弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧代谢的影响毕业论文.doc

弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧代谢的影响弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧代谢的影响毕业论文毕业论文 目目 录录 中文摘要 关键词 1 英文摘要 关键词 2 前言 3 1 材料与方法 6 1 1 实验材料和实验设计 6 1 2 测定项目及方法 6 1 2 1Ca2 测定方法 6 1 2 2 超氧自由基 O2 产生速率测定 6 1 2 3 丙二醛 MDA 含量测定方法 7 1 2 4 超氧化物歧化酶 SOD 活性测定方法 7 1 2 5 过氧化物酶 POD 活性测定方法 7 2 3 数据处理和分析 7 2 结果和分析 7 2 1 钙对弱光下番茄叶片钙形态的影响 7 2 2 钙对弱光胁迫下番茄叶片活性氧代谢的影响 7 2 2 1Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片超氧阴离子产生速率的影响 8 2 2 2 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片 MDA 含量的影响 9 2 2 3 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片 SOD 活性的影响 10 2 2 4 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片 POD 活性的影响 10 3 讨论 11 3 1 钙对弱光下番茄叶片钙形态的影响 11 3 2 弱光胁迫对活性氧代谢的影响 12 3 3 钙对弱光下番茄叶片活性氧代谢的影响 12 4 结论 13 参考文献 14 致谢 16 沈阳农业大学学士学位论文 1 摘摘 要要 为了研究钙对番茄耐弱光特性的调控作用 以番茄 Lycopersicon esculentum Mill 栽培品系 W 为试材 研究了弱光 25 自然光强 胁迫条件下 钙对番茄叶片钙组分和活性氧代谢的调控作用 实验结果表明 弱光胁迫下钙降低了番茄叶片中的总钙含量 叶片中 H2O Ca 的变化是总钙浓度改变的主要原 因 说明水溶钙可能在调节光合方面发挥着重要的作用 在弱光胁迫下钙降低了番茄叶片超氧阴离 子的产生速率和 MDA 含量 提高了 SOD 活性和 POD 活性 可见 Ca2 通过提高保护酶活性 降 低膜质过氧化水平来提高番茄植株番茄植株弱光耐受性 进一步防止植株弱光伤害 关键词 关键词 番茄 钙 弱光胁迫 水溶钙 活性氧代谢 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 2 Abstract In order to investigate the regulating mechanism of calcium on tomato low light tolerance leaves of one tomato low light tolerance strain W Lycopersicon esculentum Mill were used to study the changes of Calcium components and Metabolism of reactive oxygen species ROS in leaves after the tomato were treated by calcium under the 25 nature light intensity The results were as follows Calcium decreased under low light stress of total calcium content in tomato leaves leaf in H2O Ca change is a major cause of total calcium concentration change suggests that water soluble calcium may play an important role in regulating photosynthesis Under weak light stress calcium reduces the tomato leaf super oxygen anion produce rate and MDA content improve the SOD activity and POD activity calcium might increase low light tolerance of tomato and prevent low light damage to the plant by enhancing the activities of some antioxidant enzymes and reducing ROS levels Keywords tomato calcium low light stress Water soluble calcium Metabolism of reactive oxygen species ROS 沈阳农业大学学士学位论文 3 前言前言 钙是植物生长发育不可缺少的营养元素之一 细胞内的钙信使系统直接或通过钙 