0 5 0 1m m o l l ，r e s p e c t i v e l y ，w h e n p e 7 t a t u m w a st r e a t e d w i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fe x o g e n o u ss p da n ds p m e x c e s s i v ea m o u n t s ( 5m m o l l ) o fs p da n ds p mw e r et o x i ct o 卅p c t a r u m i nt h i sp o i n t ，t h e y w e r e 。s i m i f a rt oh o r m o n e s h o w e v e r t h ee f f e c t i v ec o n c e n t r a t i o n sf o rp a s w e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s ef o rc o n v e n t i o n a lp l a n th o r m o n e s ( 1 0 - 41 0 1 r e t o o l l ) t h i ss h o w e dt h a tp a sw e r en o tag r o u po fh o r m o n e s ：t h e ym i g h t s e r v ea ss t r e s s “m e s s e n g e r s ”f o rp l a n t st or e s p o n dt ot h ee n c o u n t e r e d s t r e s s e s ( 4 ) e x o g e n o u ss p da n ds p m ( 0 1m m o l l ) i n c r e a s e de v i d e n t l ya s c o r b i ca c i d ( a s a ) c o n t e n ta n dt h ea 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 o d ) ，g u a i a c o l p e r o x i d a s e ( g s h p x ) a n da s c o r b a t ep e r o x i d a s e ( a p x ) ，a n dd e c r e a s e dt h e 5 a b s t r a c t g e n e r a t i n gr a t eo f0 2a n dh 2 0 2c o n t e n ti nt h el e a v e so f p e l t a t u r nu n d e r c us t r e s s a d d t i o n a l l y ，t h e yi n h i b i t e dt h ed e c l i n eo ft h eu n s a t u r a t i o n i n d e xo ff a t t ya c i d ( i u f a ) a n dt h er i s eo fm d ac o n t e n t ，a n dt h e r e b y p r o t e c t e dv a r i o u sb i o m e m b r a n e sa n dp r e v e n t e dt h ei n c r e a s eo fm e m b r a n e p e r m e a b ili t yi n d u c e db yc us t r e s s ( 5 ) c us t r e s sr e s u l t e di nc ua c c u m u l a t i o n ，t h el e a ko fk ，n aa n dpa n d t h ei n c r e a s eo fz n ，m n ，m ga n dc ai np l a n t s ，w h i l ee x o g e n o u ss p da n ds p i n r e d u c e dc ua c c u m u l a t i o na n dm a i n t a i n e d e f f e c t i v e l yt h eb a l a n c eo f e l e m e n t sb yd e c r e a s i n gm e m b r a n e p e r m e a b i l i t yo f 川p e l t a r u ml e a v e s m o r e o v e r ，e x o g e n o u sp a sp r e v e n t e dt h ei n c r e a s eo fr e s p i r a t o r yr a t ea n d t h ed e c r e a s e so fc h l o r o p h y l lc o n t e n ta n dp h o t o s y n t h e s i sr a t e ( 6 ) a f t e r4 dt r e a