（环境科学专业论文）纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响.pdf

学位论文独创性声明 删jffllfijif,wijlff,i1。fli：llljjiijliiiifffijiiiiiifi|frl|l y 17 9 5 7 0 7 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注和致 谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示 和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：筮亟逢 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁 师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 堑型堇型芝 指导教师签名：匕勃叶 签名日期： 7 汐加年j 月石日 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 重金属镉( c d ) 作为毒性较高的环境毒物，不仅危害着植物的生长发育，还严重威 胁着人类的生命健康。壳聚糖( c s ) 作为新型植物生长调节物质，可通过诱导植物分泌 抗性酶，激发抗性基园的表达，有效的提高植物对逆境胁迫的抗性。本文在综述c s 应 用进展的基础上，采用离子交联法制备纳米c s 微球，并探讨了将制备产物用于缓解c d 对小麦种子萌发及幼苗生长的影响。研究结果如下： 1 、用过氧化氢法降解制备低分子量壳聚糖，考察了影响降解反应的影响因素。以 三聚磷酸钠( s t p p ) 为交联剂，采用离子交联法，制备纳米c s 。探讨影响纳米粒形成 的因素，并对纳米c s 的性能进行表征。结果表明，2 m g m l 降解6 h c s 醋酸溶液， l m g m l s t p p ，其体积比为5 ：2 ，经离子交联后可得到粒径为3 0 0 5 0 0 r i m ，性质稳定的 纳米c s 微球。 2 、在种子萌发过程中，低浓度c d 可一定程度促进小麦种子的萌发，但随c d 浓度 的增加，小麦的萌发逐渐表现出较明显的胁迫特征，且幼苗的生长也受到严重抑制。不 同浓度纳米c s 浸种2 4 h ，可有效提高1 0 0 m g lc d 胁迫下小麦种子的发芽势、发芽率等， 并能缓解c d 对小麦幼苗生长的胁迫及叶绿素含量的降低。其中，1 0 0 m g l 的纳米c s 对小麦种子萌发和芽的生长的促进效果最显著；1 5 0 m g l 促进根生长的效果最显著； 2 0 0 m g l 对幼苗叶片叶绿素含量的增加效果最明显，且显著高于c s 原剂的处理效果。 3 、纳米c s 对小麦幼苗预处理7 d ，可显著增加c d 胁迫下植株的地上部株高、根长 及叶绿素含量；1 5 0 m g l 的纳米c s 能显著降低植株体内c d 的积累量，有效缓解c d 胁 迫所引起的植株叶片m d a 含量和相对电导率的上升；同时还可通过调节抗氧化酶活性， 控制机体内h 2 0 2 等氧自由基维持在一定水平，从而有效缓解c d 对小麦幼苗的胁迫效应。 关键词：纳米壳聚糖；镉；小麦种苗；抗逆性 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 p r e p a r a t i o no f c h i t o s a nn a n o p a r t i c l e sa n di m p a c to nt h eg e r m i n a t i o na n d g r o w t ho fw h e a ts e e d l i n g su n d e rc a d m i u m s t r e s s a b s tr a o t c a d m i u m ( c d ) w a sah i g h l yt o x i ca n dp e r s i s t e n te n v i r o n m e n t a lp o i s o n ，i t si n c r e a s i n g l e v e li nt h ee n v i r o n m e n te x e r t e daw i l dr a n g eo fa d v e r s ee f f e c t so np l a n t sa n de v e nt h e h e a l t h yo fh u m a nb e i n g sb yf o o dc h a i n s c h i t o s a n ( c s ) ，c o n s i d e r e da sah o r m o n e l i k e ，c a l l i m p r o v et h