调节蛋白间接地控制其它酶类蛋白 将外部刺激转换成对植物细胞代谢活动的调控 钙离子参与植物生长发育的全过程 并对其生理活动进行广泛的调节 植物体内钙素 形态大致可分为 水溶性钙 包括游离 Ca2 易溶于水的钙盐类 非水溶性钙 包括草 酸钙 果胶酸钙等 植物体中易溶于水和可被硝酸钠交换的钙是具有生理活性的 称 为生理活性钙 PACa 不同形式的钙具有不同的生理功能 在组织 细胞中分布位点 也不相同 在一定的生理条件下 这二种类型的钙可以互相转换 McAlnshetal 1995 游离态钙在细胞中以自由态存在 含量很低 在 10 6mol L l以下 结合态钙和某些物 质的亲和性很强 在细胞中常与其它结构成分紧密结合 结合态钙与游离态钙的区别 在于结合态钙的量较大 常贮存在细胞的某些特定的部位 游离态钙与结合态钙的区 别在于亲和力较弱 与碳水化合物 磷酸化合物等结合不紧 可被转换成其它形式的 钙或被运输到细胞的其它部位 活性氧 ROS reactive oxygen species 是伴随着地球上有氧生物的进化而产生的一类 与氧相比 氧化活性较高或被部分还原的含氧基团 主要包括过氧化氢 H2O2 单线 态氧 超氧化阴离子和活性羟基自由基 它们是生物体氧代谢的副产物 是对生物体 的正常代谢 细胞及细胞器结构及生物大分子的稳定结构有害的 植物细胞内活性氧 的消除机制主要包括超氧化物歧化酶 SOD 抗坏血酸氧化酶 APX 和过氧化物酶 CAT 植物体内的活性氧防御系统超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物 POD 和过氧化 氢酶 CAT 能使植物避免因光合作用释放高浓度氧而产生伤害作用 1 1 钙对植物钙组分的影响钙对植物钙组分的影响 钙是植物生长发育的必需营养元素 是细胞壁 细胞膜结构的重要组分 对维持 细胞膜 细胞壁和膜结合蛋白的稳定性 调节无机离子的运输等方面起着至关重要的 作用 钙素的缺乏会导致植物生长发育中某些生理活动的紊乱和病害的发生 降低农 作物的产量和品质 进而造成严重的经济损失 钙对弱光下番茄钙组分的影响研究较 少 而钙对植物钙组分影响的研究较多 董彩霞等人研究营养液高钙处理显著增加了 植株各部位的吸钙量 说明营养液中钙离子供应强度增加 植株对钙的吸收也随之增 加 1 董彩霞和周健民等人研究表明 花期减少施钙量后 番茄果实中果胶酸钙含量和 比例显著降低 水溶性钙含量和比例显著增加 果实底端比例高于顶端 磷酸钙含量 降低 2 陈明昌等人研究证明CaPl和CaK2处理可以显著提高保护地番茄总吸钙量和果实 吸钙量 提高钙的利用率 3 邢尚军等人研究证明喷钙处理使樱桃的全钙 水提取钙 H2O Ca 乙醇提取钙 ALc Ca 的含量均有不同程度增加 4 刘剑锋等人研究表明采后 浸钙可大大增加梨果实H2O和l mol L NaCl提取钙含量 而使其有足够的钙形成磷酸钙 和草酸钙以消除贮藏过程中有害代谢产物的毒害 保持细胞壁果胶正常结构 5 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 4 2 2 钙对弱光下活性氧代谢的影响钙对弱光下活性氧代谢的影响 正常条件下 细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡状态 活性氧水平较低 弱光胁迫使植物细胞膜的结构和厚度均发生很大变化 引起膜系统损伤 活性氧积累 增多 活性氧使膜脂过氧化产物积累 导致细胞质膜的完整性受到破坏 细胞质外渗 增多 膜相关生理生化反应异常 细胞生理机能降低 产生活性氧伤害 此时 对自 由基有清除作用的 SOD POD 和 CAT 活性 代表细胞膜受伤害程度的膜脂过氧化产 物 MDA 的含量等都会发生变化 这些变化又会进一步影响到植物的光合作用 2 1 活性氧的产生活性氧的产生 植物体内活性氧可以经由许多代谢途径产生 如光合作用和光呼吸作用 细胞内具 有高度氧化活性或强烈电子传递作用的细胞器或部位都可以产生活性氧 如叶绿体 线 粒体和微粒体 2 2 活性氧防御机制活性氧防御机制 为有效防止ROS的氧化损伤 植物已在长期的自然选择过程中形成了一套有效的 活性氧防御机制 以维持其体内的ROS在适宜的浓度范围 这些防御机制主要包括酶 促和非酶促两类活性氧自由基清除系统 其中非酶系统主要包括 抗坏血酸 AsA 谷 胱肝肽 GSH 酶系统主要包括 SOD CAT POD APX和GR 一般认为具有高抗 氧化能力的植物具有较强的抵御活性氧损伤的能力 即植物体内有效的活性氧保护体 系在提高植物抗环境胁迫中起着重要的作用 超氧化物歧化酶 superoxide dismutase SOD 是主要的超氧化物碎灭剂 作为抗氧 化胁迫的第一道防线 把O2一歧化为H2O2和氧 作为一种诱导酶 SOD活性受到其底 物O2一浓度的诱导 在许多植物中表明在胁迫环境下O2浓度升高 相应地SOD活性也升 高 但当自由基产生的速率超过系统清除能力时 细胞受到严重伤害 继而引起SOD 活性下降 过氧化物酶 peroxidase POD 亦能清除植物体内的H2O2 但其作用机理有别于 CAT POD是通过一些辅助底物如酚类化合物和抗氧化剂的氧化 从而分解H2O2 与 CAT相比 POD和底物H2O2有更高的亲和力 且分布于整个细胞 POD被认为是植物 体内保护细胞免受H2O2伤害的主要酶 已有研究表明POD在保护细胞免受H2O2胁迫中 起重要作用 2 3 钙对弱光下番茄活性氧代谢的影响钙对弱光下番茄活性氧代谢的影响 目前钙对逆境下番茄活性氧代谢的影响多集中于低温 