（植物学专业论文）拟南芥根细胞壁中的果胶含量对植物抗镉胁迫的影响.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于人们对于生态环境 生物和人类健康问题的关心 近年来人们对植物重 金属毒害及耐性的研究有了突飞猛进的进展 但是所做的研究大部分集中在植物 个体 组织 细胞内部及相关的分子层面上 而对于质外体在抗重金属毒害中的 作用却缺乏足够的了解 为了进一步了解质外体细胞壁在重金属毒害和耐性中的作用 本文以最为典 型的重金属污染物镉 c a d m i u m c d 为研究对象 以拟南芥细胞壁组分 纤 维素和果胶 突变体为材料 研究了镉处理下拟南芥的生长状况 拟南芥地上部 根和根细胞壁中镉的积累 以及镉处理下根细胞壁单糖成分的改变 此外还测定 了c d 处理下拟南芥对于其他养分元素的吸收 结果表明 1 在c d 处理下 拟南芥根部的生长出现了显著的抑制 在果胶含量提高的 突变体c s 6 3 5 4 中 相对根伸长量相对其野生型有明显的改善 而果胶含量减少 的突变体q u a l 2 相对根伸长量与野生型没有差异 2 c d 处理下 c s 6 3 5 4 根部的镉含量比野生型高5 0 左右 但q u a l 2 根部的 镉含量有所下降 而地上部却积累增加 植物体内c d 在根部的分布率 e s 6 3 5 4 为2 5 q u a l 2 仅为1 0 这说明低果胶含量有利于c d 向地上部分转移 3 c d 处理后提取细胞壁并测量细胞壁中的c d 含量 结果显示突变体c s 6 3 5 4 细胞壁中的镉含量比野生型提高了1 5 而在q u a l 2 中却没有差异 无c d 处理 的拟南芥细胞壁在c d 溶液中培养 l o m i n 内 c s 6 3 5 4 吸附了9 3 的c d 而其野 生型的吸附率约为8 7 吸附2 h 后 c s 6 3 5 4 细胞壁几乎完全吸附了溶液中的c d 这说明果胶含量较多的c s 6 3 5 4 的细胞壁能够更快地吸附c d 4 突变体c s 6 3 5 4 细胞壁中果胶含量相对其野生型高2 0 左右 q u a l 一2 细胞 壁果胶的含量相对其野生型降低了约4 0 5 c d 处理导致根细胞壁中单糖组成发生了改变 胁迫下 阿拉伯糖和木糖 在总糖中的比例都有了一定程度的提高 这可能是由于果胶量的减少造成的 6 c d 处理后 拟南芥根部c a 和z n 的含量都有了显著的降低 而m g 的含 量并不受c d 胁迫的影响 关键词 重金属 镉 细胞壁 多糖 果胶 l l i 浙江大学硕士学位论文 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 sa l eas e r i e so ft r a c ee l e m e n t sw i t has m a l ls t o c ko nt h ee a r t h s o m e o ft h e ma r eu s e f u lf o rc r e a t u r e s b u tm o s to ft h e mh a v ea l lo b v i o u st o x i ce f f e c to n o r g a n i s m s s i n c em o r ea n dm o r ec o n c e mi sg i v e nt ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t o r g a n i s m sa n dh u m a nh e a l t h t h er e s e a r c h e sa b o u th e a v ym e t a lt o x i c i t ya n dt o l e r a n c e t ol i v e sh a v em a d ee n o r m o u sp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s h o w e v e r m o s to ft h e s e r e s e a r c h e sa r ef o c u s e do nt r a n s p o r t e r sa n dg e n ee x p r e s s i o ni nt h ei n t e r n a lc e l ll e v e l w h i l et h ef u n c t i o no fa p o p l a s ti nt h er e s i s t a n c et oh e a v ym e t a lt o x i c i t yl a c k sa d e q u a t e i no r d e rt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ee f f e c to fa p o p l a s to fc e l lw a l lo nh e a v ym e t a l t o x i c i t ya n dt o l e r a n c e w ea d o p t e dt h em o s tt y p i c a lh e a v ym e t a lp o l l u t a n t c