er e s i s t a n c eo fp l a n t sb yi n d u c i n gt h es e c r e t i o no fr e s i s t a n te n z y m eo rs t i m u l a t i n g t h ee x p r e s s i o no fr e s i s t a n c eg e n e s b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fc s ，w ep r e p a r e dt h en a n o c s b yi o n i c a lc r o s s 1 i n k i n g ，a n dd i s c u s s e dt h eo p t i m u mp r e p a r i n gc o n d i t i o n s t h e nt h ep o s s i b l e e f f e c t so fn a n o c so nw h e a ts e e d l i n g sw h i c hw e r eu n d e rc ds t r e s sw e r es t u d i e d t h er e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： 1 、c h i t o s a n 谢豳l o wm o l e c u l a rw e i g h tw a sp r e p a r e db yo x i d a t i v ed e g r a d a t i o nm e t h o d n a n o - c sw a sf o r m e db yi o n i c a lc r o s s l i n k i n go fc h i t o s a nw i t ht r i p o l y p h o s p h a t e ( s t p p ) t h e f 荀c t o r sa f f e c t i n gt h en a n o c sp r e p a r a t i o nw e r es t u d i e d ，a n dt h ef a v o r a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s w e r ef o u n dt h a t ：t h ec h i t o s a nc o n c e n t r a t i o nw h i c hw a sd e g r a d e df o r6 hw a s2 m g m la n dt h e s t p pw a sl m g m l ，t h ev o l u m ep r o p o r t i o no fc h i t o s a nt os t p ps o l u t i o nw a s5 ：2 a f t e r c r o s s l i n k i n g ，t h en a n o - c sh e r ew a su n i f o h n ，s t a b l e ，a n dt h ep a r t i c l ed i a m e t e rw a sa b o u t 3 0 0 5 0 0n n l 2 、i nt h eg e r m i n a t i o np r o c e s s ，l o wc o n c e n t r a t i o no fc dc o u l dp r o m o t et h eg e r m i n a t i o no f w h e a ts e e d st os o m ee x t e n t ，b u tw i t ht h ei n c r e a s i n go fc dc o n c e n t r a t i o nt h es e e d sg e r m i n a t i o n a n ds e e d l i n g sg r o w t hw e r ei n h i b i t e ds e r i o u s l y s o a k i n gi nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fn a n o - c s 2 4 hc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h eg e r m i n a t i o np o t e n t i a l ，g e r m i n a t i o nr a t e ，g e r m i n a t i o ni n d e x a n dv i g o ri n d e xo fw h e a ts e e d st h a tw e r eu n d e r10 0 m g lc ds t r e s s i tc o u l da l s or e l i e v et h e s t r e s so ng r o w t ha n da l l e v i a t et h es h a r pd e c l i n eo fc h l o r o p h y l lc o n t e n to fe m b r y o t h eb e s t 。 