（环境科学专业论文）镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互关系的研究以及多胺的调控作用.pdf

a b s t r a c t h e a v ym e t a l ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a n t sw h i c hh a v e e x t r e m et o x i c i t ya n dc a nn o tb eb i o c h e m i c a l l yd e g r a d e d ，c a ni n d u c ep l a n to x i d a t i v e d a m a g e ，d i s t u r b a n t eo fm e t a b o l i s m ，a n de v e nd e a t ho w i n gt oa o sa n dn u t r i t i o n s t r e s s e sa n ds oo n ，a n da l s ot h r e a t e nt h eh e a l t ho fh u m a nb e i n gt h r o u g ht h ef o o d c h a i n s o ，i ti sq u i t ei m p o r t a n tt os t u d yt h em e c h a n i s m so fh e a v ym e t a ld a m a g ea n d t o l e r a n c eo fp l a n t sf o rt h ee n v i r o n m e n t a ls a f e t ya n dh e a l t ho fh u m a n b e i n g p a sa r ea n t i o x i d a n t sw h i c hp o s s e s sm u l t i f u n c t i o n ，s u c ha st h er e g u l a t i o no f g r o w t ha n dd e v e l o p m e n t ，a n t i - s e n e s c e n c ea n da n t i - e n v i r o n m e n t a ls t r e s s e so fp l a n t s i n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c t so fe x o g e n o u sp a so np h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l f u n c t i o n so fp l a n t su n d e rh e a v ym e t a ls t r e s s e sc a no f f e rr e f e r e n c e de v i d e n c ef o rt h e m e c h a n i s mb yw h i c hp a sa m e l i o r a t et h ed a m a g et op l a n t s b yh e a v ym e t a la n d i m p r o v et h ep h y t o r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a l - c o n t a m i n a t e dw a t e r w h e ns e e d l i n g so fr a d i s hw e r et r e a t e dw i t hc d 2 + i nh y d r o p o n i cs y s t e m ，i n c r e a s e i nl e v e l so ft h e0 2 r _ ，h 2 0a n dm d aw a so b s e r v e d a n t i o x i d a n te n z y m ea c t i v i t i e s r e s p o n d e dd i f f e r e n t l y t ot h ec o n t e n to fc d ”a n dt i m e o ft r e a t m e n t a m o n gt h e s e e n z y m e s 。