a d m i u m c d a so b j e c ta n dt h em u t a n t so fc e l lw a l l c e l l u l o s ea n dp e c t i n o fa r a b i d o p s i sa s p l a n tm a t e r i a l s w ei n v e s t i g a t e dt h eg r o w t hc o n d i t i o n t h ea c c u m u l a t i o no fc di nt h e s h o o t s r o o t sa n dr o o tc e l lw a l lo fa r a b i d o p s i sa n dt h ec h a n g e so fm o n o s a c c h a r i d e c o m p o s i t i o no fr o o tc e l lw a l l a n da l s om e a s u r e dt h ea b s o r p t i o nt oo t h e rn u t r i e n t e l e m e n t su n d e rt h ec dt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 1 u n d e rt h ec dt r e a t m e n t t h er o o tg r o w t hs h o w e das i g n i f i c a n ti n h i b i t i o n i n c s 6 3 5 4 i t hr i c hp e c t i n c o m p a r e d 晰t hi t sw i l dt y p e r e l a t i v er o o te l o n g a t i o nh a d s u b s t a n t i a l l yi m p r o v e m e n t b u tq u a l 2o fl a c k i n gp e c t i nd i dn o ts h o ws i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eo fr e l a t i v er o o te l o n g m i o nw i t ht h ew i l dt y p e 2 u n d e rt h ec dt r e a t m e n t t h ec o n t e n to fc di nt h er o o to fc s 6 3 5 4i n c r e a s e db y a b o u t5 0 c o m p a r e d 衍t ht h ew i l dt y p e i nt h er o o to fm u t a n tq u a l 2 t h ec o n t e n to f c dd e c r e a s e d b u tt h es h o o ts h o w e dah i g h e ra c c u m u l a t i o n i nc s 6 3 5 4 t h er a t i oo fc d d i s t r i b u t e di nr o o t sw a s2 5 b u t10 i nq u a l 2 w h i c hi n d i c a t e db e t t e rt r a n s f e ro fc d t os h o o t sw i t hl o w e rc o n t e n to fc d 3 t h ec dc o n t e n ti n e e l lw a l le x t r a c t e dw a sm e a s u r e d c s 6 3 5 4s h o w e d15 i n c r e a s eo fc dc o n t e n tc o m p a r e dw i t hw i l dt y p e b u ti th a dn od i f f e r e n c ei nq u a l 一2 i v 浙江大学硕士学位论文 t h ec e l lw a l lo fu n t r e a t e dc u l t i v a r sw a se m e 玛e di nc ds o l u t i o n 9 3 c dw a s a d s o r b e di nc s 6 3 5 4i n10 m i n b u tt h er a t i oo fw i l dt y p ew a s8 7 a f t e r12 0 m i n a d s o r p t i o n t h ec e l lw a l lo fc s 6 35 4n e a r l yc o m p l e t e l ya d s o r b e dc di ns o l u t i o n i t i n d i c a t e dc s 6 35 4w i t hm o r ep e c t i ni nc e l lw a l lc o u l da d s o r bc d r a p i d l y 4 t h ep e c t i ni nr