c o n c e n t r a t i o nw a s10 0 m g l ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r o m o t et h eg e r m i n a t i o na n dt h eg r o w t ho f e m b r y o ；15 0 m g ln a n o c sc o u l dm a k et h em o s ts i g n i f i c a n te f f e c tt op r o m o t er o o tg r o w t h ； 2 0 0 m g lo fc sm a d et h em o s ts i g n i f i c a n ti n c r e a s ea b o u tc h l o r o p h y l lc o n t e n to f l e a v e s t h e s e r e s u l t sw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo r i g i n a la g e n tc s 3 、t h ep r e - t r e a t m e n t 谢t hn a n o c sf o r7 dp a r t i a l l yp r o t e c t e ds e e d l i n g sf r o mc ds t r e s s 15 0 m g ln a n o c sc o u l de r d u c et h ec da c c u m u l a t i o ni nt h ew h e a ts e e d l i n g s ，a n di ta l s o a l l e v i a t e dt h es h a r pi n c r e a s eo fm d ac o n t e n t sa n dr e l a t i v ec o n d u c t i v i t yo fl e a v e s n a n o c s i i 辽宁师范大学硕士学位论文 m o d u l a t e dt h eh e 0 2l e v e li nl e a v e so fs e e d l i n g sb yu p r e g u l a t i n gt h ea c t i v i t yc a t a l a s e ( c a t ) a n d p e r o x i d a s e ( p o d ) w h i c hc o u l dt a k er e s p o n s et oc ds t r e s s k e yw o r d s ：c h i t o s a nn a n o p a r t i c l e s ：c a d m i u m ；w h e a ts e e d l i n g s ；r e s i s t a n c e 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 目录 摘要i a b s t r a c t i i 弓l言t 1 文献综述2 1 1 镉胁迫对植物的毒性效应2 1 1 1 镉胁迫对植物生长的影响2 1 1 2 镉胁迫对植物生理生化的影响3 1 2 植物对镉胁迫的抗性反应7 1 2 1 植物的避性7 1 2 2 植物的耐性8 1 3 壳聚糖与植物抗逆性1 0 1 3 1 壳聚糖简介1 0 1 3 2 新型植物生长调节物质壳聚糖1 1 1 3 3 壳聚糖与植物抗病性。1 1 1 3 4 壳聚糖与植物非生物胁迫1 1 1 4 壳聚糖诱导植物抗逆境胁迫的可能机理1 3 1 4 1 壳聚糖介导信号转导13 1 4 2 壳聚糖对抗性基因表达的调控1 4 1 5 纳米壳聚糖的制备方法1 4 1 5 1 离子交联法1 4 1 5 2 乳化交联法1 5 1 5 3 沉淀析出法1 5 1 5 4 乳化一溶剂蒸发法1 5 1 6 本论文的主要研究内容及意义1 6 2 纳米壳聚糖的制备及表征1 7 2 1 实验仪器和试剂1 7 2 1 1 实验仪器1 7 2 1 2 试剂一1 7 2 2 实验方法17 2 2 1 氧化法降解壳聚糖1 7 2 2 2 纳米壳聚糖的制备1 8 l 辽宁师范大学硕士学位论文 2 2 3 纳米壳聚糖的性能表征1 8 2 3 