鋅鎘脅迫下圓錐南芥的抗氧化防御和差異蛋白質組的響應.pdf

1、土壤重金屬污染問題是當前全球關注的環(huán)境問題之一，其修復近年來已受到國內外研究的廣泛關注。自從Chaney在1983年提出了“植物修復”的概念之后，這項新的土壤修復技術逐漸成為了研究熱點，而“超富集植物”由于其特殊的重金屬富集和耐性能力，以及在植物修復中的潛力而受到廣泛關注。近10年來，以鋅鎘超富集植物Thlaspi caerulescens和Arabidopsis halleri為模式植物，國內外研究者對超富集植物的金屬耐性和富集機理的

2、研究獲得了很大進展，但對多金屬富集和耐性機理的研究尚不多見。
　　 圓錐南芥(Arabis paniculata Franch.)是在國內最大的鉛鋅礦--云南省蘭坪縣鉛鋅礦發(fā)現(xiàn)的一種Zn/Cd/Pb多金屬耐性和超富集植物，它的發(fā)現(xiàn)豐富了我國超富集植物的種類，為研究金屬富集機理尤其是多金屬的富集和耐性機理提供了很好的研究材料。本論文以圓錐南芥為材料，通過營養(yǎng)液培養(yǎng)方式，研究內容涉及以下幾個方面：研究非蛋白巰基在圓錐南芥Zn、Cd吸

3、收絡合過程中的作用；研究Zn/Cd復合處理下圓錐南芥對Zn、Cd的吸收模式、以及抗氧化酶在減輕Zn、Cd氧化脅迫中的作用；利用蛋白質組學方法研究圓錐南芥在Zn、Cd處理下的差異表達蛋白，探討這些差異蛋白如何參與Zn、Cd脅迫的生理代謝途徑，從而進一步了解圓錐南芥體內Zn/Cd的耐性解毒機理。論文主要有以下幾點研究發(fā)現(xiàn)：
　　 (1)研究了圓錐南芥的植物絡合素(PCs)和谷胱甘肽(GSH)以及其他非蛋白巰基對Cd的響應。應用γ-谷

4、胱酰胺半胱氨酸合成酶抑制劑(BSO)評價PCs在圓錐南芥的Cd富集和耐性中的作用。實驗表明，除了最高濃度處理外，2周或3周的Cd處理對植物的生物量沒有影響。圓錐南芥能夠耐受≤100μM Cd的3周處理，且地上和根部的Cd含量分別達到1,127 mgkg-1 Cd和5，624 mg kg-1 Cd。所有處理地上部均未檢測到PCs，表明其沒有參與Cd從圓錐南芥根部向地上部的轉運過程。Cd處理增加了圓錐南芥根部GSH和PCs的含量，添加BSO

5、后減少了植物根部Cd的富集，同時植物根部PCs: Cd的摩爾比接近植物體內PC調節(jié)Cd絡合的比例，這表明GSH和PCs在圓錐南芥根部Cd富集和絡合機制中的潛在作用。同時，實驗觀察到Cd處理下圓錐南芥根部有很強的硫代謝過程，除了Cd誘導PCs的合成外，實驗還分離檢測到Cd誘導出的未知非蛋白巰基，質譜結構鑒定其可能的結構為(γ-EC)2,(γ-EC)2-Pro以及(γ-EC)3-Pro，其中(γ-EC)2-Pro與(γ-EC)3-Pro未見

6、文獻報導，有可能為新的異植物絡合素，這需要進一步的鑒定。
　　 (2)研究了不同Zn濃度處理下(control，100，250，500，1000和2000μM Zn)圓錐南芥的Zn耐性和富集，以及非蛋白巰基的響應。Zn處理3周的植物生物量沒有受到影響，而且與對照處理的相比鮮重，100-500μM Zn處理的植物鮮重分別比對照處理高18％和37.5％。除了在最高Zn處理的根部，植物膜穩(wěn)定和脂膜過氧化指標沒有受到圓錐南芥根部高濃度的

7、Zn含量(9，025-12,892 mg kg-1)和地上部的Zn含量(777-6030 mg kg-1)的影響。植物地上部GSH含量和脂膜過氧化的程度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，表明GSH在防止細胞氧化脅迫方面具有一定作用。高Zn處理(1000和2000μM Zn)可誘導根部的半胱氨酸含量顯著增大，但僅誘導出PC4和一個微量的未知非蛋白巰基。實驗表明PCs與圓錐南芥的Zn絡合和富集機理無關，但GSH與Cys可能分別參與了圓錐南芥地上部和根部對

8、Zn響應的生理代謝過程。同時，對圓錐南芥根部的金屬XRD分析表明，根部Zn的存在形式主要為ZnO和ZnS。
　　 (3)研究了高低濃度的Zn(2000和100μM)和Cd(250和10μM)交互處理下圓錐南芥的Zn、Cd吸收模式和抗氧化酶響應。數(shù)據顯示在低Zn、低Cd處理中，分別加入高Cd和高Zn減少了植物的Zn、Cd吸收，表明Zn、Cd吸收共用相同的轉運通道導致Zn、Cd吸收的競爭。然而，在高Zn或高Cd處理中，分別加入Cd或

9、Zn對植物的Zn、Cd吸收影響較小。實驗表明圓錐南芥地上部和根部的Zn/Cd相互反應是劑量依賴的，這個過程可能由不同金屬親和力的富集機制調控。在高濃度處理下植物可能存在獨立的高Cd吸收體系。Zn、Cd脅迫加劇了植物脂膜過氧化，但H2O2含量保持在一個相對穩(wěn)定的水平，這也許與抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性的增強有關。其他抗氧化酶，如超氧化物歧化酶(SOD)和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)在Zn、Cd脅迫下沒有顯著的響應，而過氧化氫酶(CA

10、T)活性下降。這表明在本實驗測定的抗氧化酶防御中，APX是圓錐南芥體內最有效的清除H2O2,防御植物受重金屬氧化脅迫的抗氧化酶。
　　 (4)為了更好的了解圓錐南芥的金屬耐性機理，本論文應用蛋白質組學方法結合生理指標來研究Zn、Cd脅迫下圓錐南芥地上部的差異蛋白響應。植物分別在Zn(100或2000μM)或Cd(10或250μM)處理10天。隨著營養(yǎng)液中Zn或Cd濃度的增加，植物地上部Zn或Cd含量以及TBARs含量升高，而H2

11、O2富集水平除了在250μM Cd處理之外均保持穩(wěn)定。通過雙向電泳分離了Zn、Cd脅迫下圓錐南芥地上部的蛋白響應，結果顯示Zn、Cd處理分別誘導了15和16個差異蛋白。選擇這些差異表達蛋白點用于MALDI-TOF/TOF MS分析，分析結果與現(xiàn)有數(shù)據庫搜索匹配。對蛋白進行功能分類后表明，以氨基酸和植物激素合成為主的能量新陳代謝過程以及涉及蛋白修復和信號傳遞的蛋白代謝過程是圓錐南芥Zn脅迫下主要的蛋白響應防御機制，而外源化合物/抗氧化防御