【摘要】：稀土元素被廣泛應(yīng)用增加了其在環(huán)境中積累。酸雨是全球重大環(huán)境問題之一,稀土元素積累與酸雨難免在農(nóng)業(yè)區(qū)同時出現(xiàn)。植物根系從土壤中吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì),直接接觸土壤中稀土元素。然而,關(guān)于酸雨脅迫下稀土元素對植物根系影響的研究很少,特別是關(guān)于酸雨脅迫下稀土對植物根系鉀離子通道(K~+通道)的影響。鑭(La)是環(huán)境中最豐富的稀土元素之一,辣根是一種重要的經(jīng)濟作物。因此,本文選擇辣根為研究對象,采用生理學(xué)、細胞生物學(xué)、生物物理化學(xué)、分子生物學(xué)方法和計算機模擬的優(yōu)化組合,研究了酸雨脅迫下鑭[La(Ⅲ)]在辣根根細胞中積累及其對K~+通道的影響。主要研究結(jié)果歸納如下:⑴酸雨促進La(Ⅲ)在辣根根細胞積累。通過電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)檢測辣根根細胞La的含量。實驗結(jié)果表明,單一La(Ⅲ)處理時,辣根根系及胞內(nèi)La含量隨La(Ⅲ)的濃度增大而增加。根系La的含量取決于外界環(huán)境中La(Ⅲ)的水平,而胞內(nèi)La的含量取決于質(zhì)膜外La(Ⅲ)的水平。酸雨促進La(Ⅲ)在辣根根系及胞內(nèi)積累(除pH 4.5酸雨脅迫下20 mg×L-1 La(Ⅲ)處理時胞質(zhì)內(nèi)La含量無明顯變化外),增幅隨La(Ⅲ)濃度和酸雨強度增加而增大。利用激光共聚焦顯微鏡和透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn),La(Ⅲ)主要分布在細胞壁及質(zhì)膜上,部分La(Ⅲ)通過胞吞作用進入辣根根細胞內(nèi),酸雨促進La(Ⅲ)通過胞吞作用進入細胞內(nèi)積累;⑵酸雨脅迫下La(Ⅲ)影響了辣根根細胞K~+通道的功能。采用膜片鉗檢測辣根根細胞K~+通道電流,結(jié)合ICP-MS和SEM-EDS檢測辣根根系中K及胞內(nèi)K的含量。實驗結(jié)果表明,酸雨加劇不同濃度(20 mg×L-1,100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制K~+通道內(nèi)流,抑制作用隨La(Ⅲ)的濃度及酸雨強度增加而增大。相關(guān)分析顯示,酸雨脅迫下La(Ⅲ)在辣根根細胞積累對胞內(nèi)K、Zn和Fe的含量影響最明顯。其中,La(Ⅲ)在辣根根細胞積累與Fe和Zn的含量為正相關(guān),而與胞內(nèi)K含量為顯著負(fù)相關(guān)。單一La(Ⅲ)處理時,低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)促進辣根根系吸收K;高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)則抑制辣根根系吸收K。pH 4.5酸雨脅迫下,20 mgL-1和100 mg×L-1 La(Ⅲ)促進辣根根系吸收K;pH 4.5酸雨脅迫下300 mg×L-1 La(Ⅲ)處理則無明顯改變;pH 3.0酸雨脅迫下不同濃度(20 mg×L-1,100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制辣根根系吸收K;⑶酸雨脅迫下La(Ⅲ)改變辣根根細胞K~+通道功能的原因之一:直接作用。分子動力學(xué)模擬和量化計算結(jié)果顯示,酸性條件下La(Ⅲ)可改變K~+通道蛋白結(jié)構(gòu),較弱酸性條件下La(Ⅲ)可與K~+通道蛋白結(jié)合,影響K~+通道功能。實時熒光-聚合酶鏈鎖反應(yīng)和蛋白免疫印跡的實驗結(jié)果顯示,酸雨脅迫下La(Ⅲ)影響辣根細胞K~+通道蛋白合成。pH 4.5酸雨增大低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)對辣根根細胞AKT1基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的促進作用,削弱高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)對AKT1的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的抑制作用;pH 3.0酸雨使低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制AKT1基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯,增大高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)對AKT1基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的抑制作用。