试验结果与分析1 8 2 3 1 壳聚糖降解反应中影响分子量的因素1 8 2 3 2 影响纳米壳聚糖制备的因素2 0 2 3 3 纳米壳聚糖的性能表征2 2 2 4 小结2 4 3 镉与纳米壳聚糖对小麦种子萌发的影响2 5 3 1 材料与方法2 5 3 1 1 实验材料2 5 3 1 2 种子处理2 5 3 1 3 发芽指标的测定2 5 3 1 4 种子活力的计算2 5 3 1 5 小麦幼苗干重的测定2 6 3 1 6 叶绿素含量的测定2 6 3 2 实验结果与分析2 6 3 2 1 c d 胁迫对小麦种子萌发的影响2 6 3 2 2 纳米壳聚糖浸种对c d 胁迫下小麦种子萌发的影响2 7 3 2 3 纳米壳聚糖浸种对c d 胁迫下小麦幼苗的干重影响2 9 3 2 4 纳米壳聚糖浸种对c d 胁迫下小麦幼苗叶绿素含量的影响3 0 3 3 小结3 1 4 纳米壳聚糖对c d 胁迫下小麦幼苗生长的影响3 3 4 1 材料与方法3 3 4 1 1 实验材料3 3 4 1 2 材料的培养与处理3 3 4 1 3 叶绿素含量的测定3 4 4 1 4m d a 含量测定3 4 4 1 5 相对电导率的测定3 4 4 1 6 过氧化氢含量的测定k 3 5 4 1 7 抗氧化酶的提取与活性测定3 5 4 1 8c d 含量测定3 5 4 2 结果与分析3 6 4 2 1 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗生长的影响3 6 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 4 2 2 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗叶片叶绿素含量的影响3 6 4 2 3 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗叶片m d a 含量的影响3 7 4 2 4 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗叶片电导率的影响3 8 4 2 5 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗叶片过氧化氢含量的影响3 9 4 2 6 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗叶片抗氧化酶含量的影响4 0 4 2 7 纳米壳聚糖处理对c d 胁迫下小麦幼苗中镉含量的影响4 2 4 3d 、结4 3 结论4 4 参考文献4 5 附录a文中所用缩略符号5 0 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 1 致谢5 2 辽宁师范大学硕士学位论文 引言 镉( c d ) 是植物生长的非必须元素，具有很大的生物毒性，在土壤中具有较强的化 学活性，与其它重金属相比，更易被植物根系吸收而向籽实迁移。环境受到镉污染后， 镉可在生物体内富集，特别是在农作物可食部位会大量积累，然后通过食物链进入人体， 引起慢性中毒，从而对人类的健康造成威胁。进入人体和温血动物体内的镉，主要积累 在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼等中，使肾脏等器官发生病变，并引起神经痛和内分泌 失调等多种病症，镉还能破坏人体的骨骼系统，造成骨骼疏松、萎缩、变形等。 近年来，随着工农业生产的发展，相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境， 造成污染。镉污染源主要是铅锌矿，以及有色金属冶炼、电镀和用镉化合物做原料或触 媒的工厂。据2 0 0 3 年中国农业环境报告，我国镉污染耕地面积为1 3 3 万公顷，涉及 1 1 个省的2 5 个地区，并有1 1 处污灌区土壤镉含量达到了生产“镉米”的程度，可见我 国耕地镉污染状况已十分严重。 壳聚糖作为一种新型的植物生长剂，是存在于低等植物、节肢动物及昆虫中的一种 直链氨基多糖，是目前自然界中唯一带正电荷的天然高分子聚合物，具有良好的生物相 容性和生物降解性，能有效的调节植物生长发育。近年来的研究发现，壳聚糖还可诱导 植物抗性。壳聚糖有提高植物同化n h 4 + 的能力，有利于蛋白质的生物合成与积累，改 善植物的营养品质及园艺性状，并能迅速激发植物的防卫反应，启动植物的防御系统， 从而有效地提高植物的抗病、抗旱、抗寒、抗盐、抗重金属等的能力。 由于壳聚糖具有很高的稳定性，既不易熔化，也不溶于水和有机溶剂，只可溶于 p h 6 5 的稀酸，如己二酸、醋酸、甲酸、乳酸、苹果酸、丙酸和琥珀酸等，这极大限 制它的实际应用。 