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汞对水花生愈伤组织生理、超微结构及类囊体膜光化学活性的影响

康宜宁  
【摘要】:随着杀虫剂滥用、工业废水排放及矿业的发展,水环境重金属污染研究日益引起生物界的重视。据国内外研究,Hg等重金属可导致植物氧化损伤、结构破坏、代谢紊乱、乃至死亡。但这些研究所采用的实验材料均为自然界生长植物,易受地域、季节限制,且关于光合系统损伤的报道相对较少。因此,本文以广泛分布的挺水植物-水花生为研究对象,以水花生诱导的致密型愈伤组织为实验材料,从生理及细胞水平多层次研究了Hg对植物的毒害效应及抗性机制。 (1)水花生组织培养研究 采用水花生茎节为外植体,灭菌后切割带节间的茎接种到MS+3%蔗糖+0.65%琼脂+0.1 mg.L-1 NAA+3 mg.L-1 6-BA培养基中诱导腋芽,2-4周后将腋芽发育的无菌幼苗基部切断,接种到MS+3%蔗糖+0.65%琼脂+2mg.L-1 NAA+0.1 mg.L-1 6-BA中进行生根诱导;同时,分别以野外水花生无节幼茎(1、2节)、无菌苗茎为外植体诱导愈伤组织,所用培养基为1/2MS+3%蔗糖+0.65%琼脂--NAA+6-BA(6-BA:NAA=3:0.2或3:0.1)。外植体所用灭菌方式均为84消毒液(1:100)浸泡10min,无菌水冲洗6遍,大型组培箱培养,3d后重复上述处理,共循环3次+70%C2H5OH 1 min,无菌水冲3遍+0.1% HgCl2(Tween-20) 10 min,无菌水冲洗6遍+5%NaClO5 min,无菌水冲6遍。 (2)Hg对水花生愈伤组织生理生化指标、超微结构毒害效应 结果表明:随着Hg2+施加浓度的增加,总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、可溶性蛋白含量呈先升后降趋势,叶绿素a/b逐渐下降;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性先升后降,而过氧化氢酶(CAT)活性呈逐渐下降趋势:同时,超氧阴离子(O2-·)产生速率、丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量均呈逐渐上升趋势;电镜扫描结果发现,Hg2+胁迫破坏了细胞膜系统,特别是对线粒体、叶绿体、细胞核造成严重不可逆的损伤,所观察到的核膜破裂方式主要是超量分泌膜泡。Hg2+对水花生愈伤组织的致死浓度范围为20-40μmol·L-1。 (3)Hg对水花生愈伤组织类囊体膜光化学活性的毒害研究 结果表明:随着Hg2+施加浓度的增加,愈伤组织类囊体光合膜总叶绿素、叶绿素a、膜蛋白含量呈持续下降趋势;叶绿素b、叶绿素a/b值、电子传递全链先升后降;室温荧光发射光谱发现,随着Hg2+施加浓度增加,630 nm处最大荧光发射峰先降后升;而680 nm处最大荧光发射峰呈持续下降趋势,Hg2+为5μmol·L-1时即降为肩峰,20μmol·L-1时荧光峰彻底消失;730 nm最大荧光峰在(0μmol·L-1-20μmol·L-1)Hg2+处理时无明显变化,40μmol·L-1时,荧光值消失;Hg2+对光系统Ⅱ(PSⅡ)的抑制作用比光系统Ⅰ(PSⅠ)强,虽天线色素含量在Hg2+胁迫下增加,但因PSⅡ反应中心捕光系统遭到破坏,天线色素捕获的光能并不能被PSⅡ有效利用:电镜扫描结果发现,Hg2+处理破坏了类囊体膜系统,基粒片层扭曲松散,最后解体。 (4)Hg对水花生植物体叶绿素含量、荧光参数的影响 结果表明:随着Hg2+施加浓度的增加,总叶绿素含量(ChI)先升后降,叶绿素a/b持续下降;叶绿素a荧光参数最大光化学效率(maximal photochemical efficiency: Fv/Fm)、光系统Ⅱ潜在活性(Fv/Fo)、光系统Ⅱ电子传递量子效率(quantum efficiency of photosystemⅡphotochemistry:ΦPSⅡ)、光化学猝灭系数(photochemical quenching:qP)呈下降→上升→下降趋势;非光化学猝灭系数(non-photochemical quenching:NPQ)先升后降,最后趋于稳定;水花生在(0μmol·L-1-20μmol·L-1)Hg2+胁迫范围内有较强抗性,但Hg2+施加浓度继续增加时,PSⅡ结构功能受损,严重时导致死亡。


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