o o tc e l lw a l lo fc s 6 3 5 4i n c r e a s e db y2 0 c o m p a r e dw i t ht h e w i l dt y p e w h i l ei nq u a l 一2 t h ep e c t i nc o m e md e c r e a s e db y4 0 5 t h em o n o s a c c h a r i d ec o m p o s i t i o ni nr o o tc e l lw a l lh a dc h a n g e du n d e rt h e t r e a t m e n to fc d a r a b i n o s ea n dx y l o s eh a dac e r t a i nd e g r e eo fi n c r e a s ei nt h et o t a l p r o p o r t i o no fs u g a ru n d e rt h es t r e s s w h i c hm a yb ec a u s e db yt h er e d u c t i o no ft h e a m o u n to fp e c t i n 6 a f t e rc dt r e a t m e n t t h ec o n t e n to fc aa n dz ni nt h er o o t so f a r a b i d o p s i sw a s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d b u tt h ec o n t e n to fm g w a s h ti n f l u e n c e db yt h es t r e s so fc d k e yw o r d s h e a v ym e t a l c a d m i u m c e l lw a l l p o l y s a c c h a r i d e p e c t i n v 浙江大学硕士学位论文缩略语表 缩略语表 缩写词全称 a s n c d g a l a g s h h s p h m t h m w h g a i c p l m w m t p c p c s r o s r g x g a s p a r a g m e c a d m i u m g a l a c t u r o n i ca c i d g l u t a t h i o n e h e a ts h o c kp r o t e i n h e a v ym e t a lt r a n s p o r t e r h i 曲m o l e c u l a rw e i g h t h o m o g a l a c t u r o n i ca c i d i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m ae m i s s i o ns p e c t r o m e t e r l o wm o l e c u l a rw e i g h t m e t a l l o t h i o n e i n p h y t o c h e l a t i n p h y t o c h e l a t i ns y n t h a s e r e a c t i v eo x y g e ns e r i e s r h m n o g a l a c t u r o n a n x y l o g l u c a n i l 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 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 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 荚墓老 签字日期 加 年弓月罗同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和 借阅 本人授权逝鎏盘鲎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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 英墓老 签字目期 加7 d 年弓月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 缸够 签字日期 年月日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本论文是在我的导师郑绍建教授的悉心指导下完成的 从论文选题 实验设 计 方案实施以及论文撰写 郑老师都给予了循循善诱的指导 论文的完成倾注 了郑老师无数的智慧和心血 近3 年硕士生涯 除了在实验上的无微不至的指导 外 郑老师严谨的治学态度 开阔的学术思路以及宽厚包容的胸怀使我终生受益 在论文完成之际 谨向郑老师表示衷心的感谢 感谢杨建立老师 杨老师还是像以前的杨师兄一样和我们学习生活在一起 在实验过程中遇到不懂的问题 杨老师总是会热心地帮忙解决 他是我实验中的 好老师 