高温和盐胁迫 钙对弱光 下番茄活性氧代谢的影响研究较少 张燕等人研究表明CaC12处理提高了烟草叶片膜稳 定性和膜保护酶活性 有利于保护细胞膜结构 降低高温对烟草幼苗的伤害 钙离子 鳌合剂EGTA能在一定程度上降低烟草叶片的抗热性 6 植物的保护酶活性受Ca2 诱导 和调控 Ca2 能提高弱光胁迫下番茄叶片SOD POD和CAT活性 并维持在较高水平 7 沈阳农业大学学士学位论文 5 Ca2 浸种也能提高低温胁迫下茄子幼苗的SOD和CAT活性 降低MDA的积累 提高茄 子幼苗耐寒性 8 戴高兴等人研究表明外源钙可以抑制活性氧物质的产生 保护细胞膜 结构 维持正常的光合作用 增加SOD活性 降低MDA含量 从而提高植物的耐盐性 9 高洪波 2005 研究表明 低氧胁迫下 外源钙能够提高幼苗根系和叶片的 SOD POD和CAT活性 降低MDA含量及护产生速率 从而缓解低氧胁迫对网纹甜瓜 幼苗的伤害 进而提高网纹甜瓜幼苗耐低氧胁迫的能力 10 杨春祥等人研究在萌芽期 花蕾期和盛花末期喷施CaCl2溶液 可以降低低温胁迫后油桃花和幼果的细胞膜透性及 含量 可以提高花和幼果中超氧化物歧化酶 过氧化物酶 过氧化氢酶和抗坏血酸过 氧化物酶等的活性 从而提高花和幼果的抗低温胁迫能力 11 李天来等人在做夜间低 温胁迫下钙对番茄幼苗根系活力及活性氧代谢的调控作用实验中证明了钙素对夜间低 温胁迫下番茄幼苗根系活性氧代谢具有重要的调控作用 增强保护酶活性和渗透调节 物质的含量 减缓脂过氧化作用 从而提高了番茄植株对夜间低温胁迫的耐受性 李 天来 李益清在外源钙及钙抑制剂对番茄耐弱光特性的调控作用中指出Ca2 可在一定程 度上可提高弱光胁迫下番茄叶片POD CAT和SOD等防御酶活性 增强植株对活性氧 的清除能力 Ca2 处理可减轻弱光胁迫引起的番茄叶片膜脂过氧化 而钙通道抑制剂 和钙螯合剂则增加叶片的膜脂过氧化程度 试验结果还表明 外源钙促进弱光胁迫下 番茄叶片光合作用可能与其提高叶片抗氧化酶活性有关 3 3 研究目的和意义研究目的和意义 番茄是我国北方秋 冬和早春保护地设施栽培的重要蔬菜 由于栽培季节光照不足 加上覆盖物 灰尘等遮光的影响 经常发生弱光胁迫 严重影响番茄的生理和产量 研 究番茄弱光生理的很多 但研究弱光下钙对番茄钙组分和活性氧代谢的较少 钙对调 节番茄弱光生理有很重要的作用 而细胞内活性氧的积累 会导致叶绿体的超微结构及 光合相关酶活性发生改变 从而使叶片捕获和利用光的能力下降 叶片光合能力明显降 低 造成产量下降 因此研究弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧代谢的影响具有 重要意义 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 6 1 材料与方法材料与方法 1 1 材料与实验设计材料与实验设计 试验于 2012 年 4 月 5 月在沈阳农业大学后山基地 29 号温室中进行 供试番茄为 耐弱光品种 W 4 月 3 日播种于 50 孔的穴盘 当番茄苗生长至 4 叶 l 心时 选取生长状态较一致 穴盘苗 将根系洗净后移入 29 号温室内用日本山崎配方营养液进行水培 先用山崎配 方营养液预培养 4d 清水处理 1d 然后转移到不同供钙水平的山崎配方营养液中培养 10d 试验设 3 个供钙水平 无钙 正常和高钙 即把 Ca2 的浓度分别调节为 0 1 5 13 5 并用相应水平的 Na 和 SO42 补充以保持其他离子平衡 PH 值为 6 7 EC 在 2 0 2 5 在进行不同供钙水平处理的同时进行遮光处理 温室内自然光 强 1376 43 1445 32 mol m 2 s 1 为无遮光区 用遮阳网遮光至自然光强的 25 344 10 361 33 mol m 2 s 1 为遮光处理区 处理 11d 弱光下三种钙水平处理 分别表示为 Lg 高钙 Lz 正常钙 Lw 无钙 自然光下三种钙水平处理分 别表示为 Ng 高钙 Nz 正常钙 Nw 无钙 隔两天取一次样 单株取样 3 次重复 1 2 测定项目测定项目及方法及方法 1 2 1 CaCa2 测定方法测定方法 按 Ohat 等的方法提取番茄叶片中各种形态的钙 所用的五种提取液分别为 80 的 乙醇 蒸馏水 l mol L 1的 NaCl 2 的醋酸和 0 6 mol L 1的盐酸 将冷藏的试材研碎 后放入 7mL 有盖离心管中 依次加入 5mL 的上述 5 种提取液 提取的主要成分分别是 硝酸钙和氯化钙 简写为 ALc Ca 水溶性有机酸钙 H2O Ca 果胶酸钙 NaCl Ca 磷 酸钙和碳酸钙 HAc Ca 草酸钙 HCl Ca 剩下的残渣中主要成分是硅酸钙 简写为 Res Ca 每次提取都在 30 的恒温水浴中震荡提取 18h 8000r min 离心 倾出上清夜 再用此种浸提液按上述步骤连续提取 2 次 每次 2h 最后将提取液定容至 25mL 残 渣经干灰化后 用盐酸溶解 采用 TAS 986 型原子吸收分光光度仪测定各级提取液中 钙的含量 1 2 2 超氧自由基超氧自由基 O O2 2 产生速率测定方法产生速率测定方法 按郑炳松 2006 年的方法进行测定 取 0 5g 的待测样 用 5mL 50mmol L 磷酸 缓冲液 pH 7 8 研磨 磷酸缓冲液中含 0 1mmol L EDTA 0 3 W V Triton X 沈阳农业大学学士学位论文 7 100 4 W V 聚乙烯吡咯烷酮 PVP 研磨后以纱布过滤 以 10000g 离心力离心 20min 上清液即为酶提取液 