p o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eg ra c t i v i t ya n dc o n t e n to fc d 2 + ，a n dg r a c t i v i t ya n dt i m eo ft r e a t m e n te x i s i t e di nb o t hl e a v e sa n dr o o t s t h ee f f e c t so fe x o g e n o u ss p do nt h ea n t i o x i d a n ts y s t e mu n d e rc d 2 + s t r e s si n t y p h al a t 的l i al g r o w nh y d r o p o n i c a l l yw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c d 2 + i n c r e a s e dt h eg e n e r a t i o no f0 2 一，t h eh 2 0 2a n dm d ac o n t e n t si nb o t hl e a v e sa n d c a u d i c e s w i t ht h ee x c e p t i o no fs o da c t i v i t yi nt h el e a v e s ，t h ea c t i v i t i e so fc a t ， g p xa n dg ri nb e t hc a u d i c i e sa n dl e a v e s ，a n ds o da c t i v i t yi nc a u d i c e sw h e r e a s a p xi nl e a v e sw e r ei n c r e a s e df o l l o w i n gc d ”t r e a t m e n t t h eg s hc o n t e n ti nb o t h c a u d i c i e sa n dl e a v e sa n dt h ea s ac o n t e n to n l yi nl e a v e sw a so b v i o u s l yi n c r e a s e d ， w h i c hw e r ep r o m p t e db yt h ea p p l i c a t i o no fs p d s p r a y i n gw i t hs p di n c r e a s e dt h e a c t i v i t yo fg ra n da p xi nb o t ht i s s u e s ，w h i l et h ea c t i v i t yo fs o d ，c a ta n dg p x o n l yi nc a u d i c e s t h eg e n e r a t i o no f0 2 - - a n dm d a c o n t e n t si nb o t ht i s s u e sd e c r e a s e d b ys p d t h ed e c r e a s ei nm d a w a sm o r eo b v i o u sf o l l o w i n gt h ea p p l i c a t i o no fo 2 5 t h a n0 5 0m m o l ls p d i nc o n t r o la n ds p dt r e a t m e n tp l a n t s ，t h ea c c u m u l a t i o no fc d w a sm a i n l yi nr o o t s n e x tc a u d i c e s ，a n dl a s tl e a v e s ，a n dt h es u b c e l l u l a rd i s t r i b u t i o no f c di su n e v e n f o l l o w i n gt h eo r d e ro fc e l lw a l l s o l u b l ef r a c t i o n e e l lo r g a n s t h e e f f e c t so fs p do nt h eu p t a k ea n dt r a n s l o c a t i o no fc da n do t h e rn u t r i e n te l e m e n t si nt 硕士学位论文 l a t i f o l i al u n d e rc ds t r e s sv a r i e da m o n ge l e m e n t s ，p l a n tp a r t s ，c o n c e n t r a t i o n sc da n d s p di nt h em e d i a c ds t r e s si n c r e a s e dt h ec o n c e n t r a t i o n so ff ea n dc ui nr o o t sw h i c h w e r ep r o m p t e db yt h ea p p l i c a t i o no fs p d k e yw o r d s ：c a d m i u m ；a o s ；o x i d a t i v ed a m a g e ；a n t i o x i d a n ts y s t e m ；s u b e e l l u l a r d i s t r i b u t i o