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《江南大学》 2018年
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水稻幼苗抗氧化系统对外源Ca~(2+)与酸雨的响应机制

任潇茜  
【摘要】:酸雨(acid rain,AR)是全球性环境问题,农林业由于酸雨污染产生的经济损失不可估量,探究有效途径以减轻酸雨对植物的损伤迫在眉睫。钙离子(Calcium ion,Ca~(2+))是植物细胞的第二信使,调控众多生理代谢活动,影响植物对外界环境的反应与适应。本文采用水培法,探讨外源Ca~(2+)(5 mM)和酸雨(pH 3.5,pH 2.5)在胁迫期和恢复期对水稻幼苗叶和根中生长、活性氧(reactive active oxygen,ROS)含量、氧化酶活性、抗氧化剂含量、抗氧化酶同工酶谱图和基因表达的影响机制。为寻找有效的化控减灾手段来缓解酸雨对植物生长的损伤提供新的思考方向。实验主要结果如下:(1)外源Ca~(2+)和酸雨对水稻幼苗生长的影响可知,酸雨(pH 3.5,pH 2.5)胁迫下水稻幼苗超氧阴离子(O_2?~-),过氧化氢(H_2O_2)的含量增加,细胞膜发生脂质过氧化(MDA,质膜透性),从而抑制了水稻幼苗地上和地下部的生长,且抑制程度随着酸雨强度增大而增加,降幅最大的生长指标是叶面积,酸雨对叶的抑制程度大于根。添加外源Ca~(2+),O_2?~-和H_2O_2含量降低,细胞膜氧化损伤程度减轻,减少酸雨(pH 3.5,pH 2.5)胁迫对水稻幼苗生长的抑制,对根的缓解效果优于叶。恢复期,添加过外源Ca~(2+)的水稻幼苗生长恢复程度高于单一酸雨处理过的水稻幼苗。(2)外源Ca~(2+)和酸雨对水稻幼苗抗氧化酶活性和抗氧化剂含量的影响可知,胁迫期,酸雨(pH 3.5)胁迫下水稻幼苗叶和根中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD),过氧化氢酶(catalase,CAT),过氧化物酶(peroxidase,POD),抗坏血酸过氧化物酶(aseorbateperoxidase,APX)和脱氢抗坏血酸还原酶(dehydroascorbate reductase,DHAR)活性增加,谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)活性与抗坏血酸/脱氢抗坏血酸(ascorbic acid,ASA/dehydroascorbic acid,DHA)和还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽(glutathione,GSH/glutathiol,GSSG)的值降低;酸雨(pH 2.5)处理的水稻幼苗SOD,CAT和DHAR活性增加,POD,APX,GR活性和ASA/DHA,GSH/GSSG降低。高强度酸雨(pH 2.5)胁迫下水稻幼苗POD,APX,GR活性降低,清除活性氧的能力降低,是酸雨对生长的抑制程度受酸雨强度影响的原因之一。外源Ca~(2+)能增加水稻幼苗抗氧化酶活性,促进抗氧化剂由氧化型向还原型转化,ASA/DHA和GSH/GSSG比值增高。ROS含量与APX,GR,ASA和GSH活性成负相关,提高APX和GR活性与还原型抗氧化剂(ASA和GSH)含量可以降低ROS含量。恢复期,添加外源Ca~(2+)使仍存在ROS积累的水稻幼苗的抗氧化酶活性和抗氧化剂含量进一步增加。水稻幼苗抗氧化酶活性和抗氧化剂含量叶低于根,叶清除活性氧的能力不如根,这是根的抗酸性比叶强的原因之一。(3)外源Ca~(2+)和酸雨对水稻抗氧化酶同工酶谱和基因表达的影响可知:酸雨(pH3.5,pH 2.5)胁迫下水稻幼苗抗氧化酶条带变粗,但亮度变化不明显;基因表达上调。添加外源Ca~(2+)水稻幼苗抗氧化酶同工酶条带不仅变粗且变亮,基因表达上调幅度高于单一酸雨处理组。酸雨通过增加同工酶合成量提高总酶活,添加外源Ca~(2+)不仅能合成更多的酶,还能激活非活性态的酶,以此提高抗氧化酶总活性。经过主成分分析发现,酸雨胁迫下水稻幼苗Cu/Zn-SOD1,Cu/Zn-SOD2,Cu/Zn-SOD3,CAT1,CAT3,POD1,APX1,APX2,APX4,DHAR1,GR1和GR2的相对表达量显著增加,其中APX4,GR1和GR2与MDA含量的负相关性最强。恢复期,添加外源Ca~(2+)的水稻幼苗比单一酸雨胁迫的水稻幼苗酶含量,酶活性和基因相对表达量上升幅度更大,自我恢复能力更强。综上所述,添加外源5 m M Ca~(2+)通过提高抗氧化酶基因表达量(特别是APX4,GR1和GR2),增加抗氧化酶合成,激活非活性态的抗氧化酶,同时促进氧化型抗氧化剂向还原型转化,从而增加抗氧化酶活性(特别是APX和GR)和提高还原型/氧化型抗氧剂比值,以此增强水稻幼苗清除活性氧的能力,降低氧化损伤程度,这是Ca~(2+)减轻酸雨对水稻幼苗生长的抑制,从而提高水稻幼苗的抗酸性的原因之一。添加外源5 mM Ca~(2+)对水稻幼苗根的缓解效果优于叶。外源Ca~(2+)不但能缓解酸雨对水稻幼苗的损伤,更能增加解除胁迫后水稻幼苗的自修复能力,促进水稻幼苗的自我修复。本研究可为减轻酸雨伤害或减少农业经济损失提供理论依据。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X517;X503.231

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