取 0 5mL 样品提取液 加入 0 5mL 50mmol L 磷酸缓冲 液 pH 7 8 1mL 1mmol L 盐酸羟胺 充分摇匀 然后放入 25 恒温箱中保温 1h 之 后加入 1mL 17mmol L 对氨基苯磺酸 以冰醋酸与水按 3 1 的比例配制 和 1mL 7mmol L 萘胺 以冰醋酸与水按 3 1 的比例配制 混合后放入 25 恒温箱中保温 20min 测定 530nm 波长下的 OD 值 1 2 3 丙二醛丙二醛 MDA MDA 含量测定方法含量测定方法 MDA 含量测定采用 TBA 硫代巴比妥酸 反应法 参照郑炳松 2006 的方法 取 1mL 样品提取液 加入 3mL 27 的硫代巴比妥酸 TBA 和 12 的三氯乙酸 TCA 混合液在 95 的水浴中保温 30min 后 立即置于冰浴中冷却 在 15000g 离心力下离心 10min 然后分别在 532nm 和 660nm 波长下测定 OD 值 1 2 4 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 SOD SOD 活性测定方法活性测定方法 SOD 活性测定采用氮蓝四唑 NBT 光化还原法 取试管 在较暗光下加入 3mL 反 应液 由 50mmol L 磷酸 pH 7 8 13mmol L 甲硫氨酸 63 mol LNBT 1 3 mol L 核 黄素和 1 0mmol L EDTA 配制而成 用时现配 和 25 L 酶提取液 在 25 的光照箱内 进行光照反应 17min 然后于 560nm 波长下进行光密度测定 以抑制 NBT 光化还原 50 为一个酶活性单位 1 2 5 过氧化物酶过氧化物酶 POD POD 活性测定方法活性测定方法 POD 活性测定采用愈刨木酚测定法 取试管 加入 3 4mL 25mmol L K2HPO4 KH2PO4缓冲液 pH 7 0 内含 0 1mmol L Na2 EDTA 和 200 L 0 05 愈创木酚 搅拌 待愈创木酚溶解混合均匀后 再加入 200 L H2O2 10mmol L 和 200 L 提取液 于 470nm 波长下测定 1 2min 内的 OD 值变化 愈创木酚过氧化物酶在 470nm 下的消光系 数为 26 6mmol L cm 1 3 数据处理和分析数据处理和分析 运用 Microsoft Excel 应用程序和 SPSS 数据处理系统进行数据处理和分析 2 结果与分析结果与分析 2 1 钙对弱光下番茄叶片钙形态的影响钙对弱光下番茄叶片钙形态的影响 由图 1 可以看出 随着钙溶度的增加番茄叶片的水溶钙 酸溶钙和总钙都有一定 程度的降低 钙显著降低了叶片中水溶钙 处理第五天最为明显 图 1 A 高钙处理 显著降低了酸溶钙及总钙的浓度 P0 01 表明 Ca2 可以降低番茄叶片超氧阴离子的产生速率 减小了超氧阴离子对番茄幼苗叶片细 胞膜的伤害 由图 2 还可以看出 在自然光下 钙处理对超氧阴离子的产生速率的影 响更为显著 这说明在自然光下钙处理对番茄叶片超氧阴离子的产生速率的影响更大 沈阳农业大学学士学位论文 9 图图2 钙对弱光胁迫下番茄叶片超氧阴离子产生速率的影响钙对弱光胁迫下番茄叶片超氧阴离子产生速率的影响 Fig 2 Effects of calcium on the super oxygen anion production rate in the leaves of tomato under low light stress 2 2 2 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片对弱光胁迫下番茄叶片MDA含量的影响含量的影响 由图 2 可以看出 弱光条件下 高钙和正常钙处理 MDA 含量呈现先上升后下降 的趋势 整体上 MDA 含量略有增加 而无钙处理 MDA 含量随着处理时间的延长而升 高 整体上 MDA 含量显著增加 在自然光照下 MDA 含量整体上的变化趋势和弱光 条件下一样都有所增加且无钙处理都显著增加 弱光条件下 MDA 含量变化更显著 说明弱光胁迫增强了番茄叶片细胞膜脂过氧化的作用 也说明了钙处理对降低番茄叶 片细胞膜脂过氧化的作用在弱光胁迫下更为显著 不同光照处理下 随钙离子浓度增 强 MDA 含量降低 表明 Ca2 可以降低番茄叶片 MDA 的含量 可明显减缓 MDA 对 细胞膜的伤害 0 2 4 6 8 10 12 14 0d2d4d6d8d10d MDA umol g Lg Lz Lw 图图3 钙对弱光胁迫下番茄叶片钙对弱光胁迫下番茄叶片MDA含量的影响含量的影响 Fig 3 Effects of calcium on the content of MDA in the leaves of tomato under low light stress 0 1 2 3 4 5 6 7 0d2d4d6d8d10d 超氧阴离子产生率 umol min Lg Lz Lw 0 1 2 3 4 5 6 7 0d2d4d6d8d10d 超氧阴离子产生率 umol min Ng Nz Nw 0 2 4 6 8 10 0d2d4d6d8d10d MDA umol g Ng Nz Nw 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 10 2 2 3 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片对弱光胁迫下番茄叶片SOD活性的影响活性的影响 从图 4 可以看出 