t m e n t ，c ud e s t r o y e d s e r i o u s l yt h em o r p h 0 1 0 9 i c a l s t r u c t u r ea n du l t r a s t r u c t u r eo fl e a fc e l i s c us t r e s sr e s u l t e di n d e h y d r a t i o na n dd i s t o r t i o no fe p i d e r m i sa n dg u a r dc e l l s ：c o n d e n s a t i o no f c h r o m a t i ni nn u c l e u s ，d i s p e r s i o no fn u c l e o l u sa n dd i s r u p t i o no fn u c l e a r m e m h r a n e ：s w e l l i n go fc h l o r o p l a s t ，d i s r u p t i o na n dd i s a p p e a r a n c eo f c h l o r o p l a s tm e m b r a n e ，d i s i n t e g r a t i o n o f c h l o r o p l a s t s ：s w e l l i n go f c r i s t a eo fm i t o c h o n d r i a ， v a c u o l i z a t i o no fp a r t i a lm i t o c h o n d r i a e x o g e n o u s l ya p p l l e dp h sa l l e v i a t e dt h e s es y m p t o m si n d u c e db yc u i ns u m m a r y ，e x o g e n o u sp a se n h a n c e dt h ea n t i o x i d a t i v ea b i l i t yo fp l a n t ， p r o t e c t e dt h eb i o m e m b r a n e s o fc e l l ，i n h i b i t e d ma c c u m u l a t i o n ，a n d t h e r e b ya l l e v i a t e dt h et o x i ce f f e c t so fh mo na q u a t i cp l a n t s h o w e v e r t h eh i g hl e v e l so fe n d o g e n o u sf p a sa n de f f e c t i v e l ye x o g e n o u sp a ss u g g e s t e d t h a tp a sm i g h tn o tf u n c t i o na sc o n v e n t i o n a lp l a n th o r m o n e st or e g u l a t e p l a n tr e s p o n s et os t r e s s t h ef a c tt h a tf p a1 e v e l s e r es i g n i f i c a n t l y q u a n t i t a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hh mc o n c e n t r a t i o n ss u p p o r t st h ei d e at h a t e n d o g e n o u sf p a ss e r v e da ss t r e s s “m e s s e n g e r s ”f o ra q u a t i cp l a n t st o r e s p o n s et ot h eh ms t r e s s e s f r e ep a sm i g h tt r a n s f e rt h es t r e s ss i g n a l t ot h et a r g e to fe e l l ，i n d u c e dt h es y n t h e s i so fa n t i o x i d a t i r ee n z y m e sa n d ( o r ) a n t i o x i d a n t s ，a n dt h e r e b ye n h a n c e dp l a n tr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：p o l y a m i n e s ：a q u a t i cp l a n t s ：m e r c u r y ：c o p p e r ：m i t i g a t i v e 6 1 三! i 一 一i 二一 一 日青 刖百 随着现代化工农业生产的迅速发展，环境中重金属污染日趋严重。