生活中的好伙伴 在我的实验过程中李雅颖 胡益婷 周圆三位师姐 石元值师兄以及孟志斌 章月皎 陈微微 彭友祥等同学都给予了无私的帮助 另外还要感谢何向东 杨晓颖 徐晓燕 朱晓芳 郑诚 陈丽茜 丁仲杰几位同 学共同营造的愉快 和谐的气氛以及在研究 学习和生活中给予的热忱帮助 在 这样一个温馨融洽的实验室里学习生活 结交了我们这么多知心朋友 是这三年 来最大的收获 感谢浙江大学 感谢生命科学学院的各位领导老师给予的教导和帮助 最后 深深感谢我的父母和家人在我整个求学过程中给予的支持 理解和帮 助 我将在今后的生活中 努力工作和学习 以出色的表现报答他们无私的付出 和伟大的亲情 感谢参与本论文评阅的老师 敬请批评指正 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 1 1 重金属 第一章植物抗重金属毒害的研究进展 重金属是指那些密度在5 9 c m 3 以上的金属 s a n i t a d it o p p ie ta 1 1 9 9 9 其中 包括了大约4 0 种的元素 这些元素主要存在于地壳内部的岩石中 但是在近代 人类世界的工业化过程中 由于工业发展的需求 大量的矿物能源和资源被从地 球内部开发出来 因而 这些原本固定在岩石中的重金属得以大量释放到生命活 动可以触及的空间 与其他释放到大气层中的气体和微粒尘埃不同 这些重金属 主要以金属化合物的形态存在于地球的土壤和水中 而后者正是生命得以生存的 基础 这些重金属造成的污染不仅会对土壤 水源造成严重危害 一旦进入生物 体 更会极大损坏机体的正常功能 重金属造成的水源和土壤污染已对全球的生 态环境 食品安全 人类身体健康和农业可持续发展构成严重威胁 a m a d oe t a l 1 9 9 9 因此 重金属的污染一直是人类最关心的问题之一 而重金属对于生 物体的毒害也一直是科学研究的热点 1 2 重金属与生物的相互作用与影响 1 2 1 重金属对植物造成的伤害 一般来说 由于植物对于金属元素的需求量是微量的 而土壤和淡水中本身 存在有微量的金属离子 这些离子一般可以满足植物的需求 所以对于植物来说 重金属的胁迫一般都是指重金属的浓度过高 从而干扰了生命活动 而不是重金 属的缺少 由于重金属离子的不可降解以及在化学反应中的可移动性 这些金属可以通 过食物链而富集到包括人类在内的生物组织和个体中 这些重金属大量的流入生 物链势必对生态环境 淡水资源 农业生产 动物和人体的健康造成重大的威胁 土壤中本身含有很多的重金属 而大部分情况下 土壤中的重金属与植物个 体中的重金属并没有非常直接的关系 这是因为在土壤中 大部分重金属的溶解 度都太小了 因此不具有生物可用性 比如c r a g 和s n d u e ta l 2 0 0 6 而p b 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 作为一种主要的重金属污染物 在土壤中的含量非常高 实际上却很难被植物吸 收 因为它的溶解度太低 而且又与土壤颗粒牢固地结合在一起 而另一种主要 的工业污染物镉 c d 它具有非常高的溶解度 可以牢固的结合在植物根际 并且由于和有益元素z n 具有非常相似的理化性质 在很多植物中 镉都可以通 过其他金属 z i l c a f e 的转运蛋白运送到细胞内 k i m 2 0 0 9 从而进入食物 链 因此 人们对于重金属污染的关心很大程度上是对镉污染的担心 对于生物来说 重金属在生物的生命活动中有双重的角色 一方面 一些重 金属 如c u2 和z n2 参与了生命活动最基础的化学反应 a l l a na n dj a r r e l 1 9 8 9 如氧化还原反应 酶的催化反应 电子的传递以及核酸代谢反应 尤其 是绿色植物的光合作用 是地球上生物活动中最主要的能量来源 c l e m e n s 2 0 0 1 而另一方面 如果这些有益的金属离子浓度过高 就会对生命活动产生 负面的影响 而且 大多数重金属离子 如c d p b h g a g 等 对于生物活 动却有着极强的毒性 这些金属离子参与并破坏了那些对金属离子敏感的酶反 应 干扰了新陈代谢的正常进行 k a l d o r f 1 9 9 9 从而导致了生长的抑制 细胞 的死亡 甚至生物个体的死亡 h a l l 2 0 0 2 重金属胁迫会对于植物产生显著的伤害 植物细胞膜的通透性在重金属的胁 迫下会显著增大 r e d e k e re ta 1 2 0 0 7 作为植物细胞和外界环境进行物质交换和 信息传递的界面和屏障 细胞膜的破坏必然会导致膜上结合酶和细胞内酶的平衡 失调 大量胞内物质外渗 有毒物质可以自由进入细胞 导致细胞内一系列生理 生化过程的紊乱 同样 在重金属胁迫下 电子传递链受到影响 叶绿体的完整 性被破坏 叶绿素合成受阻 类囊体结构和功能也被破坏 从而造成了光合作用 中p s i p s i i 之间的联系阻断 使植物的光合作用受到抑制 重金属也会对植物 的核酸代谢产生显著的影响 干扰d n a 的合成和d n a 的修复 抑制细胞分裂 和染色体畸变 导致染色体的断裂 粘连 体细胞染色体不等位交换 染色体环 等畸变形式 此外 大部分重金属还会直接导致细胞内活性氧自由基r o s 的大 量产生 s t o h sa n db a g c h i 1 9 9 5 最近的研究表明r o s 