發(fā)布時間：2020-10-24 07:37

　　 隨著工業(yè)化和城市化進程的加快,土壤重金屬污染問題日益凸顯,其對生態(tài)系統(tǒng)、植物生長和人體健康的影響也引起廣泛關注。水稻(Oryza sativa L.)對鎘有較強的吸收,使鎘通過食物鏈進入人體從而危害人類健康。代謝組學(metabonomic)可以研究植物代謝物種類及其含量在不同環(huán)境條件下的變化,探索植物代謝物的時空積累模式,為進一步解析植物發(fā)育及應對外界環(huán)境條件的調控機制提供依據。為了解水稻響應鎘脅迫代謝組變化及主要代謝途徑,本研究以常規(guī)稻黃華占(O.sativa L.subsp.indica‘Huanghuazhan’)為實驗材料,采用氣相色譜-質譜(GC-MS)和超高效液相色譜-飛行時間質譜(UPLC-Q-TOF-MS)兩種質譜技術對鎘脅迫下苗期水稻代謝物分別進行了靶向和非靶向代謝組學研究。此外,基于前期工作基礎,利用高效液相色譜(HPLC)結合11種化合物標準品對水稻萌發(fā)過程中響應鎘脅迫酚類物質的變化進行了靶向代謝組學研究。主要研究結果如下:1.鎘脅迫會導致水稻苗期葉尖、葉鞘發(fā)黃,根變?yōu)楹稚?苗高、根長、鮮重和干重均隨著鎘脅迫濃度的增加呈下降的趨勢。隨著鎘脅迫濃度的增加,水稻苗期葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量呈先增加后降低的趨勢,脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量呈上升趨勢,可溶性蛋白的含量呈下降的趨勢,三種抗氧化酶的活性表現(xiàn)為:隨著鎘脅迫濃度的增加,超氧化物歧化酶(SOD)活性表現(xiàn)出升高的趨勢,過氧化物酶(POD)的活性呈顯著升高的趨勢(p0.05),而過氧化氫酶(CAT)的活性呈先升高后降低的趨勢。2.GC-MS從苗期水稻中共鑒定出氨基酸、有機酸和糖類等31種初生代謝產物。方差分析表明L-絲氨酸隨著鎘脅迫濃度的增加而顯著降低(p0.05),L-蘇氨酸、4-氨基丁酸、莽草酸、檸檬酸、麥芽糖、葡萄糖和α-乳糖隨著鎘脅迫濃度的增加而顯著增加(p0.05),其余23種物質均隨著鎘脅迫濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。熱圖分析表明水稻在低濃度鎘(50?M)脅迫下,多數(shù)氨基酸、有機酸和糖類物質含量均表現(xiàn)出增加的趨勢,但在高濃度鎘(500?M)脅迫下多數(shù)氨基酸和有機酸物質含量呈降低的趨勢,但多數(shù)糖類物質較對照仍呈上升的趨勢。3.隨著鎘脅迫濃度的增加,苗期水稻總酚含量呈增加的趨勢,且在500?M鎘脅迫處理下總酚含量顯著增加(p0.05),總黃酮含量呈先降低后升高的趨勢。采用UPLC-Q-TOF-MS對鎘脅迫下水稻代謝物進行了非靶向代謝分析,共鑒定出氨基酸類、有機酸類、酚類、糖類和苷類等物質34種。其中,鎘脅迫下除L-苯丙氨酸外,其余3種氨基酸類物質含量均低于對照組,且亮氨酸和天冬氨酸相對含量在鎘脅迫組中較對照組顯著降低(p0.05);高鎘脅迫下(500?M)7種有機酸含量達到最大值,其中甘油酸、蘋果酸、L-奎寧酸和葡萄糖酸的含量在高鎘處理下顯著增加(p0.05);12種酚類物質中除咖啡酸、菜豆酸、山奈酚和二氫楊梅素外,其余8種酚類物質含量均隨著鎘脅迫濃度的增加而增加,其中肉桂酸、原兒茶酸、阿魏酸、美迪紫檀素在高鎘脅迫下顯著增加(p0.05);多數(shù)糖類物質的含量均隨著鎘脅迫濃度的增加而增加,而苷類物質則隨著鎘濃度的增加呈降低的趨勢。結果表明,氨基酸、有機酸、酚類和糖類等物質在水稻響應鎘脅迫過程中起著重要的作用,尤其是參與苯丙氨酸代謝途徑的酚類物質在鎘脅迫下變化較為劇烈。4.鎘脅迫對水稻種子的胚根和胚芽具有抑制作用,且對胚根的抑制作用明顯大于胚芽。利用建立的HPLC方法分析了水稻萌發(fā)過程中11種酚類化合物的變化,結果表明,水稻萌發(fā)過程中11種酚類物質總量極顯著增加;其中,低濃度鎘(10?M)促進原兒茶酸、綠原酸、咖啡酸和對香豆酸的合成,高濃度鎘(500?M)顯著抑制(p0.05)蘆丁、白藜蘆醇、肉桂酸、槲皮素和山奈酚的合成;萌發(fā)2 d(初期),在較高濃度鎘(?200?M)處理下,除阿魏酸、山奈酚和肉桂酸外,其余6種物質含量均為最高;在萌發(fā)4 d(中期)和6 d(后期)多數(shù)酚類物質含量隨著鎘濃度的增加呈下降趨勢。結果表明,鎘脅迫對水稻種子萌發(fā)具有抑制作用,并顯著影響其酚類物質合成。5.對鎘脅迫下水稻檢測到的化合物進行了代謝分析,將這些化合物富集到KEGG數(shù)據庫相關的生物途徑中,總共涉及到42條代謝途徑。其中在鎘脅迫下氨�；�-tRNA生物合成、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代謝、半乳糖代謝、氰氨基酸代謝、氮代謝和甘氨酸-絲氨酸-蘇氨酸代謝6條途徑包含代謝物較多(p0.05)。這些途徑涉及到的主要是氨基酸代謝、有機酸代謝和糖代謝過程,以及苯丙氨酸代謝途徑的物質。本文通過GC-MS、UPLC-Q-TOF-MS和HPLC三種技術對鎘脅迫下水稻進行了代謝組學研究,共67種代謝物進行了定性分析,并富集到相應的代謝通路中。研究結果表明,水稻在鎘脅迫下可能是通提高氨基酸代謝、有機酸代謝和糖代謝中相關物質含量,進而改變糖酵解途徑、TCA和由莽草酸途徑衍生的苯丙酸類代謝過程,以提高自身抗鎘性,但隨著鎘脅迫濃度的增加,水稻可能主要是通過提高糖含量來提高耐鎘性或是促進大量酚類物的合成以抵御鎘毒害造成的氧化損傷。
【學位單位】：南昌大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：X503.231;S511
【部分圖文】：

