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植物螯合肽及植物螯合肽合成酶在植物镉耐性和积累中的作用机制研究

韩凝  
【摘要】:当前,重金属污染作为一个严重的环境问题日益受到关注。植物修复技术即利用对重 金属具有超量积累能力的植物对污染土壤进行修复处理。该技术具有高效、经济及其生态协 调性等优势,显示出光明的发展前景,并已成为近年来学术界研究的热点之一。植物重金属 耐性和积累分子机制的研究将为植物修复技术的发展奠定理论基础。 植物对重金属的耐性及金属体内稳态的维持受到一个复杂网络机制的调控,其中植物 螯合肽(Phytochelatins,PC)在植物镉(cadmium,Cd)等重金属脱毒中发挥重要作用。本 研究以草坪草匍匐翦股颖[Agrostis stolonifera L_vat.palustris(Huds)Farw cv.Princeville]和高 羊茅(Festuca arundinacea schreb.cV.Vegas)及模式植物烟草作为材料,探讨(1)PC在不 同Cd耐性和积累水平草坪草品种中的作用;(2)植物螯合肽合成酶表达对PC生物合成、 Cd耐性及积累的影响;(3)能否通过转基因途径提高PC水平及重金属耐性和积累能力。 一、草坪草匍匐翦股颖和高羊茅镉耐性和积累机制研究 以幼苗和悬浮细胞为材料,对匍匐翦股颖和高羊茅两种草坪草在Cd处理条件下的耐性 和积累水平进行了比较,观察到两者在生理和生化上的不同反应。 1.匍匐翦股颖对Cd的耐性和积累能力显著高于高羊茅。对于高羊茅幼苗,根伸长半 抑制Cd浓度为50μM,翦股颖约为500μM。以悬浮细胞的相对存活率看,2mM Cd处理能 使翦股颖细胞褐化死亡;而高羊茅细胞致死浓度为500μm。翦股颖对Cd的积累能力优于高 羊茅,50μM CdCl_2处理1月后,翦股颖小苗中Cd积累量为高羊茅的1.68倍,1000μM CdCl_2 处理时则为2.67倍。悬浮细胞Cd含量测定结果与幼苗一致。50μM CdCl_2处理一周,翦股 颖细胞Cd含量为高羊茅的6.71倍;1000μM CdCl_2处理一周,翦股颖细胞Cd含量达2283.2 μgg~(-1)DW,而高羊茅细胞为797.5μgg~(-1)DW。 2.Cd处理能导致脂质过氧化产物在植物细胞内的积累。随着Cd浓度提高,两种细胞 MDA含量都表现为增长的趋势。200μM CdCl_2处理l周后,对Cd敏感性较强的高羊茅细 胞MDA浓度极显著增加(pO.01)。 3.Cd处理能诱导两种草坪草细胞PC的合成。随着Cd浓度的上升,两种细胞PC的生 成量都有显著增加,其中高羊茅细胞PC含量明显高于翦股颖细胞。50μM CdCl_2处理3天后, 高羊茅细胞PC的浓度为翦股颖细胞的11.22倍。 4.外源添加谷胱苷肽(Glutathione,GSH)使翦股颖细胞Cd耐性显著提高,lmMGSH 预培养一天后使2mM CdCl_2处理细胞的相对存活率提高1.89倍,2mM GSH使存活率提高 1.54倍。而对于高羊茅细胞来说,外源添加1mM或2mM GSH对150μM CdCl_2处理的细胞 相对存活率都无显著影响。用γ-ECS特异抑制剂buthionine sulphoximine(BSO)对细胞预处 理2h后,降低两种细胞的Cd耐性。 5.在Cd处理条件下,PC合成是两种草坪草细胞维持一定水平耐性的因素之一,但PC


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