在自然光照和弱光下随着时间的延长 SOD 活性都略有下降 在 正常光照和弱光两种处理中 SOD 活性都随溶液 Ca2 浓度升高而升高 高钙和无钙处 理的幼苗叶片 SOD 活性差异显著 弱光下 无钙处理组番茄叶片的 SOD 活性急剧下 降而后略有上升 在弱光条件下高钙和无钙处理的幼苗叶片 SOD 活性差异更为显著 表明弱光降低了番茄叶片的 SOD 活性 Ca2 可以显著提高弱光胁迫下番茄叶片 SOD 活性 增强植株对过氧化物的清除能力 图图 4 钙对弱光胁迫下番茄叶片钙对弱光胁迫下番茄叶片 SOD 活性的影响活性的影响 Fig 4 Effects of calcium on the activities of SOD in the leaves of tomato under low light stress 2 2 4 Ca2 对弱光胁迫下番茄叶片对弱光胁迫下番茄叶片POD活性的影响活性的影响 由图 5 可以看出 弱光处理的幼苗叶片 POD 活性随溶液 Ca2 浓度升高而升高 高 钙和无钙处理的幼苗叶片 POD 活性显著差异 到处理第 10 天差异最显著 表明 Ca2 可以显著提高弱光胁迫下番茄叶片 POD 活性 增强了植株对过氧化物的清除能力 正 常光处理下 钙浓度高 POD 活性降低的快 说明钙起作用的时间较早第 4 天就开始 起作用 清除过氧化物能力强 而在弱光处理下 钙起作用的时间较正常光下晚 10d 时才起作用 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 0d2d4d6d8d10d SOD U Lg Lz Lw 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 10 5 0d2d4d6d8d10d SOD U Ng Nz Nw 沈阳农业大学学士学位论文 11 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0d2d4d6d8d10d POD umol g min Lg Lz Lw 0 20 40 60 80 100 120 140 0d2d4d6d8d10d POD umol g min Ng Nz Nw 图图 5 钙对弱光胁迫下番茄叶片钙对弱光胁迫下番茄叶片 POD 活性的影响活性的影响 Fig 5 Effects of calcium on the activities of POD in the leaves of tomato under low light stress 3 讨论讨论 3 1 钙对番茄叶片钙形态的影响钙对番茄叶片钙形态的影响 用不同钙成分处理不同的作物的不同器官 得到的结果往往不同 研究表明 用 离子钙 熬合钙和纳米钙喷钙处理冬枣果实 冬枣果实中的钙主要以80 乙醇提取钙 ALc Ca 的形式存在 贮藏至60d时 NaCl溶液提取钙和醋酸提取钙含量下降 ALc Ca 的含量有所上升 CK处理的细胞质中有大量钙累积 Che Ca处理有效地抑制了钙向细 胞质的流动 细胞质中累积较少 邢尚军等 2009 还有人发现 在营养液中加钙 及在花期 幼果期分别向番茄花 叶 幼果喷施20mg L萘乙酸 NAA 和0 5 CaCl2 混合液能够显著增加果实钙含量 果实增钙主要是增加了果胶酸钙含量 董彩霞等 2004 董彩霞等人研究发现营养液高钙处理显著增加了植株各部位的吸钙量 说明 营养液中钙离子供应强度增加 植株对钙的吸收也随之增加 1 董彩霞和周健民等人研 究表明 花期减少施钙量后 番茄果实中果胶酸钙含量和比例显著降低 水溶性钙含 量和比例显著增加 果实底端比例高于顶端 磷酸钙含量降低 2 陈明昌等人研究证明 CaPl和CaK2处理可以显著提高保护地番茄总吸钙量和果实吸钙量 提高钙的利用率 3 邢尚军等人研究证明喷钙处理使樱桃的全钙 水提取钙 H2O Ca 乙醇提取钙 ALc Ca 的含量均有不同程度增加 4 刘剑锋等人研究表明采后浸钙可大大增加梨果实H2O和l mol L NaCl提取钙含量 而使其有足够的钙形成磷酸钙和草酸钙以消除贮藏过程中有 害代谢产物的毒害 保持细胞壁果胶正常结构 5 而本试验发现 叶片中H2O Ca的变 化是总钙浓度改变的主要原因 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 12 3 2 弱光胁迫对活性氧代谢的影响弱光胁迫对活性氧代谢的影响 正常条件下 细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡状态 活性氧水平较低 弱光胁迫使植物细胞膜的结构和厚度均发生很大变化 引起膜系统损伤 活性氧积累 增多 活性氧使膜脂过氧化产物积累 导致细胞质膜的完整性受到破坏 细胞质外渗 增多 膜相关生理生化反应异常 细胞生理机能降低 产生活性氧伤害 此时 对自 由基有清除作用的SOD POD和CAT活性 代表细胞膜受伤害程度的膜脂过氧化产物 MDA的含量等都会发生变化 这些变化又会进一步影响到植物的光合作用 马德华等 1997 研究表明 弱光下黄瓜叶片细胞内活性氧 O2 H2O2 和MDA不能被及时清除 细胞膜质产生过氧化 细胞膜系统的伤害导致黄瓜植株生长发育受抑制 朱祝军 1997 和Huang等 2002 在烟草和樱桃幼苗为试材的试验中也发现弱光胁迫导致膜脂过氧化反 应现象的发生 并且发现细胞膜脂过氧化反应程度和弱光胁迫程度呈一定正相关关系 杨延杰 2004 种培芳 2005 在甜瓜上的研究发现 弱光下叶片MDA含量 POD CAT活性增加 