是生物体内重要的信号转 导分子 m i l l e re ta l 2 0 0 8 虽然细胞内的存量不多 但由于其位于信号通路的上 游 因此对于整个信号通路起着枢纽的作用 v e r m ae ta l 2 0 0 8 而r o s 的大量 积累会导致d n a 碱基的多重修饰 提高脂质的过氧化水平 并且改变细胞内的 2 浙江大学硕士学位论文 第一章植物抗重金属毒害的研究进展 钙稳态 锌稳态 h u s s a i ne ta 1 2 0 0 4 和氧化还原稳态 p e r f u s b a r b e o c he ta 1 2 0 0 2 高强度的r o s 会造成细胞的程序性死亡 甚至于生物个体死亡 t r i a n t a p h y l i d e se ta 1 2 0 0 8 1 2 2 植物对重金属的吸收及其耐性机制 作为一种毒害因素 重金属对植物体正常的生长发育造成了不利影响 而对 植物来说 如何消除或者降低这种毒害的强度就显得尤为重要 在长期的进化过 程中 对土壤中含量极低的重金属离子 植物已经拥有了一些行之有效的策略来 消除其毒害 z e n k 1 9 9 6 l 固定 2 外排 3 合成植物螯合蛋 b p h y t o c h e l a t i n s 4 区隔化 5 合成金属硫蛋i 刍 m e t a l l o t h i o n e i n s 6 合成胁迫蛋e t s t r e s sp r o t e i n 7 合成胁迫乙烯 s t r e s se t h y l e n e 1 2 2 1 固定 固定就是将重金属螯合在原生质体外 降低其生物可用性 因此 这种方式 主要存在于根部 作为植物防御重金属毒害的第一层屏障 根细胞壁和细胞外多 糖对固定重金属离子有着重要的作用 w a g n e r 1 9 9 3 有研究认为在矮菜豆中c d 离子主要结合在了细胞壁中的果胶的位置 l e i t a e t a l 1 9 9 6 也有报道认为 在 重金属耐性植物与对照植物的比较中 它们在细胞壁与c d 的结合能力上没有明 显的区别 1 2 2 2 外排 单从理论上来说 对于植物 抵抗重金属毒害最有效的方法莫过于阻止重金 属离子进入细胞内 虽然在现实中 有毒重金属会通过借用其他有益元素如c a f e 的通道蛋白进入到植物细胞中去 但是在另一方面 有毒重金属的流入会导 致植物细胞的功能紊乱 从而流出天冬酰胺 a s n c o s t ae ta 1 1 9 9 7 虽然并非 是植物为了对抗重金属毒害所产生的特异性反应 但它确实在一定程度上螯合了 有毒重金属离子 使它们不能进入到细胞内 从而缓解了重金属的毒害作用 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 1 2 2 3 植物螯合蛋白 植物螯合蛋 p h y t o c h e l a t i n s 是一系列结构为0 一g l u c y s n g l y 2 n s l l 的 多肽 其前体是谷胱甘肽 g s h g o n g 2 0 0 3 植物螯合蛋白最初是在1 9 8 1 年于 裂殖酵母中发现的 当时被命名为c a d y s t i n 1 9 8 5 年在高等植物中也发现了它的 存在 1 9 8 9 年 植物螯合蛋白合成酶被发现 v a t a m a n i u ke ta 1 1 9 9 9 在拟南芥 a r a b i d o p s i st h a l i a n a r 和发现c a d l 是植物螯合蛋白的编码的基因 在拟南芥c a d l 突变体中 其g s h 水平正常 但是缺乏p c 因而导致了c d 2 的超敏感 h o w d e n e t a l 1 9 9 2 在今天c a d l 基因通常被称作a t p c s l 迄今为止的研究表明 除了 金属的刺激之外 没有任何其他的环境因素会导致p c 的积累 p c 合成酶直接 受到多种金属离子的诱导 而不是将金属离子刺激作为信号往下传导 c o b b e r 2 0 0 0 因为只要有p c 合成酶和其底物的存在 在体外不需要任何外加条件 p c 就可以产生积累 因此p c 合成酶可以被认为是对于过量金属离子的直接响 应 c l e m e n s 2 0 0 6 在多种模式生物中 拟南芥 线虫 裂殖酵母 都已经证实了p c 在生物对 重金属响应中的显著作用 抑制p c 合成酶基因的表达 导致p c 的缺乏 l e ee ta 1 2 0 0 3 能够造成生物对于c d 2 的超敏感 v a t a m a n i u ke ta 1 1 9 9 9 而p c 通路 包含了两部分 首先是金属激活的p c 的合成 然后是转运 重金属 p c 复合 物到液泡中 在一些 重金属 p c 复合物中包含一个酸不稳定性硫 a c i d 1 a b i l e s 2 它的存在 显著地提高了p c 对重金属螯合的稳定性和高效性 m a i e re t a 1 2 0 0 3 1 2 2 4 区隔化 作为p c 途径的延续 p c 螯合后的重金属需要被转运到细胞内非活性的区域 w o n ge l a l 2 0 0 9 因此 区隔化就成为重金属解毒害过程中的重要环节 为了 避免有毒的重金属离子在细胞质中自由参与各种循环反应 液泡就成了它们最理 想的去处 b e