n ；n u t r i t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；s p d ；h y d r o p o n i cc u l t u r e ；rs a t l v u sl ； t y p h al a t i f o l i al 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互关系的研究以及多胺的调控作用 插图索引 图4 1 萝b 实验技术线路图3 2 图4 2 镉胁追对萝h 幼苗0 2 一产生速率的影响3 7 图4 _ 3 镉胁追对萝b 幼苗h 2 0 2 含量的影响3 8 图4 4 镉胁迫对萝b 幼苗m d a 含量的影响3 9 图4 5 锈胁迫对萝卜幼苗s o d 活性的影响4 0 图4 6 镉胁迫对萝b 幼苗c a t 活性的影响4 0 图4 7 镉胁迫对萝h 幼苗g r 活性的影响4 l 图5 1 宽叶香蒲实验技术路线图4 7 图5 2 外源亚搪胺对镊胁迫下宽叶香蒲超氧阴离子产生速率的影响5 3 图5 3 外源驱糟胺对镉胁迫下宽叶香蒲过氧化氢含量的影响5 3 图5 4 外源亚精胺对镉胁迫下宽叶香蒲谷胱甘肽含量的影响5 4 图5 5 外源亚精胺对镉胁迫下宽叶香蒲抗坏血酸含量的影响5 5 图5 6 外源亚猜胺对镉胁迫下宽叶香蒲丙二醛含量的影响5 5 图5 7 外源亚精胺对诵胁迫下宽叶香蒲超氧化物歧化酶活性的影响5 6 图5 8 外源亚精胺对镉胁迫下宽叶香蒲过氧化氢酶活性的影响5 7 图5 9 外源亚精胺对镉胁迫下宽叶香蒲愈创木酚过氧化物酶活性的影响5 7 图5 1 0 外源亚精胺对镉胁迫下宽叶香蒲抗坏血酸过氧化物酶活性的影响5 8 图5 外源亚精胺对诵胁迫下宽叶香蒲谷胱甘驮还原酶活性的影响5 8 图6 1 宽叶香蒲植株的亚细胞分离流程6 6 图6 2c d 2 + 进入细胞激活p c 合成酶，催化p c 合成，c d p c 复合物主动运输7 0 v 硕士学位论文 附表索引 表4 1 不同浓度和时间镉处理的实验方案设计3 3 表4 2 镉胁迫下萝h 幼苗s o d c a t 值的比较4 2 表5 1 镉和亚精胺各处理的实验方案设计4 7 表6 1 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对镉的吸收6 8 表6 2 镉在宽叶香蒲根系、地下茎和叶片中的亚细胞分布6 9 表6 3 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对镁的吸收7 1 表6 4 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对铁的吸收7 2 表6 5 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对铜的吸收7 2 表6 6 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对锰的吸收7 3 表6 7 不同镉、亚精胺处理宽叶香蒲对锌的吸收7 4 v 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元索相互关系的研究以及多胺的调控作 j 缩写词表 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 寻砂畚葛 日期：溉r 月r 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：寻勿务豸 作者签名：吖乃斧蕴 剔谥轹叫虱 日期：a 门r 年，月f 。a 醐列可月日 硕士学位论文 m l 第l 章绪论 随着经济的快速发展，三废的排放、矿产的开发和利用、污水灌溉以及农药、 除草剂和化肥的使用等，严重地污染了土壤、水质和大气，导致环境污染日趋严 重。给社会、经济和人类造成不可估量的危害。许多残酷的现实告诉人们，人类 经济水平的提高和物质享受的增加，在很大程度上是以牺牲环境与资源为代价的。 据统计，我国矿区累计被破坏的土地面积达2 8 8 万h m 2 并且每年以4 6 7 万h m 2 的速 度增长l lj ，同时，受重金属污染的耕地多达2 0 0 0 万h m 2 。每年生产重金属污染的 粮食高达1 2 0 0 万t 【2 j 。重金属( 密度5g e m 3 ) 是全球环境最重要的污染物之一， 具有下述特点：毒性强，不能为生物所分解，大多数也不能通过焚烧的方法从土 壤中去除；能通过活性氧等的中介作用【3 - 7 1 ，导致植物氧化伤害，乃至死亡，而且 能通过食物链在生物体内富集，进而危及人类身体健康等。比如，贵州某地农村 炼锌，三百多公里的地带被毁损缛寸草不生；2 0 世纪6 0 年代，发生在日本神通川 流域的第二公害病骨痛病，就是由于食用了被镉废水污染的土壤所生产的“镉 米”所致。因此，研究植物重金属伤害及其抗性机理有重要意义。只有充分了解 了植物重金属伤害及其抗性机理，才有可能提出避免植物重金属伤害的有效措施， 提高植物对重金属的抗性和环境重金属污染的植物修复效率，实现经济和生态环 境的可持续发展。 