中度弱光胁迫下 耐弱光品种的POD CAT增幅更大 减轻了 自由基对叶片细胞膜的伤害 但SOD活性变化较复杂 在黄瓜 辣椒上的研究也得到 了类似结果 且马德华还发现弱光处理前后 黄瓜幼苗叶片POD同功酶谱不同 说明 黄瓜耐弱光能力不仅受遗传特性决定 而且转录水平和翻译水平上的生物化学变化会 造成酶分子结构和功能的变异 对植物耐弱光能力产生影响 翁忙玲等 2007 王 美平 2003 在不同生态型黄瓜上的研究表明 同一温度下随着光强的降低 MDA含量 增加 CAT和POD活性增加 SOD 活性下降 张立功 2004 研究表明 温室遮荫处理 使草莓叶片MDA含量增加 SOD和CAT活性下降 POD活性上升 弱光条件下 植物 细胞抗氧化酶系活性 同功酶酶谱的变化说明保护酶系不仅受遗传特性决定 而且在 转录水平和翻译水平上还受弱光胁迫强度和胁迫时间的影响 构成复杂的多酶调控系 统 目前对这一系统运作的详细机制还不清楚 王明等 2007 3 3 钙对弱光下番茄叶片活性氧的影响钙对弱光下番茄叶片活性氧的影响 在正常生理条件下 植物细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡状态 活性氧 水平较低 而逆境胁迫会破坏活性氧的动态平衡 从而产生过多的氧自由基 使细胞 的正常生理功能受到伤害 研究表明 MDA是膜脂过氧化分解的主要产物之一 其含 量与植物受伤害程度呈正相关 SOD和POD等抗氧化酶在清除氧自由基和阻止自由基 形成方面起重要作用 SOD是存在于植物细胞中最重要的抗氧化酶之一 其主要功能 是清除O2 而POD具有分解H2O2 的作用 3种保护酶协同作用 可以清除体内一定 数量的过剩O2 从而使膜系统减轻自由基引发的过氧化伤害 使植物的抗逆性得到提 高 逆境下酶活性的研究多集中在高温胁迫 Hongmei Du et al 2009 低温胁迫和盐 胁迫 Valentina Mittova et al 2004 Huahua Wang et al 2010 等 弱光下研究钙对酶 活性的调节的较少 得到的结论也较一致 其中有研究认为 用27 mM 的CaCl2和钙 沈阳农业大学学士学位论文 13 加IAA处理处理弱光下 50 自然光强 番茄叶片发现 可显著提高SOD的活性 李天来 和李益清 2008 也有通过无土栽培证实了正常光下 钙可提高番茄叶片中SOD的 活性 Michaela Schmitz Eiberger et al 2002 SOD和APX的活性显著增加 说明有害氧 离子基本被清除 Chang Hyo Goh et al 2009 本研究中发现 弱光下钙提高SOD的活 性 有效清除了O2 明显减小膜质过氧化程度 与前人研究结果一致 总之 钙与抗 氧化酶系统 ROS 是相互紧密联系的 Christian Mazars et al 2010 前人已有研究 证明这点 4 结论结论 本实验得出的结论是 弱光胁迫下钙降低了番茄叶片中的总钙含量 叶片中 H2O Ca 的变化是总钙浓度改变的主要原因 说明水溶钙可能在调节光合方面发挥着重 要的作用 弱光胁迫下钙降低了番茄叶片超氧阴离子的产生速率和 MDA 含量 提 高了 SOD 活性和 POD 活性 可见 Ca2 通过提高保护酶活性 降低膜质过氧化水平 来提高番茄植株番茄植株弱光耐受性 进一步防止植株弱光伤害 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 14 参考文献参考文献 1 董彩霞 周健民 范晓晖花期减少施钙量对不同钙效率番茄果实钙形态和含量的影响 J 植物生 理学通讯 2003 39 3 128 130 2 董彩霞等 不同施钙措施对番茄果实钙含量和钙形态的影响 J 植物营养与肥料学报 2004 10 1 143 146 3 陈明昌等 磷 钾与钙配合对保护地番茄钙吸收的影响 J 植物营养与肥料学报 2005 11 2 240 243 4 邢尚军等 钙对甜樱桃贮藏品质 钙形态及细胞超微结构影响 J 生态环境学报 2010 19 9 276 278 5 张燕 李天飞 方力 等 钙对高温胁迫下烟草幼苗抗氧化代谢的影响 J 生命科学研 究 2002 4 6 356 361 6 刘剑锋 唐鹏 彭抒昂 采后浸钙对梨果实不同形态钙含量及生理生化变化的影响 J 华中农业大 学学报 2004 23 5 247 249 7 李天来 李益清 钙对弱光胁迫下番茄叶片保护酶活性及可溶性蛋白含量的影响 J 园艺学报 2008 35 11 1601 1606 8 高洪波 陈贵林 钙调素拮抗剂与钙对茄子幼苗抗冷性的影响 J 园艺学报 2002 29 3 243 246 9 戴高兴 彭克勤 皮灿辉 钙对植物耐盐性的影响 J 中国农学通报 2003 03 156 159 10 高洪波 郭世荣 低氧胁迫对无土栽培网纹甜瓜幼苗多胺含量的影响 J 园艺学报 2005 01 263 274 11 杨春祥 李宪利 高东升 钙对低温胁迫下油桃花果膜脂过氧化和保护酶活性的影响 J 落叶 果树 2004 6 1 3 12 林多 杨延杰 范文丽等 低温对番茄幼苗叶片活性氧代谢的影响 J 辽宁农业科学 2001 5 1 4 13 胡泽友 邓小渡 彭喜旭 等 外源钙对镍胁迫下水稻幼苗抗氧化酶活性及膜脂过氧化的影响 J 中国水稻科学 2007 21 4 367 371 14 邹再集 陆帼一 低温对辣椒幼苗膜脂过氧化和保护酶系统变化的影响 J 西北农业学 报 1994 3 3 51 56 15 张春梅 邹志荣 张志新等 外源亚精胺对模拟干旱胁迫下番茄幼苗活性氧水平和抗氧化系统的 