發(fā)布時間：2020-06-24 16:32

【摘要】：土壤重金屬污染逐漸成為一個嚴峻的環(huán)境問題,特別是在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,會嚴重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。單一銅(Cu2+)和鉻(Cr6+)對甘藍型油菜生長的影響已在植物中有較多研究,但Cu和Cr的復(fù)合污染對油菜生長的脅迫作用尚不清楚。同時,油菜素內(nèi)酯(BR)是一種甾醇類激素,最早即發(fā)現(xiàn)于蕓薹屬植物中,其廣泛參與到植物生長發(fā)育和逆境響應(yīng)的各個過程。本論文主要探討Cu和Cr單一或復(fù)合脅迫下兩個甘藍型油菜品種('Zheda622'和'ZS 758')生理生態(tài)的變化以及BR處理對重金屬脅迫的緩解作用,并利用RNA-Seq技術(shù)在轉(zhuǎn)錄水平上探究BR誘導(dǎo)的重金屬逆境響應(yīng)機制。取得的主要研究結(jié)果如下:1.研究明確了 Cu和Cr對子葉期油菜生理生化、超微結(jié)構(gòu)和相關(guān)基因表達的影響。單一 Cr處理比單一 Cu處理對子葉期油菜毒害作用更大,二者的復(fù)合脅迫對植物生長的抑制作用更加明顯。重金屬處理均顯著降低了油菜子葉和根部的生物量和光合色素含量。單一 Cu、Cr及其復(fù)合處理導(dǎo)致子葉期油菜幼苗體內(nèi)活性氧(ROS)和脂質(zhì)過氧化丙二醛(MDA)的積累。與各自品種的對照組相比,除了品種'Zheda 622'子葉和根系中的過氧化氫酶(CAT)的活性有所下降以外,兩個品種其子葉和根系中的抗氧化酶活性以及與酶相關(guān)的基因mRNA轉(zhuǎn)錄水平均顯著提高,包括過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD),尤其是在單一 Cr和復(fù)合處理時表現(xiàn)更為顯著。此外,非酶抗氧化劑還原型谷胱甘肽(GSH)的含量在兩個品種的根和葉中表現(xiàn)出不同的變化趨勢。兩個品種子葉中葉綠體超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著的改變,尤其在Cu+Cr復(fù)合處理下更為明顯,其次是Cr和Cu單一處理。結(jié)果顯示,Cu和Cr處理表現(xiàn)出一種協(xié)同效應(yīng),復(fù)合處理提高了植株對重金屬的吸收,這表明Cu和Cr的相互作用不是競爭性的,而是具有協(xié)同作用且在品種之間存在差異。2.探明了 Cu和Cr對油菜幼苗的光合抑制、重金屬亞細胞分布及相關(guān)基因表達的協(xié)同作用。Cu和Cr處理顯著抑制了油菜植株的生長,包括生物量和株高的下降,葉片光合色素含量和光合作用參數(shù)[光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(E)、光系統(tǒng)Ⅱ的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)]在重金屬處理下也顯著降低。亞細胞分布結(jié)果表明,Cu和Cr主要分布在根和葉的細胞壁和可溶性組分中。同時,細胞組分中Cu和Cr在復(fù)合金屬脅迫下表現(xiàn)出協(xié)同積累的規(guī)律。單一 Cu、Cr或復(fù)合處理下,兩個品種植株中過氧化氫(H2O2)和超氧陰離子(O2·-)的水平顯著升高,抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX的活性也均有顯著變化。與對照組相比,編碼抗氧化酶相關(guān)的基因如BnCat、BnApx、BnPrx、BnSod的表達水平在重金屬處理下也普遍上調(diào)。葉肉細胞和根尖細胞的超微結(jié)構(gòu)觀察(TEM)顯示葉片和根尖細胞和細胞器的超微結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化。此外,結(jié)果還表明,品種'ZS758'對Cu或Cr的抗性比'Zheda622'更強,這是由于'ZS758'在重金屬脅迫下具有更強的適應(yīng)性,并且細胞結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相對完整。3.明確了 BR對Cu和Cr脅迫下油菜幼苗生長及生理生化的影響。通過不同濃度的BR處理,發(fā)現(xiàn)外源BR可促進油菜植株的生長,生物量和凈光合速率顯著增加,并且以0.05 μM BR處理的促進效果最為明顯。單一 Cu、Cr和Cu+Cr復(fù)合處理下,均顯著抑制油菜植株的生長,表現(xiàn)出生物量下降、ROS(H2O2和O2·-)和MDA積累增加。而重金屬脅迫下外源添加BR可有效緩解Cu和Cr對油菜植株造成的危害,與重金屬處理組相比,植株鮮重和干重顯著增加,ROS和MDA積累量明顯降低,抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性顯著增加。可見,外源添加BR可有效增強植株對重金屬的耐性,緩解重金屬脅迫對油菜幼苗造成的傷害。4.研究了重金屬單獨處理以及BR處理后兩個油菜品種幼苗葉片轉(zhuǎn)錄組分析。BR處理組與Cr、Cu、Cu+Cr處理組比較,'Zheda622'和'ZS758'葉片中分別有1175、799、2437和2481、1208、1793個基因表達上調(diào),1040、2479、1961 和3596、1437、1246個基因表達下調(diào),主要富集在植物MAPK信號通路、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、苯丙烷生物合成、植物-病原互作、谷胱甘肽代謝、類黃酮生物合成、色氨酸代謝等通路上。對這些基因進行分析,發(fā)現(xiàn)在品種'Zheda622'中,三個比較組同時篩選出274個DEGs,在品種'ZS 758'中,三個比較組中同時篩選出250個DEGs,表明在BR處理下,這些基因在所有比較組中均有差異表達。分析這些基因功能發(fā)現(xiàn),'Zheda622'和'ZS 758'分別有92和24個基因同時在三個比較組中表達上調(diào),主要涉及氨基酸和脂類代謝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和脅迫相關(guān)蛋白等基因。特別是一些編碼防御素蛋白、富含脯氨酸蛋白、谷氧還蛋白、脂氧合酶、滲調(diào)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子的基因表達顯著上調(diào)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S565.4
【圖文】：