1 1 重金属污染对植物的伤害效应 许多重金属都是植物生长发育所必需的微量营养元素。但是，当环境中重金 属的含量超过某一临界值时，就会对植物产生一定的毒害作用，轻则使植物体内 的代谢过程紊乱，生长发育受到抑制，重则导致植物死亡。 重金属污染对植物的伤害效应可以分为直接( 原初) 伤害和间接( 次生) 伤 害。直接伤害表现在对以下基础代谢的影响：光合作用、呼吸作用、水分代谢、 碳水化合物代谢、氮素和核酸等的代谢。重金属污染还可以通过改变植物根际土 壤环境以及营养胁迫等实现对植物的间接伤害。这些伤害的表观现象为：植物褪 绿、生长迟缓、植株矮小、产量下降、乃至死亡等。 1 1 1 重金属污染对植物的直接伤害 细胞膜是一种选择透过性膜，是外界有毒物质进入植物细胞内的屏障。重金 属胁迫能通过加强细胞膜脂质的过氧化等作用，使膜的组成和结构的完整性遭到 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互荧系的研究以及多胺的调控作用 破坏，从而渗透性增加，外界重金属离子进入细胞，细胞内的离子和有机物大量 外渗，进而植物体内一系列生理生化过程失调，导致植物的直接损伤。 细胞内积累的重金属可以通过各种方式影响植物本身的生理生化活动，干扰 细胞的正常代谢，这是一个十分复杂的过程，但是其中何为关键因素，仍有待深 入的研究。 1 1 1 1 光合作用 许多研究表明，重金属胁迫能通过减少光合作用的放氧量【扪、阻碍光合作用 中c 0 2 的固定以及抑制光电子传递活性【9 1 等来降低植物的光合作用，并且这种效 应与胁迫程度正相关。同时，光合作用的降低也与植物的种类、发育时期以及重 金属的种类有关。 重金属对光合作用的抑制作用，主要是通过叶绿体和叶绿素等光合系统的症 状得以表现。金属污染对植物叶绿体构造和功能的影响表现为：叶绿体的基粒片 层稀疏，层次减少，分布不均，严重时片层消失，类囊体出现空泡，基粒垛叠混 乱，甚至膜系统崩溃，叶绿体球形皱缩，出现大而多的脂类小球。重金属对植物 叶片色素也产生明显的效应：叶绿素含量以及叶绿素a b 比值显著降低。 1 1 1 2 呼吸作用 植物呼吸作用对重金属胁迫的反应特别明显，并与植物对重金属的适应能力 和植物本身的代谢调节有关。呼吸作用的效应不论是增大还是减小，主要是由于 重金属作用于呼吸过程中酶活性的结果。重金属胁迫能使植物体内与呼吸有关的 的磷酸还原酶、葡萄糖6 。磷酸脱氢酶、异柠檬酸脱氮酶以及苹果酸脱氢酶等的活 性都明显受到影响【l o 】。 线粒体是植物体内呼吸作用的场所，所以重金属对呼吸作用的影响必然与其 对线粒体的伤害密切有关。线粒体是对重金属污染较敏感的细胞器，轻微损伤的 线粒体的嵴减少或者消失，严重损伤时，线粒体肿胀成巨大型线粒体，内腔出现 空泡，从而线粒体发生溃解。 1 1 1 3 水分代谢 目前，有关重金属对植物水分代谢的影响了解较少，具体机理尚不清楚，有 待深入研究。重金属污染对水分代谢的影响表现为：能艘植物缺水，能够阻碍植 物根部吸收的水分向地上部分运输i 】：可以引起永久性的细胞质和细胞壁分离并 使植物组织失水【1 2 】；同时，有些重金属能通过调节气孔阻力而对植物的蒸腾作用 产生影响【”l ，蒸腾能力的下降可能与重金属诱导的植物体内脱落酸( a b a ) 含量 的增加有关。 1 i 1 4 碳水化合物代谢 硕士学位论文 重金属污染后，植物体内碳水化合物代谢紊乱，反映为可溶性糖和淀粉含量 发生变化。这种变化与重金属的污染程度相关，般表现为：低浓度重金属能增 加植物体内可溶性糖的含量，高浓度重金属条件下，可溶性糖含量则降低。糖类 代谢的素乱可能与葡萄糖酶，蔗糖酶等酶活性的变化有关。 1 1 1 5 氮素代谢 重金属污染对植物氮素代谢的干扰是通过降低氮素的吸收，改变硝酸还原酶 活性 1 4 , 1 5 l ，改变氨基酸组成，阻碍蛋白质合成以及加速蛋白质分解来实现的，进 而导致植物体内氨基酸特别是脯氨酸的水平发生明显变化，而且这些生理交化均 与植物种类、重金属种类及其浓度相关。通常把脯氨酸含量的变化作为植物体内 氨基酸代谢是否遭受重金属影响的指标。硝酸还原酶是植物氮同化和吸收的一种 关键酶，对重金属的污染特烈敏感。蛋自质合成的起动阶段需m 9 2 + 的参与，但是， 在重金属污染的情况下，m 9 2 + 可能被重金属离子交换，故蛋白质的合成无法启动， 蛋白质合成受阻。另外，受重金属胁迫的影响，蛋白酶活性的变化也与蛋白质的 代谢紊乱有关。 1 1 1 6 核酸代谢 受重金属污染的植物，体内细胞核、核仁严重遭到破坏，导致染色体复制和 d n a 合成受阻，核酸代谢失调。比如，进入植物细胞内的c d 2 + 和p b 2 + 能够与带 负电荷的核酸结合，降低r n a 和d n a 活性，干扰植物体内d n a 和r n a 的转录 和翻译过程，结果导致r n a 的合成受到抑制，含量降低1 6 l ，而d n a 和r n a 的 转录和翻译与蛋白质合成有关，因此，也可以利用重金属抑制d n a 和r n a 的合 成来解释重金属抑制蛋白质的合成。 1 1 1 7 植物激素 植物激素也参与了对重金属污染的反应。