影响 J 应用与环境生物学报 2009 15 3 301 307 16 罗黄颖 高洪波 夏庆平等 氨基丁酸对盐胁迫下番茄活性氧代谢及叶绿素荧光参数的影响 J 中国农业科学 2011 44 4 735 761 17 张会慧 张秀丽 许楠等 外源钙对干旱胁迫下烤烟幼苗光系统 功能的影响 J 应用生态学 沈阳农业大学学士学位论文 15 报 2011 22 5 1195 1200 18 Knight H Brand S Knightm R 1998 A history of stress alters drought calcium signaling pathways in Arabidopsis Plant Journal 16 6 681 687 19 BUSH D S Calcium regulation in plant cells and its role in signaling J Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 1995 46 95 122 20 KINET J M Effect of light condition on the development of the inflorescence in Tomato J Scientia Horticulture 1997 6 27 35 21 Salin M L1Toxic oxygen species and protective system of the chloroplast1Physiol Plant 1987 72 681 689 弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 16 致致 谢谢 本文是在导师李天来教授的悉心指导下完成的 导师在论文的选题 试验设计及研究内容方 面都对我进行了严格要求和悉心指导 在学习中 老师严谨的治学态度 丰富渊博的知识 敏锐的 学术思维 精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模 导师的高深精湛 的造诣与严谨求实的治学精神 将永远激励着我 在此向导师李天来教授致以我最诚挚的谢意 在论文的实验过程中 博士生孟昭娟给了我极大的帮助 并提出了很多宝贵的意见 在此向 孟昭娟学姐致以衷心的感谢 另外 在论文的完成过程中 我也得到了同学吴亚利的热心帮助和 大力支持 在此向所有在论文撰写过程中给予我无私帮助的人致以深深的谢意 沈阳农业大学本科毕业论文承诺书沈阳农业大学本科毕业论文承诺书 论文 设计 题目弱光胁迫下钙对番茄叶片钙组分和活性氧的影响 完成人姓名汤湾专业 园艺 指导教师姓名李天来 职称 教授 本毕业论文 设计 的创新点 本论文是通过培养液 研究不同钙水平对弱光胁迫下番茄叶片钙组分和活性 氧代谢的影响 进一步为明确 Ca2 耐弱光提供了理论依据 承诺内容 本毕业论文是本人在导师李天来老师指导下独立完成的 没有抄袭他人成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 完成人签名 汤湾 指导教师签名 2013 年 6 月 20 日 年 月 日 学号 学号 134045033 文献综述和外文翻译文献综述和外文翻译 2013 届本科 届本科 学学 院 院 科学技术学院科学技术学院 专专 业 业 园园 艺艺 姓姓 名 名 汤汤 湾湾 指导教师 指导教师 李天来李天来 教授教授 完成日期 完成日期 2013 年年 5 月月 15 日日 文文 献献 综综 述述 题目 题目 逆境胁迫下钙对植物活性氧代谢影响的研究进展逆境胁迫下钙对植物活性氧代谢影响的研究进展 沈阳农业大学学士学位论文文献综述 1 逆境胁迫下钙对植物活性氧代谢影响的研究进展逆境胁迫下钙对植物活性氧代谢影响的研究进展 摘要 摘要 植物在生长发育过程中经常遭受生物胁迫和非生物胁迫的危害 本文所指的逆 境胁迫是指非生物胁迫 非生物胁迫则主要包括干旱 盐 极端温度 pH 值及光照过 强或过弱等 吴耀荣和谢旗 2006 干旱 盐碱 极端温度等非生物逆境都能引起植物细胞 内钙离子浓度的变化 钙是细胞内重要的信号分子 参与植物从种子萌发 生长分化 形 态建成 到开花结果的全过程 参与植物的光合电子传递 光合磷酸化 细胞的向性 运动和激素调控等 钙素的缺乏会导致植物生长发育中某些生理活动的紊乱和病害的 发生 降低农作物的产量和品质 进而造成严重的经济损失 细胞内活性氧的积累 导致叶绿体的超微结构及光合相关酶活性发生改变 从而使叶片捕获和利用光的能力 下降 叶片光合能力明显降低 造成产量下降 因此研究逆境胁迫下钙对活性氧代谢的 影响具有重要意义 本文为研究钙对植物的抗逆境机制的影响提供了参考依据 关键词关键词 逆境胁迫 钙 活性氧代谢 钙是植物生长发育不可缺少的营养元素之一 细胞内的钙信使系统直接或通过钙 调节蛋白间接地控制其它酶类蛋白 将外部刺激转换成对植物细胞代谢活动的调控 钙离子参与植物生长发育的全过程 并对其生理活动进行广泛的调节 植物体内钙素 形态大致可分为 水溶性钙 包括游离 Ca2 易溶于水的钙盐类 非水溶性钙 包括草 酸钙 果胶酸钙等 植物体中易溶于水和可被硝酸钠交换的钙是具有生理活性的 称 为生理活性钙 PACa 不同形式的钙具有不同的生理功能 在组织 细胞中分布位点 也不相同 在一定的生理条件下 这二种类型的钙可以互相转换 McAlnshetal 1995 游离态钙在细胞中以自由态存在 含量很低 在 10 6mol L l以下 