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甲基砷对拟南芥毒性机制的初步探究

康园园  
【摘要】:美国环境保护署(USEPA)将无机砷及其化合物列为Ⅰ级致癌物。砷污染已经发展成为影响全球千万人健康的世界性问题。砷的用途广泛,主要应用于医学,工业和农业等方面。例如,在农业上,砷作为基础的除草剂,如二甲基砷酸钠(DSMA)可以用于抑制杂草生长和病虫害防治,然而砷在土壤中的大量累积不仅会污染土壤,同时会对生态环境带来严重的负面影响。本课题围绕三种形态砷——五价砷(As(Ⅴ))、单甲基砷(MMA(Ⅴ))、二甲基砷(DMA(Ⅴ))对模式植物拟南芥的毒性效应差异的比较,初步探究甲基砷包括MMA(Ⅴ)、DMA(Ⅴ)对拟南芥的毒性机制。首先,采用拟南芥突变体——cad1-1(PC合成缺失突变体),cad2-1(GSH合成缺失突变体)和abcc1-2(PCs-金属(类金属))复合物液泡转运体缺失突变体)与Col-0(野生型columbia)在培养基条件下进行砷处理试验,发现三种形态砷在低浓度处理时均可刺激拟南芥野生型的生长,高浓度时,三种砷均可使四种拟南芥材料致死;与Col-0相比,cad1-3,cad2-1和abcc1-2在As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下均表现出对砷的高度敏感性而在DMA(V)处理下并未表现出砷敏感性。此外,利用GSH合成专一抑制剂丁硫氨酸亚磺酰亚胺(BSO)与三种砷在培养及条件下共同处理Col-0发现,BSO可增加Col-0在As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下的敏感性,未增加Col-0在DMA(Ⅴ)处理下的敏感性。其次,本试验在培养基条件下利用三种形态砷处理拟南芥,对植株抗氧化生理指标进行测定。植株的非蛋白巯基(NPT)含量测定结果显示MMA(Ⅴ)、As(Ⅴ)处理下NPT显著增加且持续上升;DMA(Ⅴ)处理时下组织NPT含量无显著增加。这些结果表明DMA(Ⅴ)对拟南芥的毒害机制与As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)对拟南芥毒害机制明显不同。植株的过氧化氢和丙二醛测定结果显示组织内过氧化氢、丙二醛含量随处理浓度升高而升高;DMA(Ⅴ)处理下地上部、根部的过氧化氢、丙二醛含量均为最多。表明三种砷处理下拟南芥地上部、根部均产生活性氧代谢,细胞膜发生破坏,DMA(Ⅴ)处理下细胞产生活性氧最多,细胞膜破坏程度最高。拟南芥组织内砷含量和丙二醛、过氧化氢含量相关性分析结果表明,DMA(Ⅴ)处理对拟南芥地上部、根部破坏性最强。然后,本试验初步探究了不同培养条件下三种形态砷处理拟南芥的植株砷含量分布状况。在水培条件下DMA(Ⅴ)处理拟南芥试验测定了拟南芥不同部位的砷含量,结果发现地上部总砷含量约为根部10倍,表明DMA(Ⅴ)处理下砷更易积累在拟南芥地上部。在土培条件下利用三种砷处理拟南芥,试验结果显示:植株地上部、种子生物量在不同浓度As(Ⅴ)处理下均无显著性差异;随MMA(Ⅴ)、DMA(Ⅴ)处理浓度升高拟南芥地上部生物量和种子量相比对照均显著减少,DMA(Ⅴ)处理下减少更多,表明As(Ⅴ)在一定浓度范围内对拟南芥生长影响不大,而甲基砷尤其DMA(Ⅴ)能显著抑制拟南芥的营养生长和生殖生长。土培试验砷含量测定结果显示,DMA(Ⅴ)处理下地上部砷含量最高,As(Ⅴ)处理下地上部砷含量与MMA(Ⅴ)处理下地上部砷含量无显著差异;DMA(Ⅴ)处理下种子砷含量与MMA(Ⅴ)处理下种子砷含量无显著差异,As(Ⅴ)处理下种子砷含量最低;砷从地上部转运至种子中的效率在MMA(Ⅴ)处理时最高,As(Ⅴ)处理时最低。在培养基条件下利用三种形态砷处理Col-0,鲜重结果显示随处理浓度增加,各自处理下的植株地上部、根部鲜重均显著降低,表明拟南芥生长受到抑制。其中DMA(Ⅴ)处理下拟南芥的鲜重减少最快。表明DMA(Ⅴ)对拟南芥生长抑制作用是三种砷中最强的。砷含量测定结果显示,DMA(Ⅴ)处理下植株根部砷含量最小,地上部砷与根部砷比例最大,表明砷在拟南芥根部砷累积最少,转移至地上部能力最强;As(Ⅴ)处理下,植株根部砷含量最大,地上部砷与根部砷比例最小,表明砷在根部砷累积最多,转移至地上部能力最弱。同时,本试验完成了以拟南芥PC合成缺失突变体cad1-3为背景的EMS诱变库的建立,为后续筛选工作奠定基础。


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