研究表明，重金属能使吲哚乙酸合 成受到抑制，刺激吲哚乙酸氧化酶的活性，加速吲哚乙酸的分解。从而使生长素 含量急剧下降；内源多胺含量也受重金属污染的影响【 。9 1 ，一般表现为腐胺累积。 1 1 2 重金属污染对植物的间接伤害 植物的生长发育需要十分有利的外界环境，任何干掘植物生长的环境因子都 可能影响植物的代谢活动。重金属污染可以通过改变植物根际的土壤环境以及营 养胁迫等间接对植物产生伤害效应。 1 1 2 1 对土壤的影响 土壤是植物的天然培养基，又是植物体内重金属的主要来源。因此，研究重 = ；= 属对土壤环境的影响，对治理重会属污染，生产绿色食品具有重要意义。 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互关系的研究以及多胺的调控作川 重金属积累能使土壤微生物体系发生显著变化，比如能减少土壤微生物群体 的数量，降低其呼吸速率，抑制固氦菌、解磷菌以及纤维分解菌的作用等；重金 属在土壤中的积累，还能全部或者部分地抑制许多土壤的生化反应，如降低土壤 中脲酶、蛋白酶、蔗糖酶等的活性，改变土壤的p h 值等，从而破坏其中原有物 质固有的化学平衡和转化，以及影响土壤的物理和化学性质，进而改变植物的根 际环境，间接地影响植物的生长发育。 1 1 2 2 营养胁迫 重金属与营养元素复杂的相互作用关系间接影响着植物的生长发育。重金属 进入土壤后除了本身可能产生毒性外，还可以与其它矿质营养通过相互问的颉颃、 加和和协同作用导致植物矿质营养的缺乏，从而引起植物体内它们参与的代谢和 物质组成等的紊乱，产生缺素症状。比如。重金属胁迫抑雠植物对镁、铁的吸收， 使叶绿素合成减少，光合作用能力相应下降，导致叶片失绿交紫缺磷的症状。 氮、磷、钾是植物必需的大量营养元素，在体内物质的组成和代谢过程中都 有重要的作用，如在植物体内蛋白质、核酸等生物大分子的合成和代谢过程中都 必不可少。体内大量营养元素的缺乏或者较低的含量将会导致体内物质组成和代 谢的紊乱，从而引起植物品质和产量的下降。重金属胁迫能够引起植物对氮、磷、 钾等元素吸收和再运输效率的下降，从而导致它们参与的体内代谢过程的异常， 这种胁迫效应与重金属种类及其浓度，以及不同的植物种类等均有关。 重金属对大量营养元素的影响机理有两方面：一方面，介质中较高浓度的重 金属能够引起植物对大量营养元素的吸收和转运能力的下降，导致体内缺乏，从 而引起体内它们参与的物质组成和代谢的紊乱，外部呈现相应的缺素症状；重金 属胁迫引起的膜内酶活性降低，能够抑制与酶促反应相关的矿质元素的吸收，导 致植物根系营养吸收能力的下降。另一方面，重金属的胁迫能引起植物根系生物 膜脂质的过氧化作用，导致膜透性增加，小分子物质外泄能力增加。 钙、镁、硫等作为植物所必需的中量营养元素，在植物体内渗透压的调节、 代谢平衡的维持、物质的合成中都有着不可或缺的作用。重金属的胁迫作用通常 会导致它们参与的代谢过程的紊乱，功能的失调，如汞、铜、镉、镍、锌、铅等 重金属离子【2 0 】对叶绿素中心镁原子的取代能导致光合作用中断。较高浓度的环境 重金属含量有抑制植物体对钙、镁等矿质营养元素的吸收和转运能力。比如，经 过镉处理的小麦幼苗，其茎叶中累积的镉含量增加，但铁、镁、钙和钾等营养元 素的含量下降【2 】；环境锌浓度的增加，降低了植物体内的钙、镁等离子含量1 2 ”。 铁是一种需量较多的植物必须营养元素，在许多生理生化过程中都起作用。 近年来随着重金属污染加剧，重金属尤其是非必需重金属引起的缺铁失绿现象越 来越引起人们的重视。作为重金属的铜、锰、锌也是植物必需微量营养元素，但 硕士学位论文 是，由于植物对它们的需量较少，所以很少有缺乏症状发生，但是环境较高的重 金属含量通常会导致植物内铁、铜、锌和锰等的缺乏。 总之，重金属污染的影响因植物、矿质营养元素的差异而不同。这一方面与 植物种类对不同营养元素的吸收机制差异有关，另一方面也与重金属离子与不同 微量营养元素之问的相互作用有关，这些都有待进一步的深入研究。 1 1 2 3 重金属污染对植物生长发育的影响 当外界重金属浓度超过植物的耐受极限时，植物质膜透性、光合和呼吸等各 种生理生化过程、生长环境和营养状况等会受到不同程度的伤害，最后植物表现 出生长发育不同程度的抑制。 重金属可以抑制植物种子萌发。重金属对大麦种子萌发的抑制效应与重金属 浓度、作用时闾呈剂量效应关系【l ，这是因为重金属胁迫能抑制种子醇脱氢酶、 蛋白酶、淀粉酶和酸性磷酸酶酶的活性【2 3 1 ，从而抑制种子储藏的淀粉和蛋白质的 分解，进而减少种子萌发所需的物质和能量，致使种子萌发受到抑制。 植物对重金属效应的表观现象之一是生长减缓。当环境中重金属超过一定浓 度后，就会影响植物生长。一些研究者用p b 溶液灌溉水稻和小麦，发现低浓度 p b 裁能产生植物毒害效应，表现为叶片变黄，整个植株生长受到抑制，最后枯死； 在5 0m g lc d c l 2 胁迫下，大豆幼苗的株商、叶片数、叶面积、根系长度、侧根 数目、根体积等形态指标均明显低于对照植株，长势趋劣【2 4 1 。生长在重金属污染 环境中的敏感型植物很容易受到伤害，体内的生理生化过程紊乱，光合作用降低 等能导致供给植物生长的物质和能量减少，相应地生长受到抑制。