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锑矿区植物重金属积累特征及其耐锑机理研究

作　者: 薛亮
导　师: 江泽平
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 生态学
关键词: 锑积累生理生化响应蛋白质组学响应耐受性
分类号: X173
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，由于对锑矿开采缺乏有效的规划与管理，以及对锑的不合理使用，致使我国土壤、水体及空气中锑含量急剧上升，对人类及整个生态系统的健康构成严重威胁。植物修复作为一种经济、高效且相对安全的环境修复技术具有广阔的应用前景。然而，由于锑修复植物材料的缺乏，加之对锑的植物毒性效应以及植物的耐锑机制不明确，致使锑污染治理过程中植物修复技术的应用于受到极大限制。因此，本研究通过在锑矿矿区开展植物对重金属的积累特征分析，评价其用于植物修复的潜力。并以筛选获得的耐锑植物芒为研究材料，开展植物在锑胁迫下的生理生化及蛋白质组学响应研究，深入了解锑的植物毒性效应及植物的耐锑机理，为获取理想的锑修复植物材料提供有效方法。主要研究结果如下：（1）锑矿矿区植物重金属积累特征研究。本研究通过在湖南省锡矿山锑矿矿区开展植物和土壤的实地调查，分析锑矿区植物不同组织重金属的积累特征。在调查的10种草本植物中，芒（Miscanthus sinensis）和白茅（Imperata cylindrica）具有汞（Hg）和镉（Cd）的植物萃取潜力，美洲商陆（Phytolacca americana）具有Cd和铅（Pb）的植物稳定潜力，苎麻（Boehmeria longispica）对砷（As）和锑（Sb）表现出较强的转移能力，繁穗苋（Amaranthus paniculatus）和芒可应用于Sb的植物稳定，狗牙根（Cynodon dactylon）可分别应用于As和Sb的植物稳定。其中，芒作为一种潜在的能源植物在修复锑污染的同时带来巨大的经济价值，是一种较为理想的锑修复植物材料。此外，本研究中发现的这些锑富集植物可用于植物耐锑机理的研究。（2）两种生态型芒对锑的积累特征及生长响应比较。矿区和非矿区生态型芒根部和叶片中的锑含量均随锑处理浓度增加而极显著上升。两种生态型芒对锑的富集主要位于根部，锑的转移系数范围为0.13~0.18。两种生态型芒不同组织对锑的积累量差异不显著，表明其在对锑的富集能力方面并无较大差异。锑的加入对不同生态型芒的生长、生物量均造成显著抑制，其中矿区生态型芒的苗高和根长较对照的减少率低于非矿区生态型芒；矿区生态型芒地上部分干重和地下部分干重较对照的下降量低于非矿区生态型芒，表明矿区生态型芒对锑的耐受性高于非矿区生态型芒。（3）锑胁迫下两种生态型芒的活性氧及渗透调节机制研究。锑胁迫会使两种芒叶片MDA含量增高，表明脂质过氧化反应加剧。其中，非矿区生态型芒MDA积累的幅度大于矿区生态型芒。同时，在芒对体内活性氧的调节过程中，矿区生态型芒SOD、CAT和POD活性随胁迫浓度增大而显著升高，而非矿区生态型芒POD活性被抑制，且除CAT活性外，SOD活性均低于矿区生态型芒。此外，在芒的渗透调节过程中，可溶性糖、脯氨酸含量均随胁迫浓度增大而显著升高，其中非矿区可溶性糖和脯氨酸含量增值均低于矿区生态型芒。结果表明：矿区生态型芒在锑胁迫下通过较高的抗氧化酶活性和渗透调节物质来增强其对锑的耐受性。（4）锑胁迫下矿区生态型芒的差异蛋白质组学研究。本研究通过运用双向电泳结合质谱鉴定技术，开展矿区生态型芒在锑胁迫下的蛋白质组学响应研究。通过分别开展芒叶片及根部在锑胁迫后差异蛋白组学研究，共获得48个差异蛋白质点，共成功鉴定了其中的31个差异蛋白，主要涉及自由氧调节、能量代谢、信号转导、细胞分裂及细胞结构稳定、蛋白折叠及组装和转录。此外，在本研究中发现一些差异蛋白在锑处理后均上调或诱导表达。其中包括：活性氧调节相关蛋白、伽马响应蛋白、CBS结构域蛋白、锌指蛋白、蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶、热休克蛋白Hsp90、ACC氧化酶的同源蛋白、病程相关蛋白PR10等。这些蛋白可能在增强芒对锑的耐受性方面发挥重要作用，其中的一部分蛋白已被证实与植物环境胁迫的耐性相关。（5）锑对植物的毒性危害。通过开展芒在锑胁迫下的蛋白质组学响应研究发现，大量与活性氧调节相关的蛋白质被检测到。如：过氧化物酶Peroxidase73-like、过氧化物还原酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶、氧化还原酶活性蛋白C-signal等。本研究结果从分子水平阐明氧化胁迫在锑对植物的毒害过程中起到主要作用。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-36