由于重金 属污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性，一旦进入土壤和水体等生活环境中，采 用物理、化学和工程的方法很难消除，因而会严重影响农副产品的安全性。作为 食物链中初级生产者的植物，由于重金属在其体内大量富集，不仅严重影响它们 本身的生长发育，而且还可经食物链的生物放大作用危及动物和人类。因此，植 物重金属毒害及其抗性机理的研究越来越引起人们的关注。 目前重金属对植物的毒害研究主要集中于：重金属对植物生长发育、光合作 用、呼吸作用、耐受性、敏感性、酶活性、超微结构等的影响( m u n z u r o g l ue ta 1 ， 2 0 0 2 ；k u k k o l ae ta 1 ，2 0 0 0 ：m i r e t z k ye ta 1 ，2 0 0 6 ；s h ie ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 虽然国内外学者已从多方面对植物重金属毒害进行了研究，但对于重金属毒害下 植物体内多胺含量的变化却研究甚少，也从未见过多胺与水生植物抗重金属胁追 之间关系的研究报道。 多胺( p o l y a m i n e s ，p a s ) 是生物代谢过程中产生的具有生理活性的低分子 量脂肪族含氮碱，广泛分布于高等植物体中，其中腐胺( p u t r e s c i n e ，p u t ) 、亚 精胺( s p e r m i d i n e ，s p d ) 和精胺( s p e r m i n e ，s p m ) 分布尤为普遍。生物体内它们主 要以游离态( f r e e ，f ) 、高氯酸可溶性结合态( p e r c h l o r i ca c i ds o l u b l e c o n j u g a t e d ：p s c ) 和高氯酸不溶性结合态( p e r c h l o r i ca c i d i n s o l u b l e c o n j u g a t e d ：p i s c ) 三种形态存在。许多研究者认为p a s 是激素作用的媒介，或 类似c a m p 那样的第二信使，能够参与植物细胞分裂与伸长、胚胎产生、开花坐 果、果实发育以及胁迫反应等多种生理过程，并可抑制乙烯合成、延缓衰老 ( k a l a c 和k r a u s o v a ，2 0 0 5 ：t o d de ta 1 ，2 0 0 3 ) 。已有的研究发现当植物遭 受水分胁迫、酸胁迫、盐胁迫等各种逆境胁迫时，p a s 合成酶活力增加，内源p a s 大量累积。高n a c i 、山梨糖醇、甘露醇等胁迫条件下，豌豆、燕麦、大麦等植 物体内显著增加的p a s 在维持渗透平衡，保护质膜稳定和原生质完整中起了重要 作用( 潘瑞炽和董愚得，1 9 9 7 ) 。p a s 作为适应逆境条件的种新型物质越来越 引起人们的关注。国外对于重金属胁迫下植物体内p a s 含量变化的研究虽有零星 报道( t a u l a v u o r ie ta 1 ，2 0 0 5 ) ，但却只集中于陆生植物组织中游离态p a s 含量的测定上，对于另两种存在状态的p k s 却未见研究报道。国内外也未见重金 刖舌 属对水生植物p a s 含量影响的研究。因而探讨重金属对水生植物体内三种存在状 态的p a s 含量影响均有重要意义。此外，国内外也尚未见外源p a s 缓解水生植物 重金属毒害的报道。 外施适量浓度的p a s 能在一定程度上缓解高渗( l i ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 、除草 剂( s o a re ta 1 ，2 0 0 4 ) 、高温( m u r k o w s k i ，2 0 0 1 ) 等其它逆境胁迫。但这些 研究却仅限于外源p a s 对逆境胁迫下抗氧化酶系统、内源p a s 含量等的影响。众 所周知重金属胁迫并不仅仅是引起这几方面的变化，如上文所述它们是从多方面 对植物产生毒害的。因而我们还应从重金属积累、营养元素平衡、超微结构等多 方面、多层次去验证外源p a s 对逆境胁迫的缓解作用。 对于缓解植物重金属胁迫国内外虽然已进行了一些研究( z h a n ge ta 1 ， 2 0 0 3 ) ，但所用缓解物质往往都会引起二次污染，例如硒、镍、稀土、水杨酸等， 它们虽然都能在一定程度上提高植物对重金属的抗性，但它们本身不是具有毒性 就是可能导致外界环境酸碱度改变，因此在用这些物质来缓解植物重金属毒害的 同时又带来了其它毒害。而p a s 则不同，它们是植物体内的一种正常成分，体内、 体外条件下p a s 均可降解，加之使用浓度很低不会再次引起污染。 鉴于国内外尚未见重金属污染对水生植物体内p a s 含量影响及外源p a s 缓解 水生植物重金属胁迫的报道，我们试图通过该论文的研究，以太湖水系中分布广 泛的沉水植物菹草、浮水植物荇菜、挺水植物慈姑为试验材料。探讨重金属污染 对水生植物体内不同形态的p a s 含量影响与水生植物抗重金属毒害之间的规律 性，进一步验证p a s 在植物胁迫环境适应中的作用，并从抗氧化能力、重金属积 累、营养元素平衡、超微结构等多方面来研究外源p a s 对植物重金属毒害的缓解 作用，以期为抗性生理增添素材，为缓解植物重金属胁迫提供理论依据。 