即使是能完成 生活史的耐性较强的品种，为了保持细胞的正常功能劳适应逆境，必然要消耗植 物生长过程中的有效能量，生长也会相应地受到影响。此外，c o x 等【三翌指出，对 污染环境具有耐性的植物，对正常环境的适应能力会下降，与非耐性的同种植物 相比，它们的生长率降低，初级生产量减少，这可能是因为运行与耐性相关的生 理机制需要消耗植物体内的能量。这也从另一方面说明为什么生长于重金属污染 环境中的植物，其生长必然会受到抑制。 重金属对植物发育也有明显的影响。表现在能使植物的生殖生长停止，不开 花，不结实，成熟期推迟等，从而大幅度降低其产量。 1 2 重金属污染对植物的伤害机理 重金属胁迫对植物的伤害是由重金属本身的特性决定的。重金属是过渡元素， 都有d 电子存在，而d 电子在催化磁性等方面都有特殊的性质与效能。正因为如 此，它们对植物都是致毒的根源。 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互关系的研究以及多胺的调控作崩 有关植物的重金属伤害机理目前仍不一致。大量的研究认为，重金属对植物 体产生毒性的生物学途径有下述三个方面： 1 2 1 活性氧伤害 活性氧( a o s ) 是植物光合、呼吸、固氮等代谢过程不可避免的产物，通常 包括超氧阴离子( 0 2 一) 及其质子化产物h 2 0 、过氧化氢( h 2 0 2 ) 、羟自由基( o h ) 和单线态氧( 1 0 2 ) 。在体内的抗氧化酶以及抗氧化剂的协同作用下，a o s 能不断 地产生和被清除，使得正常生理情况下，植物体内a o s 可以维持在有利无害的极 低水平。但是，植物体内活性氧的过量累积能导致植物细胞膜脂质的过氧化以及 蛋白质、色素、酶、核酸等生物大分子的氧化损伤，甚至植物的死亡。 大量的研究显示，不同逆境因素作用于植物细胞时都具有一个共同的和主要 的特征，即产生高活性的氧自由基。重金属胁迫与其它形式的氧化胁迫相似，能 直接产生a o s 或者通过抑制植物体内抗氧化系统的能力，间接导致大量a o s 的 累积，从而导致活性氧伤害。越来越多的研究表明，a o s 氧化伤害是植物重金属 伤害的主要机理之一。 1 2 1 1 活性氧的产生机制 植物细胞中几乎所有部位均可产生a o s 。线粒体和叶绿体处在富含氧的环境 中，所以存在着巨大的产生a o s 的潜在能力，如叶绿体、线粒体的电子传递会产 生不可避免的后果：当电子传递到0 2 上，随之产生活跃的、具有毒性的活性氧。 高等植物叶绿体光合电子传递链p s i 的受体端存在大量的自动氧化酶类，能 够通过米勒反应将0 2 光还原成超氧化物，这些超氧化物或参与p s i 电子循环，或 从类囊体腔扩散至基质膜表面，在那里超氧阴离子可通过酶促反应歧化成h 2 0 2 和0 2 ，或者在f e 2 + 或c u + 的存在下通过f e t o n 型h a b e r w e i s s 反应产生o h 和0 2 。 最近研究发现，在强光处理的类囊体及完整的叶绿体中，0 2 一和h 2 0 2 同样可由 p s i i 产生。 著名的m e h l e r 反应，即光合电子传递链( z 链) 中，铁氧环蛋白可被0 2 氧 化为氧化型铁氧环蛋白，同时产生0 2 一，这也是叶绿体需要高水平抗氧化防御的 主要原因。同时，当受光照的叶绿体分子将能量从激发态电子传给基态0 2 而不是 z 链中的下一个载体时将产生1 0 2 。0 2 在亲水环境中迅速自动解体，但在疏水环 境中存活时间长，而光系统中常常为疏水结构，因此1 0 2 可以引发脂类过氧化而 破坏叶绿体膜的结构。 在线粒体中因呼吸链的多分支和多终端氧化酶的存在而使a o s 成为叶绿体 的一个问题。黄索蛋白n a d h 脱氢酶可直接将0 2 还原为0 2 。 光合作用中起主要作用的l ，5 - 二磷酸核酮糖( r u b p ) 羧化酶有一个致命的 缺点：除了作为羧化反应酶外，还能作为氧化酶催化如下反应： 镉胁迫和挫物抗氧化系统、营养元素相互芙系的研究以及多胺的调控作州 有关植物的重金属伤害机理目前仍不一致。大量的研究认为，重金属对植物 体产生毒性的生物学途径有下述三个方面： 1 2 1 活性氧伤害 恬性氧( a o s ) 是植物光合、呼吸、固氮等代谢过程不可避免的产物，通常 包括超氧阴离子( 0 2 一) 及其质子化产物h 2 0 、过氧化氢( h 2 0 2 ) 、羟自由基( o h ) 和单线态氧( 0 2 ) 。在体内的抗氧化酶以及抗氧化剂的协同作用下，a o s 能不断 地产生和被清除使得正常生理情况下，植物体内a o s 可以维持在有利无害的极 低水平。但是，植物体内活性氧的过量累积能导致植物细胞膜腊质的过氧化以及 蛋白质、色素、酶、核酸等生物大分子的氧化损伤，甚至植物的死亡。 大量的研究显示，不同逆境西素作用于植物细胞时都具有一个共同的和主要 的特征，即产生高活性的氧自由基。重金属胁迫与其它形式的氧化胁迫相似，能 直接产生a o s 或者通过抑制植物体内抗氧化系统的能力，间接导致大量a o s 的 累积，从而导致活性氧伤害。越来越多的研究表明，a o s 氧化伤害是植物重金属 伤害的主要机理之一； 1 2 1 1 活性氩的产生机制 植物细胞中几乎所有部位均可产生a o s 。