结合态钙和某些物 质的亲和性很强 在细胞中常与其它结构成分紧密结合 结合态钙与游离态钙的区别 在于结合态钙的量较大 常贮存在细胞的某些特定的部位 游离态钙与结合态钙的区 别在于亲和力较弱 与碳水化合物 磷酸化合物等结合不紧 可被转换成其它形式的 钙或被运输到细胞的其它部位 活性氧 ROS reactive oxygen species 是伴随着地球上有氧生物的进化而产生的一类 与氧相比 氧化活性较高或被部分还原的含氧基团 主要包括过氧化氢 H2O2 单线 态氧 超氧化阴离子和活性羟基自由基 它们是生物体氧代谢的副产物 是对生物体 的正常代谢 细胞及细胞器结构及生物大分子的稳定结构有害的 植物细胞内活性氧 的消除机制主要包括超氧化物歧化酶 SOD 抗坏血酸氧化酶 APX 和过氧化物酶 CAT 植物体内的活性氧防御系统超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物 POD 和过氧化 氢酶 CAT 能使植物避免因光合作用释放高浓度氧而产生伤害作用 1 生物体系的活性氧及其产生机制生物体系的活性氧及其产生机制 1 1 活性氧产生的场所活性氧产生的场所 在植物细胞正常代谢过程中 活性氧可由多种途径产生 叶绿体 线粒体和质膜 上的电子传递至分子氧过程伴随产生活跃的 具有毒性的活性氧 高等植物叶绿体光 逆境胁迫下钙对植物活性氧代谢影响的研究进展 2 合电子传递链光合氧化系统I PSI 的受体端存在大量自动氧化酶类 能够通过Mehler 反应将氧光还原成超氧化物 这些超氧化物或参与PSI电子循环 或从类囊体腔扩散 至基质膜表面 在那里可通过酶促反应歧化成H2O2 和O2 或在Fe 或Cu 的存在下通 过Fenton 或Haber Weiss 反应产生 OH 和O2 同样 叶绿体中的PSII 和其它位点也会 产生活性氧 生物和非生物胁迫的介入会使电子传递链和酶代谢紊乱 活性氧的水平 升高 1 2 活性氧的作用活性氧的作用 当环境胁迫长期作用于植株 使产生的活性氧超出活性氧清除系统的能力时 就 会产生氧化损伤 对大分子的损伤和启动膜脂过氧化 活性氧可以攻击蛋白质的氨基酸残基 尤其是 Tyr Phe Trp Met 和Cys 形成羰基衍生物 1 活性氧可以促进分子内和分子间的交 联 如二硫键的形成和蛋白质的断裂 超氧化物可使一些含金属的酶类失活 如作用 于酶 Fe S 4 族结构 或产生羟自由基 引发磷脂过氧化 2 最主要的是H2O2 能够通过 Haber Weiss反应产生更活跃 更有毒性的 OH 导致膜脂过氧化 碱基突变 DNA 链断裂和蛋白质损伤 OH 可以修饰一些蛋白质 使它们对蛋白水解酶的作用更敏感 3 一旦被破坏 蛋白质就会进一步被肽链内切酶降解 已发现类囊体膜上存在这样的 酶 此外 已证实一种多催化功能的蛋白酶复合体可有选择地降解活性氧所破坏的蛋 白质 4 对细胞结构与功能的伤害 植物光合氧化系统的光合放氧作用使叶绿体处于局部高 氧环境 从而使叶绿体成为氧伤害的一个重要部位 业已证实 高氧环境诱导的氧自由 基增加 抑制了叶绿体的正常发育 降低了叶绿体光合作用固定CO2 的能力 活性氧对植物细胞有很强的毒害作用 但在一些代谢过程中也存在对植物有利的一 面 1 类囊体电子传递链许多组成成分相对分子氧来说具有较高的电化学势 泄漏 电子给O2 产生活性氧能保持电子携带者 电子载体的电子平衡 使它们发挥更大更有 效的作用 5 2 当病原体侵染植物后 引起细胞内的活性氧迸发 从而引起过敏细胞 死亡 活性氧作为毒性分子直接杀死病原物 3 同时在POD的催化下 H2O2 参与细 胞壁中富含羟脯氨酸的伸展蛋白 extensin 交联过程 强化细胞壁 延缓和阻止病原体 的侵入和扩散 4 活性氧作为第二信使分子参与信号传导并启动抗逆基因的转录和 表达 6 另外 还可改变植物细胞的氧化还原状态以调节植物生长发育 2 活性氧清除系统活性氧清除系统 为有效防止ROS的氧化损伤 植物已在长期的自然选择过程中形成了一套有效的 活性氧防御机制 以维持其体内的ROS在适宜的浓度范围 这些防御机制主要包括酶 促和非酶促两类活性氧自由基清除系统 其中非酶系统主要包括 抗坏血酸 AsA 谷 胱肝肽 GSH 酶系统主要包括 SOD CAT POD APX和GR 一般认为具有高抗 沈阳农业大学学士学位论文文献综述 3 氧化能力的植物具有较强的抵御活性氧损伤的能力 即植物体内有效的活性氧保护体 系在提高植物抗环境胁迫中起着重要的作用 超氧化物歧化酶 superoxide dismutase SOD 是主要的超氧化物碎灭剂 作为抗氧 化胁迫的第一道防线 把O2一歧化为H2O2和氧 作为一种诱导酶 SOD活性受到其底 物O2一浓度的诱导 在许多植物中表明在胁迫环境下O2浓度升高 相应地SOD活性也升 高 但当自由基产生的速率超过系统清除能力时 细胞受到严重伤害 继而引起SOD 活性下降 过氧化物酶 peroxidase POD 亦能清除植物体内的H2O2 但其作用机理有别于 CAT POD是通过一些辅助底物如酚类化合物和抗氧化剂的氧化 从而分解H2O2 与 CAT相比 POD和底物H2O2有更高的亲和力 且分布于整个细胞 POD被认为是植物 体内保护细胞免受H2O2伤害的主要酶 已有研究表明POD在保护细胞免受H2O2胁迫中 起重要作用 逆境下钙对植物活性氧代谢的影响逆境下钙对植物活性氧代谢的影响 目前钙对逆境下番茄活性氧代谢的影响多集中于低温 高温和盐胁迫 钙对弱光 下番茄活性氧代谢的影响研究较少 张燕等人研究表明CaC12处理提高了烟草叶片膜稳 定性和膜保