纳米科技是在纳米尺度范围内研究物质的结构及性质的多学科交叉前沿技 术，它使得人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子水平，其最终目标是人类 可按自己的意志操纵单个原子，在纳米尺度上制造特定功能的产品，实现生产方 式的飞跃。纳米材料具有独特的表面效应、体积效应和宏观量子隧道效应等，在 性能上与传统概念上相同组成的常规尺寸或微米尺寸材料有非常显著的差异，表 现出许多优异的特性和全新的功能，应用前景广阔。 基于壳聚糖的巨大应用前景和纳米材料的优异特性及功能，将现代纳米技术 用于壳聚糖的纳米化加工并研究重金属胁迫下壳聚糖对植物的缓解作用有十分重 要的意义。 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 1 文献综述 1 1 镉胁迫对植物的毒性效应 1 1 1 镉胁迫对植物生长的影响 植物从种子萌发、生长发育到开花结果，时刻都受到其生存环境的影响。土壤中的 重金属元素对植物是一种逆境胁迫，若是这种胁迫超过植物自身的耐受程度就会对植物 造成伤害，轻者影响其生长，重者将导致植物死亡【l 】。 镉在环境中不能生物降解，并具有很强的蓄积性和生物富集性，其生物半衰期长( 在 动物体内半衰期可长达6 1 8 年) 【2 】。镉是植物非必须元素，进入植物体内蓄积到一定 程度时，植物就会出现受害症状，通常会表现出种子萌发和根系的发育受到抑制，个体 生长缓慢，植株矮小，退绿，根系发黑变短，生育期延迟，生物量下降，植物萎蔫，生 长停止等症状，在高浓度镉毒害下甚至会发生植株死亡【3 】。p o s c h c n r i c d e l 报导大豆在 3 m m o l l 的镉溶液中处理6 天后，植株干重降低5 0 。被镉污染的小白菜，株高、叶鲜 重、叶面积、根系长度、根鲜重分别比对照下降了3 2 8 、3 9 8 、5 3 4 、3 0 6 、5 9 3 【4 1 。 不同浓度的镉对小麦种子的萌发、胚芽和根的发育都有抑制作用，随镉浓度的增加，小 麦幼苗的生物量和株高显著降低，分蘖减少，幼苗生长受到明显抑制【5 】。刘东华等通过 研究镉对洋葱根尖的生长和细胞分裂的影响认为，镉通过影响c a m ( 钙调蛋白) 参与纺锤 丝微管蛋白的组装和拆卸从而阻止了细胞的分裂【6 】。 大量研究表明，不同种类植物对镉胁迫的适应性存在明显差异。如生物量降低2 5 的镉危害发生时，水稻叶片镉含量为2 m g k g ，而结球甘蓝叶片镉含量则可达到1 6 0 r a g k g 【7 1 。镉超积累植物遏蓝菜( t h l a s p i c a e r u l e s c e n s ) 在土壤镉含量高达1 0 2 0 m g k g 、叶片镉含 量高达1 8 0 0 m g k g 时，仍能正常生长【s j 。 镉对植物的影响存还在着剂量效应。镉处理对某些植物的生长具有一个低浓度刺 激、高浓度抑制的效应。例如当镉浓度为2 m g l 时对绿豆种子的萌发表现出促进作用。 方学智等也曾报道，低于o o l m g l 的镉可促进小白菜的生长【9 】；当镉处理浓度达到 l o m g l 时，对绿豆种苗的生长表现为显著的抑制作用。这种关于剂量效应的结论差异， 可能与试验植物的种类，镉处理浓度及胁迫时间有关，但是低浓度镉可刺激某些植物生 长的现象却是无可争议的，其机理目前尚不完全清楚。有研究表明，低浓度镉对细胞的 分裂和增殖均有促进作用，并且这种促进效应在动物和植物细胞中都曾被观察到。 辽宁师范大学硕士学位论文 1 1 2 镉胁迫对植物生理生化的影响 污染物对植物生长发育的影响，主要是通过生理生化过程实现的。因此，研究镉对 植物生理生化活动的影响，有极其重要的意义。 ( 1 ) 镉对细胞膜透性的影响 植物细胞膜系统是植物细胞与外界环境进行物质交换和信息交流的界面与屏障，其 稳定性是细胞进行正常生理功能的基础。细胞膜透性是评定植物对污染物反应的方法之 一，细胞外渗液的电导度与污染物浓度呈正相关【l 们。当植物受到重金属胁迫时，细胞膜 选择性机能受损，通透性增加，使细胞内一些可溶性物质外渗，从而破坏了细胞内酶及 代谢作用原有的区域性【1 1 1 。例如，当镉处理浓度为4 0 m g l 时，油菜叶片细胞膜渗透性 增加了3 1 4 3 1 2 】。由于膜透性的增加，细胞内含物外渗，细胞释放c 0 2 的速度加快， 大大提高了植物呼吸速率。 重金属胁迫下细胞膜透性的变化还与膜脂过氧化程度有关。膜脂过氧化是膜上不饱 和脂肪酸中所发生的一系列活性氧的反应，其产物为丙二醛( m d a ) ，所以m d a 的含 量是反映膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标。在正常生长情况下，植物体内活性氧的 产生和清除处于平衡状态，m d a 含量较低，不会对植物正常的生理代谢产生影响。当 受到逆境胁迫如重金属胁迫时，植物体内这种平衡就会被打破，0 2 。、o h 。