相關(guān)分析表明,AKT1基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯與根系K含量存在明顯的正相關(guān),而酸雨脅迫下La(Ⅲ)在辣根根細胞積累與AKT1基因的轉(zhuǎn)錄及翻譯存在明顯負(fù)相關(guān)性;⑷酸雨脅迫下La(Ⅲ)改變辣根根細胞K~+通道功能的原因之二:改變細胞內(nèi)環(huán)境。流式細胞術(shù)結(jié)果顯示,酸雨脅迫下La(Ⅲ)處理時,酸雨促進辣根根細胞胞質(zhì)pH降低,抑制K~+通道內(nèi)流,激活K~+通道外流;pH 4.5酸雨促進低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)增加辣根根細胞胞質(zhì)Ca~(2+)水平,抑制K~+通道內(nèi)流,促進K~+通道蛋白合成;pH 3.0酸雨脅迫下,20 mg×L-1 La(Ⅲ)使辣根根細胞胞質(zhì)Ca~(2+)水平下降,抑制K~+通道蛋白合成;酸雨脅迫下高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)胞質(zhì)Ca~(2+)水平下降幅度增大,加劇抑制K~+通道蛋白合成;酸雨脅迫下La(Ⅲ)處理時,酸雨促進辣根根系活性氧積累,抑制K~+通道內(nèi)流,激活K~+通道外流。通過掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察辣根根原生質(zhì)體形態(tài)及其表面發(fā)現(xiàn),酸雨脅迫下La(Ⅲ)處理時加劇細胞質(zhì)膜過氧化,改變或破壞細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu),影響K~+通道功能。⑸酸雨脅迫下La(Ⅲ)改變K~+通道功能影響了辣根生理功能。采用ICP-MS、2,3,5-氯化三苯基四氮唑法以及其他常規(guī)檢測技術(shù),檢測了辣根根系的礦質(zhì)元素含量、根系活力,光合作用及生物量積累。實驗結(jié)果顯示,低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)促進辣根根系活力和礦質(zhì)元素吸收,增強光合作用和生物量積累,高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)則抑制上述生理活動。pH 4.5酸雨抑制低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)對辣根根系上述生理活動的促進作用;pH 3.0酸雨使低濃度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)對辣根根系上述生理活動的作用轉(zhuǎn)為抑制效應(yīng);酸雨(pH 4.5和pH 3.0)加劇高濃度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)對辣根根系生理活動的抑制作用,且隨酸雨強度增加抑制作用增強。相關(guān)分析表明,根系活力、光合作用及生物量等相關(guān)指標(biāo)與辣根根細胞La(Ⅲ)的積累呈顯著負(fù)相關(guān),而與K~+通道功能呈顯著正相關(guān)。⑹恢復(fù)實驗顯示:由于酸雨脅迫下La(Ⅲ)處理組的辣根根細胞La(Ⅲ)的積累比較高,對辣根根系細胞結(jié)構(gòu)及功能的影響也較強,導(dǎo)致恢復(fù)效果比較差。尤其是酸雨(pH 4.5和pH 3.0)脅迫下高濃度(100 mg×L-1,300 mg×L-1)La(Ⅲ)處理時,其作用效果多具有破壞性,恢復(fù)更困難。因此,酸雨脅迫對稀土生物學(xué)效應(yīng)的影響值得關(guān)注。
【圖文】：

KT2/3AT4G22200葉、根韌皮部，AT3G02850 主要在根部，少AT5G37500主要在葉片，根量表達具有相似的結(jié)構(gòu)[194]，一端為 N 端結(jié)構(gòu)基包括 6 個跨膜片段(S1～S6)及其內(nèi)質(zhì)膜內(nèi)的高度保守區(qū)域，被稱為 P 域，記。Shaker K+通道 C 端位于胞質(zhì)內(nèi)，，ing site, CYCL)。此外，部分 Shaker K+區(qū)(ankyrin-related domain，ANKY)，如個水分子包圍，以水合分子形式存在。氧原子所形成的孔道內(nèi)襯又朝向中心移動，待 K+移出通道后會再次被水分子

圖 1-2 Shaker K+通道單位亞基拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[194](稍有調(diào)整)Fig. 1-2 The topological structure of Shaker K+channel subunit
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X517

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 ;Effect of Simulated Acid Rain on Potential Carbon and Nitrogen Mineralization in Forest Soils[J];Pedosphere;2008年04期

本文編號：2600469