技術路線圖

水稻幼苗表現(xiàn)出葉尖、葉鞘發(fā)黃、根變褐色的現(xiàn)象（見圖2.1），且隨著鎘脅迫濃度的增加該現(xiàn)象逐漸加劇。由表 2.1 可知，水稻的苗高、根長、鮮重和干重均隨著鎘脅迫濃度的增加呈下降的趨勢，且各鎘脅迫處理組較對照均顯著降低（p<0.05），但在各鎘脅迫處理之間差異未達顯著水平。以上結果說明鎘脅迫可導致水稻幼苗生長遲緩、幼苗矮化和干物質積累減少。雖然鎘是植物生長非必需元素，但其容易被根吸收并通過木質部運輸?shù)綘I養(yǎng)和繁殖器官，加以積累后，進而影響植物的穩(wěn)態(tài)或抑制根和苗的生長[2]。在鎘脅迫下，植物的側根的形成會受到抑制，而使主根變硬、扭曲和呈褐色，可能是因為在鎘脅迫下植物根尖區(qū)域細胞無序分裂、表皮以及皮質細胞層的異常增大[94]。圖 2.1 鎘脅迫下水稻幼苗生長情況Fig. 2.1 Growth of rice seedlings under cadmium stress

圖 2.2 鎘脅迫下苗期水稻葉葉綠素(a)、脯氨酸(b)、可溶性糖(c)和可溶性蛋白(d)含量的變化不同的小寫字母表示差異顯著性（p<0.05）Fig. 2.2 The changes of chlorophyll (a), proline (b), soluble sugar (c) and soluble protein (d)content in seedling rice leaves under cadmium stress. Different lowercase letters indicatesignificant difference (p<0.05)
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本文編號：2854194