多胺对水生植物镉胁迫的缓解效应及机理研究

【摘要】：本文以分布广泛的菹草、竹叶眼子菜、水鳖及慈姑为研究对象,以常见的重金属离子(Cd~(2+))为胁迫因子。系统研究了水生植物抗重金属胁迫机理以及外施多胺(PAs)对水生植物重金属胁迫的缓解效应和机理。研究结果表明： (1)不同浓度Cd~(2+)(0、30、50、70、90μM)胁迫下,菹草叶片叶绿素、叶绿素Chi (a+b)/Car比值逐渐下降；O2·-产生速率、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、多胺氧化酶(PAO)、二胺氧化酶(DAO)活性、抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)和游离脯氨酸(Pro)含量先升后降；抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性、H_20_2和丙二醛(MDA)含量呈上升趋势。随着Cd~(2+)处理浓度增加,Cd~(2+)在菹草叶细胞中大量积累,促进对Ca~(2+)、Na+、Mn~(2+)、Fe3+、Cu~(2+)的吸收,降低对大量元素P、K+的吸收。此外,菹草叶片内游离态腐胺(free Put)含量上升,游离态亚精胺(free Spd)和精胺(free Spm)含量以及游离态(Spd+Spm)/Put比值下降。总多胺(Total-PAs)和结合态多胺(PS-PAs)的变化趋势和游离态PAs的变化趋势相同。束缚态腐胺(PIS-Put)含量先升后降,束缚态精胺(PIS-Spm)和亚精胺(PIS-Spd)变化趋势不大。电镜观察发现,Cd~(2+)对菹草叶片细胞的叶绿体和线粒体造成严重损伤。Cd~(2+)破坏了菹草正常代谢所需的生理和结构基础,打乱了代谢平衡,最终导致植物的衰亡。 (2)不同浓度Cd~(2+)(0、18、36、54、72μM)胁迫下,竹叶眼子菜叶片的叶绿素含量和SOD活性下降,而MDA和可溶性糖含量上升；过氧化氢酶(CAT)、POD活性和ASA、GSH含量分别在18μM和36μM时达到峰值；可溶性蛋白含量下降,从SDS-PAGE电泳图可以看出,Cd~(2+)使相对分子质量为52.1kDa,42.9kDa,27.4kDa和14.1kDa的多肽表达量逐渐减少,但同时诱导18.1kDa多肽的表达增加；电镜观察发现：叶绿体膨大、解体；线粒体嵴突肿胀、空泡化；核仁分散、核膜断裂、核质散出。表明：Cd~(2+)对竹叶眼子菜的光合系统、保护系统以及细胞结构的完整性等都产生明显破坏作用,最终将导致植物死亡。 (3)研究了外源0.1 mmol L~(-1) Spd和0.1 mmol L~(-1) Spm对30μM Cd~(2+)胁迫下竹叶眼子菜叶片生理生化水平的影响。单一Cd~(2+)处理下,叶绿素和可溶性蛋白含量显著下降,而MDA和Pro含量迅速上升；外施Spd和Spm缓解了叶绿素和可溶性蛋白含量的显著下降,抑制了MDA含量的上升,并进一步促进Pro的积累。与对照相比,单一Cd~(2+)处理下,O2·-产生速率、H_20_2和MDA含量显著增加；外施Spd和Spm均显著缓解了02·-产生速率、H_20_2和MDA含量的增加。此外,外施Spd和Spm显著提高了SOD、POD和APX的活性,降低了ROS的产生速率。但外施Spd和Spm对GR活性的影响不显著。结果表明：外施Spd和Spm有利于竹叶眼子菜对Cd~(2+)胁迫耐性的提高。 (4)不同浓度Cd~(2+)(0、20、40、60、80μM)胁迫下,水鳖叶片叶绿素含量和SOD活性逐渐下降：POD和CAT活性先升后降,分别在40μM和20μM时达到峰值；AsA、GSH、H2O2和MDA含量呈上升趋势。随着Cd~(2+)处理浓度增加,Cd~(2+)在水鳖叶细胞中大量积累,促进对K+、Fe3+和Mg~(2+)的吸收,降低对P、Ca~(2+)和Cu~(2+)的吸收。此外,电镜观察发现：叶绿体膨大、解体；线粒体嵴突肿胀、空泡化。Cd~(2+)对水鳖叶片细胞的叶绿体和线粒体造成严重损伤。Cd~(2+)破坏了水鳖正常代谢所需的生理和结构基础,打乱了代谢平衡,加速了植物的衰老。 (5)研究外施0.1 mmol L~(-1) Spd对40μM Cd~(2+)胁迫下水鳖叶片三种形态的PAs含量、Pro含量、精氨酸脱羧酶(ADC)、鸟氨酸脱羧酶(ODC)、PAO和DAO活性的影响。结果表明：Cd~(2+)胁迫使水鳖叶片free Put急剧积累,free Spd和Spm显著下降。PS-PAs和PIS-PAs的变化趋势和free PAs的变化趋势相同。外施Spd均可部分逆转Cd~(2+)诱导的三种形态PAs的变化,抑制Put的积累,缓解Spd和Spm的下降。外源Spd有效的缓解了Cd~(2+)胁迫诱导的ADC、PAO、DAO的升高,但ODC活性并没有显著变化。与单一Cd~(2+)胁迫相比,Spd显著提高了游离态Pro的含量,在一定程度上缓解了Cd~(2+)诱导的氧化胁迫,增强了水鳖对Cd~(2+)胁迫的抗性。 (6)不同浓度Cd~(2+)(0、5、25、50、100μM)胁迫下,慈姑根可溶性蛋白含量和SOD、POD、CAT活性逐渐下降,但SOD活性下降并不明显；O2·-产生速率呈单峰曲线,在25μM Cd~(2+)浓度时达到峰值,之后开始缓慢下降；MDA含量的变化呈先缓慢后迅速上升的趋势。随着Cd~(2+)处理浓度增加,Cd~(2+)在慈姑根细胞中大量积累,慈姑根对矿质元素K+、P、Na+、Mg~(2+)、Cu~(2+)和Zn~(2+)的吸收均起抑制作用。此外,慈姑内三种形态PAs变化呈现不同的趋势。free Put含量显著下降,free Spd和free Spm急剧积累；PS-Put含量无显著变化,PS-Spd含量呈单峰曲线,PS-Spm显著下降,但含量极少；PIS-Put和Spm含量总体呈上升趋势,PIS-Spd含量的变化并不显著,其中PIS-Put含量远高于PS-Put和PIS-Put。表明,PIS-Put在慈姑抵抗Cd~(2+)胁迫的过程中发挥重要作用。