l l e g h e me ta 1 2 0 0 6 在区隔化的过程中 重金属的刺激会刺激诱导 p c 的产生 p c 产生后迅速的形成低分子量复合体 1 0 wm o l e c u l a rw e i g h t l m w 之后l m w 复合体会被转运到液泡中去 在液泡膜或者液泡内与酸不稳定性硫 s 2 结合 形成高分子量复合体 h i g hm o l e c u l a rw e i g h t h m w 这些高度稳定 4 浙江大学硕士学位论文 第一章植物抗重金属毒害的研究进展 的h m w 复合体在重金属解毒过程中有着非常重要的意义 在l m w 复合体转运到液泡中的过程中有一个重要的问题 即转运过程需要 克服浓度梯度 报道称液泡内会积累相当于液泡外3 8 倍浓度的c d 2 s a l ta n d r a u s e r 1 9 9 5 这就需要特异性的转运体来运输到液泡i 为 m a c f a r l a n e 2 0 0 0 h m t l 基因编码的h m t l 蛋白就是这样一个典型的高效转运c d p c 复合体到液泡的转 运体 s a n c h e z f e r n a n d e ze ta 1 2 0 0 1 在细胞质内还有一些游离的c d 离子 它们可以通过c d 2 2 寸反向转运来进 入液泡q b s a l ta n dw a g n e r 1 9 9 3 在液泡中 由于其酸性的p h 值 部分h m w 复合体会降解 其产物c d 会与液泡内的有机酸 柠檬酸 苹果酸 草酸 甚至 氨基酸结合形成复合物来降低其毒害 去c d 化的p c 会在液泡内水解酶的催化 下进一步降解或者 并且返回到细胞质中 循环参与下一次的重金属转运 图l 1 c d 在植物细胞内的转运 引自s a n i t a d it o p p ie la l 1 9 9 9 f i g u r e1 1 t r a n s f e ro f c di np l a n tc e l l c i t e df r o ms a n i m d it o p p ie ta 1 1 9 9 9 1 2 2 5 金属硫蛋白 金属硫蛋e t m e t a l l o t h i o n e i n s 是一类富含半胱氨酸 约3 0 而不含芳香族氨 基酸的多肽 g u o 2 0 0 8 在动物 蓝藻和真菌中 c d 和其他的重金属能被金属 硫蛋白解毒 但是在高等植物中 没有显著的证据证明c d 诱导了金属硫蛋白的 产生 因此 植物体内金属硫蛋白在对重金属的解毒过程中可能发挥着一定的作 浙江大学硕士学位论文 第一章植物抗重金属毒害的研究进展 用 但不是非常重要 c o b b e re ta 1 2 0 0 2 1 2 2 6 胁迫蛋白 在受到高温 重金属和其他化学刺激 高盐和干旱胁迫的时候 植物细胞通 常会合成热休克蛋白 h e a ts h o c kp r o t e i n s h s p s 这是一系列胁迫蛋白 s t r e s s p r o t e i n 除了热激的其它因素产生的h s p s 也被称为h s p 同系物 h s pc o g n a t e s h s c 在植物中发现的h s p 包括 1 h s p l o o h s p 9 0 h s p 7 0 h s p 6 0 b 大量低分子量的h s p s 分子量为1 7 0 0 0 到3 0 0 0 0 道尔顿 3 泛素 这是一种 只有7 6 个氨基酸组成的高度保守的小分子h s p h e r s h k oe t a l 1 9 8 8 在酵母泛素依赖系统缺陷的突变体中 表现出了对c d 的超敏感 而烟草中 泛素系统的不稳定造成了细胞凋亡 b a c h m a i re ta 1 1 9 9 0 但是 泛素系统对于 拟南芥抗c d 胁迫没有直接的相关性 在一些植物中 c d 处理诱导了大量分子量从1 0 0 0 0 到7 0 0 0 0 的胁迫蛋白的产 生 其中分子量为2 0 0 0 0 的两种蛋白质很值得关注 这是因为它们只在c d 耐性 细胞中存在 在普通细胞中是没有的 并且它们可以诱导热休克蛋白的产生 u r w i ne ta 1 19 9 6 1 2 2 7 胁迫乙烯 在拟南芥中 c d 会诱导同聚半乳糖醛酸的甲脂化类型的改变 从而可以认为 重金属胁迫导致了细胞壁结构的变化 d o u c h i c h ee ta 1 2 0 1 0 在菜豆中 c d 处 理会诱导根部乙烯的大量产生 r o d e c a pe ta 1 1 9 8 1 产生的乙烯在5 1 0 小时达 到峰值 在之后的一天内便逐渐下降到正常的水平 下降的胁迫乙烯 s t r e s s e t h y l e n e 可能是由于这些胁迫乙烯参与到了c d 螯合的过程中 以减轻c d 的胁迫 胁迫乙烯的抗c d 毒作用可能是通过提高苯丙氨酸酶和过氧化酶的活性来加 速木质化的过程 从而改变传导系统的细胞壁结构来实现的 e c k e ra n dd a v i s 1 9 8 7 胁迫乙烯也会诱导抗坏血酸过氧化酶的活性 降低细胞内的的过氧化水 平 m e h l h o r n 1 9 9 0 乙烯还能调节植物体内许多蛋白的基因的表达 其中包括 金属硫蛋白和其他的防御蛋白 而这些蛋白对于植物抗重金属毒害都发挥着一定 的作用 