线粒体和叶绿体处在富含氧的环境 中，所以存在着巨大的产生a o s 的潜在能力。如叶绿体、线粒体的电子传递会产 生不可避免的后果：当电子传递到0 2 上，随之产生活跃的、具有毒性的活性氧。 高等植物叶绿体光合电子传递链p s i 的受体端存在大量的自动氧化酶类能 够通过米勒反应将0 2 光还原成超氧化物，这些超氧化物或参与p s i 电子循环，或 从类囊体腔扩散至基质膜表面，在那里超氧阴离子可通过酶促反应歧化成h 2 0 2 和0 2 ，或者在f e 2 + 或c u + 的存在下通过f e t o n 型h a b e r w e i s s 反应产生o h 和0 2 。 展近研究发现在强光处理的类囊体及完整的叶绿体中，0 2 一和h 2 0 2 同样可由 p s i i 产生。 著名的m e h l e r 反应，即光合电子传递链( z 链) 中，铁氧环蛋白可被0 2 氧 化为氧化型铁氧环蛋白，同时产生0 2 一，这也是叶绿体需要高水平抗氧化防御的 主要原因。同时，当受光照的叶绿体分子将能量从激发态电子传给基态o ：而不是 z 链中的下一个载体时将产生1 0 2 。0 2 在亲水环境中迅速自动解体，但在疏水环 境中存活时间长，而光系统中常常为疏水结构，因此0 2 可以引发脂类过氧化而 破坏叶绿体膜的结构。 在线粒体中因呼吸链的多分支和多终端氧化酶的存在而使a o s 成为叶绿体 的一个问题。黄素蛋白n a d h 脱氢酶u j 直接将0 2 还原为0 2 。 光合作用中起主要作用的i ，5 二磷酸核酮糖( r u b p ) 羧化酶有一个致命的 缺点：除了作为羧化反应酶外。还f 连作为氧化酶傩化如f 反应i 缺点：除了作为羧化反应酶外还f 危作为氧化酶佻化如r 反应： 硕十学位论文 r u b p + 0 2 3 - 磷酸甘油酸+ 2 磷酸甘油 3 - 磷酸甘油酸是c 0 2 固定过程中的正常代谢产物，可以进入卡尔文循环，而 2 - 磷酸甘油则不易代谢，高等植物将其转运到过氧物酶体，然后在磷酸甘油氧化 酶催化下氧化为乙醛酸： 2 磷酸甘油+ 0 2 _ h 2 0 2 + 乙醛酸 这个反应使得过氧物酶体中产生大量h 2 0 2 ，另外，过氧物酶体中广泛存在的尿酸 酶( u r i c a s e ) 也可产生大量h 2 0 2 。 生物和非生物胁追的介入都可直接或者间接地使植物体内的a o s 水平提高。 1 2 1 2 活性氧的氧化损伤 当环境胁迫长期作用予植株，体内a o s 的产生超出活性氧清除系统的清除能 力时，就会产生氧化损伤： a o s 可以攻击蛋白质的氨基酸残基，尤其是t y r 、p h e 、t r p 、m e t 和c y s ，形 成羰基衍生物【3 0 ； a o s 可以促进蛋白质分子内和分子间的交联，如二硫键的形成和蛋白质的断 裂；0 2 - - 可使一些含金属的酶类失活，或者产生羟自由基，引发磷脂的过氧化【3 1 1 ： 高浓度h 2 0 2 可以抑制碳的固定，低浓度h 2 0 2 可使卡尔文循环中的一些巯基酶类 失活。原因是h 2 0 2 能够通过h a b e r w e i s s 反应产生更活跃、毒性更强的o h ，从 而导致生物膜脂质的过氧化、碱基突变、d n a 链的断裂和蛋白质的损伤【3 2 】：o h 可以修饰一些蛋白质使它们对蛋白水解酶的作用更敏感1 3 3 1 ，一旦被破坏，蛋白质 就会进一步被肽链内切酶降解，已经发现类囊体的膜上存在这样的酶。 1 2 2 与生物大分子结合 较多的重金属离子进入植物体内后，不仅可以与核酸、蛋白质和酶等生物大 分子物质结合，而且还可取代某些酶和蛋白质行使其功能时所必需的特定元素， 使其变性或者活性降低。例如，h g 离子能改变生物大分子如核酸和蛋白质的构象， 在分子水平上造成d n a 的损伤：c d 和硝酸还原酶中巯基有很高的亲合性，能影 响该酶的活性。 1 2 3 离子平衡干扰 大量的重金属离子进入植物内干扰了离子间原有的平衡系统，造成正常离子 的吸收、运输、渗透和调节等方面的障碍，从而使代谢过程紊乱。 1 3 植物对重金属的抗性 环境中过量的重金属离子对植物是一种不利因素，它们会限制植物的正常生 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互关系的研究以及多胺的调控作j _ j 长、发育。尽管如此，不少种类的植物( 一些重金属超富集植物和耐性植物，比 如，镉、铅和锌、砷，锰的超富集植物宝山堇菜、东南景天、蜈蚣草和商陆等) 仍能在高浓度的重金属离子环境中生长、繁殖，并完成生活史，表明在长期的进 化过程中植物也相应地产生了对重金属污染的抗性。 植物对重金属的抗性，即植物能生存于某一特定的含量较高的重金属环境中 而不会出现生长率下降或者死亡等毒害症状。根据它们的生长环境，这些植物可 以分成两类，即金属植物( m e t a l l o p h y t e ) 和假金属植物( p s e u d o m e t a l l o p h y t e ) 。 金属植物指的是那些仅能在金属污染的环境中正常生长的植物，而假金属植物则 在金属污染的环境中和非金属污染的环境中都能同时正常生长的一类植物。 