圖１．３楦物體內(nèi)活性氧（ＲＯＩ）清除模式（Ｍｉｔｔｌｅｒ，２００２）．逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｐａｔｈｗａｙｓ邋ｆｏｒ邋ｒｅａｃｔｉｖｅ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋（ＲＯＩ）邋ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ邋ｉｎ邋ｐｌａｎｔｓ邋（Ｍｉｔｔｌｅｒ，邋２００２）．逡逑（Ｍｉｔｔｌｅｒ，邋２００２）。ＰＯＤ也是廣泛地分布在楦物組織中的一種抗氧化酶，能夠清逡逑除Ｈ２０２并因此限制Ｘ）Ｈ的形成。逡逑關(guān)于抗氧化酶系統(tǒng)對于植物提高對重金屬脅迫耐性的報道已有很多。例如逡逑Ｃｈｏ和Ｓｅｏ邋（２００５）研究擬南芥在Ｃｄ脅迫下發(fā)現(xiàn)，耐Ｃｄ突變體植株內(nèi)的ＳＯＤ、逡逑ＡＰＸ、ＧＰＸ、ＧＲ?guī)追N抗氧化酶的活性均顯著高于野生型植株（Ｃｄ敏感）。覃勇逡逑榮等（２０１７）發(fā)現(xiàn)，任丑幼苗（Ｚｅ？ｉａ邐在低濃度的Ｃｄ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｚｎ處逡逑理下，抗氧化酶ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ均不同程度地升高，而在高濃度處理下，抗逡逑氧化酶表現(xiàn)出下降的趨勢。說明在重金屬脅迫下，楦株抗氧化系統(tǒng)被激活，以此逡逑來減輕重金屬造成的氧化脅迫，而如果脅迫程度過高，超出植株對脅迫的耐受程逡逑度，抗氧化酶的活性則會受到抑制。Ｃｕ處理下，油菜植株的葉片和根系中的ＡＰＸ逡逑和ＰＯＤ的活性顯著增加（Ｚａｈｅｅｒ等，２０１５）邋；邋Ｐｂ、Ｃｄ復(fù)合脅迫下，濕地匍燈蘚逡逑

２銅和鉻對子葉期油菜生理生化與超撖結(jié)構(gòu)等的影響逡逑２．２．４邋Ｃｕ和Ｃｒ處理對谷胱甘肽代謝的影響逡逑Ｃｕ和Ｃｒ?qū)χ仓曜尤~和根中谷胱甘肽代謝的影響如圖２．２所示。一般情況下，逡逑ＺＳ邋７５８在根中保持較高的ＧＲ酶活性，而在子葉中，ＧＲ的活性與品種和處理有逡逑關(guān)。在這些處理中，品種ＺＳ邋７５８根系中ＧＲ活性的升高幅度最大。在單一邋Ｃｕ處逡逑Ｚｈｅｄａ邋６２２邐ＺＳ邋７５８逡逑翻＿逡逑灥逡逑圖２．１兩個甘藍型油菜品種（Ｚｈｅｄａ邋６２２和ＺＳ邋７５８）根尖組織化學(xué)染色．ａ和ｂ：邋ＤＡＢ染色，逡逑顯示的是Ｈ２０２的積累量；ｃ和ｄ：邋ＮＢＴ染色，顯示的是0ｒ的積累量．逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＯＳ邋（0２＊邋ａｎｄ邋Ｈ２０２）邋ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｒｏｏｔｓ邋ｏｆ邋Ｂｒａｓｓｉｃａ邋ｎａｐｕｓ邋ｃｕｌｔｉｖａｒｓ逡逑（Ｚｈｅｄａ邋６２２邋ａｎｄ邋ＺＳ邋７５８）邋ｕｎｄｅｒ邋ｃｏｐｐｅｒ邋（Ｃｕ）邋ａｎｄ邋ｃｈｒｏｍｉｕｍ邋（Ｃｒ）邋ａｌｏｎｅ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．逡逑Ｐｌａｎｔ邋ｒｏｏｔｓ邋ｗｅｒｅ邋ｓｔａｉｎｅｄ邋ｗｉｔｈ邋ＮＢＴ邋（１邋ｇ邋Ｌ＇１）邋ａｎｄ邋ＤＡＢ邋（１邋ｇ邋Ｌ＇１）邋ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ邋ａｆｔｅｒ邋ｂｅｉｎｇ邋ｒｅｍｏｖｅｄ逡逑ｆｒｏｍ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．邋Ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｗａｓ邋ｒｅｐｅａｔｅｄ邋ｆｏｕｒ邋ｔｉｍｅｓ．邋Ｆｉｇｕｒｅｓ邋（ａ）邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ邋Ｈ２０２逡逑ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｓｔａｉｎｅｄ邋ｗｉｔｈ邋ＤＡＢ

【參考文獻】

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本文編號：2728103