  1.1 引言  15-16
    1.1.1 研究背景  15-16
    1.1.2 研究目的与意义  16
  1.2 国内外研究现状及评述  16-33
    1.2.1 锑的危害  16
    1.2.2 我国锑污染现状  16-19
    1.2.3 环境锑污染治理进展  19-20
    1.2.4 锑对植物的毒性效应  20-21
    1.2.5 植物对重金属胁迫蛋白质组学响应研究  21-33
  1.3 研究目标和主要研究内容  33-35
    1.3.1 关键的科学问题与研究目标  33-34
    1.3.2 主要研究内容  34-35
  1.4 研究技术路线  35-36
第二章锑矿区植物重金属积累特征研究  36-50
  2.1 材料与方法  37-39
    2.1.1 研究区概况及采样方法  37-38
    2.1.2 分析方法  38
    2.1.3 富集及转移系数计算  38-39
    2.1.4 数据分析  39
  2.2 结果与分析  39-49
    2.2.1 土壤条件  39-40
    2.2.2 土壤重金属浓度  40-41
    2.2.3 植物重金属积累量  41-45
    2.2.4 植物重金属修复潜力  45-49
  2.3 小结  49-50
第三章锑胁迫下不同生态型芒生长及生理生化响应  50-66
  3.1 试验材料  50
  3.2 试验方法  50-55
    3.2.1 芒幼苗不同组织锑含量测定  51
    3.2.2 芒生长性状测量  51
    3.2.3 丙二醛测定  51
    3.2.4 保护酶活性测定  51-53
    3.2.5 渗透调节物质含量测定  53-55
  3.3 结果与分析  55-62
    3.3.1 不同生态型芒锑积累特征比较  55-56
    3.3.2 锑胁迫对不同生态型芒幼苗生长影响  56-57
    3.3.3 锑胁迫对不同生态型芒膜脂过氧化的影响  57-58
    3.3.4 锑胁迫对不同生态型芒抗氧化酶活性的影响  58-60
    3.3.5 锑胁迫对不同生态型芒可溶性蛋白含量的影响  60-61
    3.3.6 锑胁迫对不同生态型芒可溶性糖含量的影响  61-62
    3.3.7 锑胁迫对不同生态型芒脯氨酸含量的影响  62
  3.4 小结  62-66
第四章矿区生态型芒对锑胁迫蛋白质组学响应  66-94
  4.1 试验材料  66-67
  4.2 试验方法  67-75
    4.2.1 测试仪器  67
    4.2.2 主要试剂配方  67-69
    4.2.3 组织蛋白质样品制备  69-70
    4.2.4 蛋白质定量上样  70-71
    4.2.5 蛋白质双向电泳  71-73
    4.2.6 凝胶染色和扫描  73-74
    4.2.7 电泳凝胶图像分析  74
    4.2.8 蛋白质谱鉴定  74-75
  4.3 结果与分析  75-92
    4.3.1 双向电泳分析  75-81
    4.3.2 差异表达蛋白点的质谱鉴定  81-86
    4.3.3 鉴定蛋白功能分类  86
    4.3.4 鉴定蛋白功能分析  86-92
  4.4 小结  92-94
第五章结论与讨论  94-99
  5.1 结论  94-96
  5.2 讨论  96-97
  5.3 展望  97-99
参考文献  99-114
在读期间的学术研究  114-115
致谢  115

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