第一章文献综述 第一章文献综述 植物重金属胁迫及植物体内多胺代谢与逆境胁迫的关系 1 植物重金属毒害及抗性机理 近年来由于科学技术的发展，人类利用和开发自然的手段越来越多，规模越 来越大；加上工业生产的迅猛发展和各种化学产品的广泛使用，随之而来的环境 问题也日趋严重。目前一个日益突出的问题是如何控制和减轻重金属对环境的污 染和危害。 2 0 0 5 年6 月份国家环境保护总局发布的全国环境统计公报显示：2 0 0 4 年，全 国废水排放总量4 8 2 4 亿吨( t ) ，比上年增加4 9 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，占废水排放总量的4 5 8 ，比上年增加4 1 ；城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨，占废水排放总量的5 4 2 ，比上年增加5 。5 。在这些废水之中，重金属是 主要的污染物之一。所谓重金属是指密度超过5 o g c m 3 、相对分子量大于4 0 的金 属元素( s e r e g i n 等，2 0 0 1 ) 。而环境污染方面所说的重金属主要是指汞( h g ，水 银) 、镉( c d ) 、铅( p b ) 、铬( c r ) 、铜( c u ) 、锌( z n ) 以及类金属砷( a s ) 等生物毒性显著的重元素。据估计，全世界平均每年排放h g 约1 5 万t ，c u 约 3 4 0 万t ，p b 为5 0 0 万t ，m n 为15 0 0 万t ，n i 为1 0 0 万t ( 崔德杰和张玉龙， 2 0 0 4 ) 。 由于重金属污染的隐蔽性、不可逆性和长期性，一旦进入土壤和水体等生活 环境中，采用物理、化学和工程的方法很难消除，并常常对人体造成不可逆损伤。 历史上有关人重金属中毒的事件很多，其中比较严重的有1 9 4 7 年发生在日本的镉 中毒( 导致骨痛病) ；1 9 5 3 年日本发生的汞中毒( 导致水俣病) ；1 9 5 8 年在日本发 生的砷中毒以及同年加拿大发生的铅中毒。 作为初级生产者的植物，在重金属吸收和富集以及在高营养级的生物重金属 毒害中均起着重要的作用，因此全面理解重金属对植物的毒害机制和植物对重金 属的耐性机制，最大限度的减轻或避免重金属通过食物链的生物放大作用对高营 养级的生物乃至人类造成威胁就显得格外重要。工业化以来，抗污染进化是自然 界一切生物所面临的特殊进化过程。近年来对高等植物重金属抗性分子机制的探 第一章文献综述 索也已成为植物重金属抗性研究的前沿和热点。下面就植物重金属吸收、富集、 毒害和抗性的研究综述如下： 1 1 植物对重金属的吸收与富集一 在生理p h 值下，重金属离子大都带有较多的正电荷，可与植物组织中带负 电荷的大分子化合物( 如：细胞壁、蛋白质、核酸等) 结合，从而影响这些化合 一 物的结构和功能。对于一般植物来讲吸收的重金属主要积累在根系而地上部分的 含量较低( a n g e l o v ae ta 1 ，2 0 0 4 ) 。但对于一些超积累植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 来讲，其地上部分重金属含量往往可以高达普通植物的1 0 0 倍到1 0 0 0 倍( r e e v e s ， 2 0 0 3 ) 。 植物对重金属的吸收、积累能力，通常用富集系数和在植物体内的重金属浓： 度来表示。富集系数是指植物体或某器官中某元素的含量与该元素在培养液( 或 ! 土壤) 中的含量比值。植物对重金属的吸收一般都随外界环境中重金属浓度的升 ： 高而增加，不同植物种类，甚至同种植物不同基因型对重金属的吸收和积累效应 ； 都有显著差异。根据植物积累重金属的能力不同，可以将它们分为三类：( 1 ) 积累 植物( a c c u m u l a t o r s ) ，金属主要积累在枝条中：( 2 ) 指示植物( i n d i c a t o r s ) ，植 ； 物组织中的金属浓度与环境中的一致：( 3 ) 排斥植物( e x c l u d e r s ) ，植物拒绝吸 2 收或金属离子被吸收后又被排出体外，或其运输在植物体内受阻( w e ie ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。植物对重金属的耐性主要有两条基本途径：一是对金属的排斥性：二是通 过调节其生理生化过程，降低重金属的有效性，减轻或消除其毒害。耐性植物作为 污染区植被恢复的先锋植物，对矿区的生态重建有着重要作用。目前人们在重金 属污染的环境中已发现了很多超富集植物和重金属耐性植物，利用这些植物对重 金属的耐性和超富集能力，并结合其共生的微生物体系可以实现对重金属污染 环境的修复。超富集植物的筛选研究在国外起步较早，相继发现了许多超富集植 物。1 5 8 3 年意大利植物学家c e s a l p i n o 首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩 石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 的最早报道， 1 8 1 4 年，d e s v a u x 将其命名为a l y s s u