6 浙江大学硕士学位论文第 章植物抗重金属毒害的研究进展 1 2 3 超积累植物 c d 的超积累植物指的是那些能耐受并在地上部积累超过1 0 0 m gc d k g 以上 浓度的一类非常罕见的植物类型 b a k e re ta 1 2 0 0 0 迄今为止 科学家只在自然 界发现并证实了三种c d 的超积累植物品种 它们是t h l a s p ic a e r u l e s c e n s a r a b i d o p s i sh a l l e r i 和s e d u ma l f r e d i i m o r t e le ta 1 19 9 8 k u p p e re ta 1 2 0 0 0 l ue ta 1 2 0 0 4 m ae ta 1 2 0 0 6 在zc a e r u l e s c e n s 中 c d 的积累是代谢依赖性的 不受其 他二价离子的抑s t j z h a oe ta 1 2 0 0 0 这可能是由根细胞膜上高亲和力的c d 转 运蛋白介导的 在a h a l l e r i 中 c d 的吸收可能是通过z n 的转运通路来实现的 z h a oe ta 1 2 0 0 6 但是至今还没有在植物中发现高亲和c d 转运蛋白的基因 c o s i oe ta 1 2 0 0 4 超积累植物之所以能够在地上部积累高浓度的重金属 可能是因为它们有一套高效的转 运系统 k i me ta l 2 0 0 7 从根部将重金属不断地运送到地上部加以储存 c o l a n g e l o 2 0 0 6 z h a o e f a l 2 0 0 6 而在非超积累植物中 只有少量的c d 从根细胞质外体转运到了地上部中 c o s i o e t a l 2 0 0 4 c h a na n dh a l e 2 0 0 4 在rc a e r u l e s c e n s 和s a l f r e d i i 中 根液泡螯合z n 含量的减 少证实了z n 被转运到地上部 s t o l t 2 0 0 3 c d 从根到地上部的转运很可能是通过木质部来进 行的 而其动力可能是光合作用 s a l ta n dr a u s e r 1 9 9 5 h a r te ta l 1 9 9 8 因此 高效的木质 部装载在整个超积累过程中起着关键的作用 v e r b r u g g e n 2 0 0 9 而最近的研究表明一种p 型 a t p 酶h m a 4 它在重金属的木质部装载过程中可能扮演着重要的角色 b o o m i n a t h a na n d d o r a n 2 0 0 3 人们对于超积累植物的研究可能会对植物修复重金属污染提供重要的帮助 p i l o n s m i t s 2 0 0 5 l 7 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 1 3 细胞壁 细胞理论的起源是1 7 世纪罗伯特虎克用自制的显微镜发现软木塞上的小区 室 这些小的区室便是死亡的细胞留下的木质化的细胞壁 在细胞生物学的研究 初期 人们普遍认为细胞壁只是一团复杂的多糖 只是起到支持细胞内原生质体 的作用 而将研究的重点主要放在了细胞内的结构上 但是随着研究的深入 人 们渐渐发现细胞壁在细胞的全部生命过程中有着非常重要的作用 因此 对于细 胞壁的研究也成为了现在研究的热点 1 3 1 细胞壁的组分 植物细胞壁是由糖 蛋白质和芳香族化合物等组成 其中糖含量大概占到初 生细胞壁总量的9 0 c a r p i t aa n dg i b e a u t 1 9 9 3 糖也对细胞壁的功能起着关键 的作用 细胞壁中的这些多糖可以分为3 种类型 纤维素 c e l l u l o s e 半纤维素 h e m i c e l l u l o s e 和果胶 p e c t i n 1 3 1 1 纤维素 纤维素是由许多d 葡萄糖通过 1 4 b 连结形成的直链多糖 每条链大概有 几千个葡萄糖组成 这些葡萄糖紧密连结形成纤维素微纤维 进 步环绕整个细 胞 构成了主要的细胞壁骨架 纤维素约占初生壁干重的1 5 3 0 在次生细胞 壁中由于一定的木质化程度 所占的比例还要大一些 1 3 1 2 半纤维素 半纤维素的主要成分是木葡聚糖 x y l o g l u c a n x g x g 是直链的 1 4 p d 葡萄糖 并在葡糖残基o 6 的位置结合上了许多的木糖残基 纤维素和半纤维素 相互交联 二者共同嵌入果胶构成的组织结构中 p e 耐n 1 9 9 9 8 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 一 i 扛 掣 昱 一 r g 1 蚋啪d 椰 坤a i h 啦捌m a 舒h g 嫦州竹 叫嘲 a 翻m h m 幽脚 n b 蛳脯 喇翻m m q 嘲眈 一 姒n 曙h h t 钿畔删 嘲一 嚆 咖一 o 蚺 嘲搿 h g ar g 1 l 置 神 咖 n 忡肼w s 日啪i 蜘口r 口 囊 扫 髀口f v b 啊籼 叫 a 扫 毒扫啊 囊巾 卅纠m 耐删崎 蛹 i 姊 p b c 托 蚋 脚 一 0 由瞳瞄棚 彬口 w 口 畦t 哪一 u b 帐o d l b 蝴 社 埘 m m 叫 a 图1 2 果胶的三种类型 引自w i