等自由基大量 累积，自由基启动膜脂过氧化作用，膜内磷脂双分子层中所含的不饱和脂肪酸链被过氧 化分解，导致m d a 量增加，从而造成膜的损伤和破坏和生物大分子的损伤，膜系统的 完整性丧失，进而引起电解质外渗 13 1 。黄玉山等认为：镉能诱导植物的自由基过氧化损 伤，导致植物体内的m a d 含量显著上升，蛋白质含量明显下降1 4 】。纪秀娥等也研究证 实，随镉处理浓度的增加，绿豆叶片中m d a 含量会显著上升，即镉浓度越大，细胞膜 脂过氧化越剧烈，对细胞膜的伤害越大。 ( 2 ) 镉对光合作用的影响 叶绿体是植物完成光合作用的细胞器，充足的叶绿素和完整的叶绿体是光合作用得 以顺利进行的保证。因此叶绿素含量在一定程度上反映了光合作用的水平。叶绿素含量 低，光合作用弱，则必然会影响植物的生长和发育。有研究表明叶绿素含量随镉浓度的 增加而降低。李子芳【5 】等报道，低浓度的镉溶液处理小麦幼苗，其叶绿素a 、叶绿素b 、 叶绿素a + b 、类胡萝b 素的含量与对照差异不显著，但随着镉浓度的进一步增加，叶绿 素及类胡萝b 素的含量显著降低。吴旭红【”】等人也证明，大豆叶片的叶绿素含量受不同 镉处理浓度的影响，且随镉浓度的增加，含量明显下降。镉污染不仅对叶绿素含量有影 响，而且还能引起色素比率的变化。王焕校等以水生植物( 凤眼莲、紫背萍、狐尾藻) 为实验对象，结果表明，叶绿素a b 随水体中镉浓度上升而下降。这说明c d 2 + 对叶绿素 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 a 的破坏作用大于叶绿素b ，而最重要的作用中心色素分子正是某些叶绿素a 分子【1 6 1 。 但也有相反的结果，番茄在镉胁迫下叶绿素a 和b 的含量均随c d 2 + 浓度的增大而减小， 怕随c d 2 十浓度的增大而增大，这表明镉对番茄叶绿素b 的影响比对a 大。镉破坏叶绿 素的机制通常认为：镉进入叶绿体后，在内部与蛋白质上的s h 等结合或取代其中的 f e 、z n 等，导致局部部位积累过多，直接破坏了叶绿体的结构和功能。镉可使叶绿 素酶活性增加，而使叶绿素分解。镉还可以通过间接的拮抗作用干扰植物对f e 、z n 的吸收和转移，阻碍了营养元素向叶的输送，使之丧失合成叶绿素的能力。镉可抑制 原叶绿素酸酯还原酶的活性并影响氨基y 戊酸的合成，而这两个酶对于叶绿素的合成 是必需的，所以镉能导致叶绿素含量的降低【1 4 】镉能引起植物体内防御系统的破坏，引 起叶绿体内氧自由基增多，叶绿体膜系统受损，而致叶绿素降解【l7 1 。 镉可破坏植物的光合系统。b a s z y n s k i 等在1 9 8 0 年的报道中指出，镉主要抑制光化 学系统i i 的电子转运，对光系统i 并无影响。而杨丹慧等的研究结果则表明，镉对光系 统i 和光系统i i 均有影响，但对后者的影响更为显著。同时她们的研究还发现，镉能引 捕光叶绿素蛋白质复合物部分解聚和总量下降。这种复合物在光能的吸收和传递、及调 节和分配两个光系统有重要作用。因此它的含量降低必然会影响光合系统的正常生理功 能。g r e g e r 等报道，镉不仅可降低总叶绿素的含量，还可降低有效叶绿素( p s i i 天线色 素) 含量。细胞基质片层及叶肉细胞基粒和基粒片层排列均会受镉的影响而紊乱【l 引。此 外，镉还能影响光合磷酸化作用，增加叶肉细胞对气体的阻力，抑制c 0 2 的固定，从而 使光合作用下降。 ( 3 ) 镉对呼吸作用的影响 镉对植物呼吸作用有显著影响。有研究表明，不同浓度镉处理对呼吸作用的影响程 度不同，王焕校等【16 】认为低浓度镉能刺激三羧酸循环和植物呼吸酶以产生能量使呼吸作 用增加，随镉浓度的增加，酶活性受到抑制，呼吸作用减弱。孙赛初等得出结论：镉对 高等水生植物根系脱氢酶有明显影响。随镉浓度上升，根系脱氢酶活性明显下降，即镉 可明显抑制根系的呼吸作用。但不同植物酶变化的反应是不同的，如当凤眼莲处于2 m g l 以上镉胁迫时，其根系脱氢酶活性逐渐稳定，表现出较强的适应能力；而狐尾藻则呈现 明显的下降趋势。镉对不同种植物根系呼吸作用影响的差异，可能是由于她们呼吸酶系 中末端氧化酶有差异的结果【l 们。马丽娟【l9 等也证实，低浓度的镉可促进小麦幼苗芽和根 的呼吸速率，而当镉浓度过高时，呼吸速率则呈下降趋势，这表明高浓度的镉影响了植 物呼吸作用的正常进行。 线粒体是植物体内呼吸作用的场所，镉可以增加线粒体中矿的被动通透性，阻止 线粒体的氧化磷酸化作用。王逸群等【2 0 】研究发现，随着镉浓度的升高，水稻叶肉细胞中 一4 一 辽宁师范大学硕士学位论文 的线粒体受毒害程度逐渐加重，线粒体膜结构受损，内嵴逐渐解体。内嵴是线粒体中 a t p 合成酶复合体分布的场所，线粒体结构的受损、内嵴的解体意味着呼吸作用和合成 a t p 过程受阻。彭鸣掣2 l 】曾在研究镉对玉米幼苗伤害时也观察到质体基粒出现肿胀或解 体的现象。丁小余发现，在莼菜( b r a s e n i as c h r e b e r ig r u e l l ) 叶肉细胞中，线粒体受重 金属毒害后会首先发生解体。