1 4 植物对重金属的抗性机理 植物对重金属的抗性( r e s i s t a n c e ) 可以通过两种途径获得：避性( a v o i d a n c e ) 和耐性( t o l e r a n c e ) ，即抗性= 避性+ 耐性。这两条途径并不相互排斥，往往能 统一作用于受重金属污染的同一植物。 避性指的是一些植物可通过某种外部机制保护自己，使其不吸收环境中高含 量的重金属离子从而免受毒害。在这种情况下，植物体内重金属的浓度并不高。 耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，使植物能生存于高含量的重金 属环境中而不受伤害，此时植物体内具有较高浓度的重金属。耐性具备两条基本 途径，即金属排斥性( m e t a le x c l u s i o n ) 和金属积累( m e t a la c c u m u l a t i o n ) 。 1 4 1 限制重金属离子跨细胞膜吸收 植物对重金属伤害的避性机理之一是植物可以通过限制重金属离子的跨膜吸 收来降低体内重金属离子浓度。细胞质膜是有机体与外界环境之间的一个界面， 因此，细胞质膜透性的大小是决定外界重金属离子能否进入细胞和进入多少的主 要因素，而质膜组成是决定质膜透性的关键，所以在重金属污染条件下，植物种 问膜组成和变化能力的差异可能是不同植物对重金属避性能力差异的原因之一。 1 4 2 与体外分泌物络合 在重金属胁迫条件下，植物可以反馈分泌一些物质，并通过这些物质与重金 属离子发生络合反应，来降低植物周围环境中有效态的重金属离子含量，避免植 物受到伤害。 高等植物也可以通过根系分泌物与重金属离子络合，使其在重金属污染条件 下能保持比较正常的生长和发育，这是植物避免重金属伤害的另外一条途径。 硕士学位论文 1 4 3 金属排斥性 会属排斥性是植物重金属耐性机理之一，即重金属离子被植物吸收后又被排 出体外，或者重金属在植物体内的运输受到阻碍。 排出体外是指重金属从生物体内的排除，这是一种很好的解毒方式。植物原 生质膜有主动排出金属离子的作用；植物还可以通过老叶脱落的形式把重金属离 子排出体外。 植物体内重金属的运输障碍是指根系能富集重金属离子，即一些耐性植物能 在根部积累大量重金属离子，限制重金属向地上部分运输，从而使地上部分免遭 重金属的伤害，一定程度上提高了植物对重金属的耐性。 1 4 4 金属积累 植物对重金属耐性的另一条途径是金属积累，但植物可以自身解毒，即重金 属在植物体内累积，但是以不具生物毒性的解毒形式存在。植物对重金属的累积 作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 与细胞壁结合 植物细胞壁是重金属离子进入体内的第一道屏障，它的金属沉淀作用可能是 一些植物耐受重金属的原因之一，这种作用能够阻止重金属离子进入细胞原生质， 从而使其免受伤害。 ( 2 ) 液泡区域化 波泡里含有的各种蛋白质、糖、有机酸、有机碱等都能够与重金属结合而使 其解毒，因此液泡常被认为是分隔重金属元素的机构。 ( 3 ) 形成重金属络合物 进入植物体内的重金属，通常能与植物体内许多成分结合而失去毒性。当部 分重金属穿过细胞壁和细胞膜进入细胞后，能和细胞质中的蛋白质、谷胱甘肽、 草酸、柠檬酸、苹果酸等形成复杂的稳定螫合物，从而毒性降低。其中，金属结 合蛋白对重金属的结合能力远远大于其它物质，是重金属生物解毒的重要方谣。 在重金属特别是镉的胁迫下，植物能迅速合成植物络合素( p h y t o e h e l a t i n ，p c ) 。 p c 可以与重金属离子结合形成无毒的化合物，降低细胞内游离的重金属离子浓 度，从而直接减轻重金属对植物的毒害作用。但是，也有不同的报道认为p c 的 合成与植物对重金属的耐性无关。 ( 4 ) 一些重金属超量富集植物可把重金属贮存在叶片表皮的表皮毛中，避免 重会属对叶肉细胞的直接伤害。 ( 5 ) 重金属胁迫能诱导泛醌( u b i q u i t i n ) 、热休克蛋白( h s p ) 、d n a jl i k e 蛋 白、几丁质酶、b 1 ，3 葡聚糖酶、富含脯氨酸细胞壁蛋a ( p r p ) 、富含甘氨酸细 胞壁蛋白( g r p ) 和病原相关蛋白( p r ) 等基因的表达。 镉胁迫和植物抗氧化系统、营养元素相互芙系的研究以及多胺的调控作i l j i=!=!= u b i q u i t i n 能介导细胞内变性的，或者短命的蛋白质降解。 h s p 、d n a jl i k e 蛋白都属于分子伴侣，参与体内新生蛋白质的折叠、装配、 释放和定向运输，并能在逆境胁迫下防止蛋白质变性。 几丁质酶、葡聚糖酶和p r 蛋白的共同作用能阻止病菌的侵染，并诱导植物 的系统防卫反应。 p r p 和g r p 参与受损细胞壁的修复和加固。 这些胁迫蛋白基因不仅能响应多种重金属( h 9 2 + 、c d 2 + 、z n 2 + 、c u 2 + 和a s 0 3 q ) 胁迫，而且可以在多种其他形式的胁迫下( 如机械损伤、病毒、u v 辐射、热、 脱水以及盐胁迫等) 得以表达，表明植物对不同形式的环境胁迫有共同的防卫机