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纳米碲化镉对水稻抗氧化系统和光合特性的影响

赵阳娟  
【摘要】:近年来,随着纳米技术的研究更新和迅猛发展,各种纳米材料被大量的用于工农业生产,但是随后所产生的环境毒害作用也引起人们的广泛关注。纳米碲化镉(nano-CdTe)是具有尺寸效应、量子效应等特异性的纳米材料之一,因此在许多方面被大量的研制和应用,从而导致含有nano-CdTe组分的材料大量排放到环境中,被动植物体吸收,打破生态系统的平衡。而且nano-CdTe粒子中同时含有镉和碲两种重金属元素,有可能产生毒性叠加效应。水稻是重要的粮食作物,也是生物学研究的的模式植物,所以探究nano-CdTe对水稻生长过程的影响机制是很重要的。本篇论文主要研究了5种不同浓度的nano-CdTe对水稻幼苗的毒害作用,分别对水稻的抗氧化系统和光合系统进行探究,以检验nano-CdTe对高等植物的损伤程度,为纳米材料对植物的毒性研究数据库提供一定的理论基础。本实验设置了五个不同的nano-CdTe浓度梯度(0μmol/L、33μmol/L、50μmol/L、100μmol/L、400μmol/L)单一处理水稻,观察水稻幼苗表现的毒性效应,从水稻种子萌发开始连续处理15 d后,分别对水稻的生长状况、细胞的损伤程度以及抗氧化系统等进行检测。结果发现,不同浓度nano-CdTe处理后对水稻萌发率没有明显影响外,随着nano-CdTe浓度的增加,水稻根长、株长、叶绿素含量、总蛋白含量基本呈现减少的趋势。通过检测水稻根系和叶片细胞发现,与对照相比,nano-CdTe粒子被根系吸收并且转移到叶片中,nano-CdTe粒子集聚在根和叶细胞内致使水稻细胞受损,基于这一原因,实验检测了细胞损伤程度相关参数,电导率、丙二醛(MDA)含量随着nano-CdTe浓度的增加而显著升高;活性氧(ROS)包括超氧阴离子(O_2˙ˉ)和过氧化氢(H_2O_2)等胁迫氧化信号的积累量也随着nano-CdTe浓度的增加逐渐增多。植物细胞受损激发抗氧化系统调节,抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等酶活性在水稻根和叶中的含量均有所上升;非酶氧化物的含量也呈同样趋势。实验检测细胞的死亡程度发现较高nano-CdTe浓度处理时细胞死亡严重。并且实验分析发现,水稻根系受到毒害作用更大。实验还进行了nano-CdTe对光合系统影响的相关检测。结果显示,nano-CdTe会抑制水稻光合能力,这种抑制作用依赖于nano-CdTe的不同浓度,随着nano-CdTe浓度的增加,水稻叶片的气体交换参数如气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)等逐渐下降,胞间CO_2浓度(Ci)也逐渐增加。在光系统II(PSII)中,PSII的最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光量子产量(ΦPSII),光化学淬灭系数(q P)等的荧光值随着nano-CdTe浓度的增加显著降低,非光化学淬灭(NPQ)随着nano-CdTe浓度的增加而增加;检测发现NPQ动力学和光系统I的电子传递速率也受到nano-CdTe的毒害影响。通过免疫印迹检测类囊体膜蛋白,结果显示,与对照相比,PSI捕光色素蛋白Lhca4和外周蛋白Psa D含量在高浓度nano-CdTe处理时显著下降;随着nano-CdTe浓度的增加,PSII反应中心蛋白D1、D2和CP43以及捕光色素蛋白Lhcb4的含量呈现明显下降趋势,尤其是在高浓度nano-CdTe的毒害作用下各蛋白出现显著的减少。同时通过类囊体膜蛋白磷酸化分析发现,PSII反应中心蛋白D1、D2和CP43以及LHCII复合物在nano-CdTe处理时发生了明显的磷酸化现象,尤其在高浓度的nano-CdTe毒害下出现极显著的蛋白磷酸化。综上所述,nano-CdTe粒子的尺寸极小容易被植物根系吸收并转移至叶片中伤害植物细胞,激发植株体内的抗氧化系统的调节作用,但是高浓度nano-CdTe会损伤植物抗氧化酶体,增加细胞致死数量等。nano-CdTe对植物的光合作用毒害也较明显,会抑制光系统的正常功能如气体交换和光化学效率、降低光合系统相关蛋白的含量,引起PSII反应中心蛋白和LHCII的蛋白磷酸化等。


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