莼菜叶肉细胞的核仁在正常状况下通常为单个圆形，但受 镉毒害后，核仁往往会分裂成多个碎块状。这也验证了“线粒体是对重金属毒害较敏感 的细胞器”的论点瞄】。此外镉处理还可增加植物气孔阻力，直接影响保卫细胞中离子和 水分的迁移，从而抑制呼吸作用。 ( 4 ) 镉对植物活性氧代谢的影响 活性氧( a o s ) 是植物光合、呼吸、固氮等代谢过程中不可避免的副产物。植物体内 最重要的活性氧形式主要有超氧物阴离子自由基( 0 2 。) 、羟自由基( o h ) 、过氧化氢( h 2 0 2 ) 和单线态氧( 1 0 2 ) 【2 3 1 。近年研究发现，a o s 是植物细胞内普遍存在的信号分子，能诱导 防御基因的表达和引起适应性反应，但a o s 的过量积累，会导致生物膜脂质过氧化， 蛋白质交联失活、d n a 链断裂以及光合成受阻，甚至引发死亡【2 4 1 。在正常情况下，植 物细胞内自由基的产生和清除处于动态平衡，使得植物体内a o s 可维持于有利无害的 极低水平。 当植物受到重金属胁迫时，活性氧的产生与清除之间的平衡就会遭到破坏，造成活 性氧分子向积累方向推进。植物在遭受逆境胁迫时产生的大量活性氧若不加以清除，就 会对植物造成严重的氧化伤害。于是植物体在长期的进化过程中，形成了复杂而有效的 防御系统，以降低或消除活性氧对机体的损伤，包括活性氧清除酶系统和非酶抗氧化物 保护系绀2 5 】。保护酶系统包括：超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、过氧 化物酶( p o d ) 、抗坏血酸过氧化物酶( a p x ) 、谷胱甘肽还原酶( g r ) 、脱氢抗坏 血酸还原酶( d h a r ) 等；非酶自由基清除剂包括：维生素e 、谷胱甘肽、抗坏血酸、类 胡萝b 素等。在保护酶系统中，s o d 、p o d 、c a t 的作用最为重要【2 6 1 。s o d 是细胞内 第一条抗氧化防线，能将0 2 。歧化为h 2 0 2 ，还能阻止f e 3 + 重新受到o z 的作用还原生成 f e e + ( o - 2 + f e 3 + 一f e 2 + + 0 2 ) ，并催化f e n t o n 反应( h 2 0 2 + f e 2 + 一o h + f e 3 + + o h 。) 产生更多的 o h 2 7 】，从而可能在活性氧清除系统中处于核心地位。c a t 普遍存在于植物体内所有的 组织中，它是生物氧化过程一系列抗氧化酶的终端，c a t 能清除细胞内过多的h 2 0 2 ， 使细胞内h 2 0 2 维持在一个正常水平，从而保护膜结构。p o d 广泛存在于植物体内不同 组织中，它能对各种逆境胁迫作出应答，其主要作用是清除氧代谢中产生的h 2 0 2 以及 由此产生的有机过氧化物。植物体内另一个h 2 0 2 清除系统是抗坏血酸过氧化物酶、脱 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶等共同作用，将h 2 0 2 清除，即h a l l i w e l l a s a d a 途 径。 ( 5 ) 镉对抗氧化酶的影响 在镉胁迫下，小麦叶片中g r 和a x p 的活性降低，使内源抗氧化物g s h 与a s a 的含量降低，导致h 2 0 2 和m d a 加速积累，使膜系统受损【2 引。镉进入植物体后还将致 使植物体内n a d p h 积累而n a d p + 缺乏，从而产生m e h l e r 反应，进而形成超氧自由基 0 2 。，0 2 。经进一步转化为可诱导细胞发生膜脂过氧化作用的o h ( 黄玉等，1 9 9 7 ) 。此外进 入植物体的c d 及其它金属可诱导h 2 0 2 通过f e n t o n 型的h a b e r w e i s s 反应生成o h 、1 0 2 、 h 2 0 2 、0 2 。等活性氧。这些活性氧可以相互转化，也可以与脂质分子发生脂质过氧化作 用，形成脂质自由基和脂氢过氧化物【2 9 1 。 镉能产生氧化胁迫还与其能抑制s o d 、c a t 、p o d 、g r 等抗氧化酶的活性有判3 0 】。 孔样生等研究了镉胁迫对玉米幼苗生长和植物生理学指标的影响。研究发现，随着镉浓 度的增加胁迫时间的延长，幼苗的生长受到明显抑制，超氧化物歧化酶( s o d ) 和过氧化 氢酶( c a t ) 活性均有所下斛3 1 】。吴旭红等研究了镉对大豆过氧化物酶( p o d ) e l i 超氧物歧 化酶( s o d ) 活性等的影响。结果表明，随着镉处理浓度的增加，大豆组织中过氧化物酶 ( p o d ) 活性升高，超氧物歧化酶s o d ) 活性升耐3 2 】。 段云青等报道，镉在低浓度时，植物p o d 活性均有不同程度的升高，但这种升高 的趋势到浓度为2 0 m g k g 时出现转折，而呈现下降趋势【3 3 1 。