l l i a me ta l 2 0 0 1 f i g u r e1 2 t h r e et y p e so f p e c t i n c i t e df r o mw i l l i a me ta 1 2 0 0 1 1 3 1 3 果胶 d 湃l n 口 嘲d 一 m 叫 睁t 氟椭啦f h sh d 曲a 簟 蜘岫簟h g 啪d 曲枷 果胶在初生细胞壁中约占3 0 的质量 但是在次生细胞壁中的含量却少到几 乎不存在 因此它是唯一的一种仅存在于初生细胞壁中的多糖 果胶是细胞壁中 最为复杂的一类物质 含有非常多的多聚物 正是这些复杂的物质使果胶被称为 细胞壁中最有活力的成分 它使细胞壁具有了多孔性 从而利于细胞壁的生长和 细胞内外物质的交流 它含有表面负电荷 从而可以调节细胞壁p h 和离子平衡 在对共生生物 病菌和害虫的响应过程中 果胶也起着感知分子的作用 果胶中最为基本的两种组成结构是同聚半乳糖醛酸 h o m o g a l a c t u r o n i ca c i d h g a s 和鼠李糖半乳糖醛酸i r h m n o g a l a c t u r o n a ni r gi 其中h g a s 是螺旋的 1 4 0 d 型半乳糖醛酸 g a l a 的多聚物 含有1 0 0 2 0 0 个g a l a 残基 t h i b a u l t 1 9 9 3 h g a 是在高尔基体中合成然后转运到细胞壁上的 并且在细胞内的h g a 中7 0 8 0 的g a l a 残基都在c 6 的位置上产生了甲脂化 c a f f a l le ta l 2 0 0 9 到 达细胞壁后 去除甲脂化基团导致了h g a 带上负电荷 因此可以与钙离子交联 结合 组合成超大分子量的胶状物 9 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 乍趔c m e t h y le s t e r s z o 图1 3 同聚半乳糖醛酸的结构和修饰 引自c a f f a i le ta 1 2 0 0 9 f i g u r el 一3 s t r u c t u r ea n dm o d i f i c a t i o no f h o m o g a l a c t u m n a n c i t e df r o mc a f f a l le ta 1 2 0 0 9 r gi 是 1 2 q l 型鼠李糖一 1 4 0 d 型半乳糖醛酸二聚糖重复组成的棒状 杂合多聚物 c a f f a l le ta 1 2 0 0 9 在大部分情况下 r gi 中2 0 8 0 的鼠李糖残基 在c 4 位置上都被一个侧链所取代 这个侧链上主要是中性的残基 残基的数目 可以从一个单一的糖基到5 0 甚至更多 这也导致了这个多糖家族高度的可变性 r gi i 与r gi 除了在名字上相似 在结构上却没有相关性 r gi i 含有一条 h g a 骨架 这个骨架含有大约9 个g a l a 残基 并且被已知的长度一致的4 个杂 多糖侧链所取代 r gi i 广泛存在于细胞壁中的 并且是高度保守的 它通过共 l o 要 崤 h 浙江大学硕士学位论文第一章植物抗重金属毒害的研究进展 价键与h g a 相连结 t h i b a u l t 1 9 9 3 1 4 细胞壁在植物对重金属逆境下的作用 细胞壁作为外界物质进入细胞内部的第一道屏障 虽然不能完全阻挡重金属 进入原生质体内部 但在一定程度上是可以缓解毒害的 r e d j a l ae ta 1 2 0 0 9 h o s o n 1 9 9 9 细胞壁中的微孔在允许有益成分通过的同时 也会使有毒重金属 离子通过细胞壁 v a z q u e ze ta 1 2 0 0 6 但是在金属离子通过细胞壁的过程中 由 于细胞壁中的负电荷的存在 这些带负电的基团会吸附周围的阳离子 a n d r a d ee t a 1 2 0 0 2 并将其沉淀络合 减少了重金属在细胞壁中的流通量 从而降低了毒 害 n o r t h c o t e 19 7 2 在根毛区细胞中 由于其为新生细胞 其初生细胞壁中有很高的果胶含量 而果胶在经过去甲脂化的过程后带有较多的负电荷 m i c h e l i 2 0 0 1 因此可以结 合多种金属离子 如a 1 3 c d 2 l o z a n o r o d r i g u e ze ta 1 1 9 9 7 c u k o n n oe t a 1 2 0 0 5 z h e n g 2 0 0 4 认为细胞壁中的果胶是细胞壁附近阳离子结合的主要位点 之一 细胞壁中的其他成分 如纤维素 半纤维素 木质素等对金属离子也有结合 作用 在a t h y r i u m y o k o s c e n s e 根系细胞壁中积累了植物体内7 0 9 0 的c d z n 和c u 并且这些金属离子大部分是与纤维素以及木质素结合存在的 n i s h i z o ne t a 1 1 9 8 7 在c u 耐性植物a r m e r i am a r i t i m a 和s i l e n ev u l g a r i s 中 c u 还可以与细胞壁 中的蛋白质紧密结合 从而降低了金属的毒害作用 n e u m a n ne t a l 2 0 0 1 此外 体外重金属的刺