低浓度镉可刺激莲藕叶片的 过氧化物酶活性升高，高浓度则显著降低。说明对膜系统的保护作用是有一定的限度的。 此外，镉还抑制固氮酶、淀粉酶、蛋白酶、根系脱氢酶、脱氧核酸酶、硝酸还原酶、 多酚氧化酶、抗坏血酸过氧化酶、乳酸脱氢酶等多种酶的活性【27 1 。镉可能是通过直接取 代这些酶活性中心的金属元素c a 、f e 、z n 或与酶的半胱氨酸残基结合，而抑制这些酶 的活性【3 4 1 。镉通过影响这些酶的活性，进而影响植物的氮代谢、呼吸作用、碳水化合物 代谢和核酸代谢等多种生命代谢活动。 ( 6 ) 镉对植物可溶性糖含量的影响 杨居荣【2 4 】等报道c d 污染可降低植物体内可溶性糖含量。周建华等【3 5 】发现，水稻幼 苗叶片在低浓度c d 处理时，可溶性糖和淀粉含量有略微升高，而高浓度镉对它们的合 成有明显的抑制作用。当种子中镉的积累量低于2 1 6 m g k g 时，可溶性糖含量随镉的积 累而增加，高于2 1 6 m g k g ，则随积累而下降；当镉的积累量达到5 6 5 m g k g 以上时， 可溶性糖含量低于对照。因此可以认为植物体内可溶性糖变化可能与镉的污染程度有 关，即低浓度能增加植物的可溶性糖含量，而高浓度条件下可溶性糖含量则降低。 一6 一 辽宁师范大学硕士学位论文 孙赛初等以不同浓度镉对高等水生植物施加胁迫，研究其可溶性糖含量的变化。研 究发现，抗性较强的风眼莲和较为敏感的紫背萍叶片中可溶性糖含量都随镉处理浓度的 增加而升高。紫背萍的抗性弱在较低镉浓度中，叶片中可溶性糖含量急剧上升，然后变 得平缓；凤眼莲抗性较强，可溶性糖含量的增加始终是缓慢的，因而叶片中可溶性糖含 量的改变，可作为鉴别植物抗性的生理指标之一【l6 1 。 植物在镉胁迫下叶片中可溶性糖含量的增加，原因之一可能是由于叶片中不溶性糖 及蛋白等物质的分解与光合作用产物的合成运输受阻。j a n i e s c h 等实验证明，随培养液 中镉浓度的增加，植物体内可溶性糖含量增加，而总糖量则减少。 1 2 植物对镉胁迫的抗性反应 植物并不是被动地承受重金属毒害，而是产生的相应防御机制。b a l 【e r ( 1 9 8 7 ) 研究认 为植物可以通过避性和耐性两种途径提高对重金属的抗性。避性表现为植物限制性吸收 重金属使机体免受毒害，植株体内重金属含量较低：耐性表现为植物体内具有某些特定 的生理机制，使植物可以在较高含量的重金属环境中生存而不受伤害，植株体内重金属 含量较高【3 引。 1 2 。1 植物的避性 植物的避性 3 6 】是指一些植物可通过某些外部作用使其不吸收环境中高浓度的重金 属离子，从而免受毒害。因此，植物体内重金属的浓度低于环境中的浓度。 根是植物体分布在地下的主要吸收器官，土壤中的污染物主要通过根进入体内，因 此根的屏蔽作用对植物耐受土壤中的重金属具有很大作用【3 引。植物对镉的排斥作用指的 是阻止镉离子进入生物体内或到达细胞敏感的代谢部位，包括根际分泌螯合剂、形成p h 屏障、细胞壁对c d 的固定、细胞膜对镉的选择透过性等，其主要作用部位是质外体【37 1 。 根分泌物中含有有机酸、氨基酸、蛋白质、糖类物质等，这些物质能同根际土壤中 的污染物结合，使其移动性降低。根际游离的金属离子如果与从原生质膜中分泌到根际 的螯合剂形成稳定的金属螯合物复合体，其活度就会降低。研究表明，有些植物在受到 重金属污染时，根尖能够分泌粘胶状物质( 主要成分为多糖) ，这些物质与镉、铜、铝 等金属离子有较强的亲和力，从而将大量的金属离子滞留在根部以外。m e n c h 等报道了 烟草、玉米等高等植物可以通过根系分泌物与重金属离子发生络合，还计算出了镉与分 泌物的络合稳定常数及最大吸附量，结果表明镉可与根分泌物各组分形成配位化合物 【3 8 】 0 此外植物还可以通过限制重金属离子的跨膜吸收来降低机体内重金属离子的浓度。 细胞质膜透性的大小可直接决定重金属离子能否进入细胞和进入多少，而质膜的组成是 l 纳米壳聚糖的制备及其对镉胁迫下小麦种苗生长的影响 决定质膜透性的关键。所以在重金属胁迫下，植物对重金属避性能力差异的原因之一可 能是不同植物质膜组成和变化能力的不同。 1 2 2 植物的耐性 在长期的自然选择和环境适应进化中，植物形成了一系列耐受机制，以减轻或避免 镉的毒害作用，如细胞壁的阻隔、细胞区间隔离、活性氧防御系统、合成植物络合素( p c ) 及形成应激蛋白等【3 9 】。植物对镉的内部耐受性指的是镉离子进入体内后，植物通过解毒 作用获得对其的抵抗力或者将吸收的镉离子以无毒或毒性较小的化合态形式储存起来， 以达到解毒的目的。具体包括细胞内溶物质的螯合解毒作用、c d 离子的区域化作用、 抗氧化系统的防御作用、逆境下基因的控制及表达等。 ( 1 ) 螯合方式解毒 螯合是植物细胞内重金属解毒的主要方式之一。植物体内的螯合剂可以通过缓和细 胞内的重金属浓度而进行金属解毒。植物螯合剂主要包括4 类：植物螯合肽( p c ) 、金