油菜素内酯缓解番茄多环芳烃毒害及其解毒机理的研究
多环芳烃(PAHs)是一种对环境中植物和动物持久危害的一类化合物。由于他们对人类的诱变致癌、致畸活性，多环芳烃已成为全球性关注的环境问题。由于它们广泛分布于土壤、空气和水中，从那里进入植物，从而对人类的健康构成威胁。这就是为什么研究对多环芳烃的解毒作用，从而确保食品安全的重要性。因此，研究植物对多环芳烃胁迫的抗性以及增强植物对其抗性及解毒机制对缓解植物多环芳烃毒害是非常重要的。油菜素内酯(BRs)是一种广谱性的植物特异性的内源甾体激素，可引起植物对各种非生物胁迫如高温、干旱、盐度、重金属的诱导抗性，并促进农药代谢。针对BRs的作用诱导抗性，本研究利用番茄对多环芳烃、镉(Cd)以及多氯联苯(PCBs)胁迫的反应，以及通过形态学、生理生化、分子和组织生物学的手段研究了24-表油菜素内酯(EBR)对不同生长期进和生育条件下的缓解效应。主要结果如下:
1.我们研究了不同浓度EBR(0.01、1、100nM)对不同浓度菲(PHE)(30、100、300μM)胁迫下番茄种子的发芽以及幼苗生长的影响。PHE胁迫延迟并降低了种子萌发率，处理10天后幼苗的高度和鲜重明显降低。EBR处理提高了种子萌发率以及幼苗鲜重，这种差异在PHE浓度为300μM表现最为显著。此外，与对照相比，EBR显著恢复了叶绿素荧光参数水平。在PHE胁迫下，各处理抗氧化酶表现不同，丙二醛(MDA)浓度明显增加。重要的是，EBR预处理增强了抗氧化酶活性并降低了MDA含量。综合考虑各研究参数，1nM EBR对缓解PHE胁迫的效果最好，其次为100 nM和0.01 nM。
2.研究表明，PHE和芘(PYR)处理的植株，随着PHE和PYR浓度的增加，处理植株的光合色素含量、光合速率、气孔导度、Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP呈剂量依赖的方式下降，而NPQ是上升的，PHE比PYR处理产生了更为严重的胁迫。但是采用50nM和5nM的EBR处理叶片和根系显著提高了光合水平，缓解了胁迫。伴随PHE或PYR浓度的增加，SOD酶活性呈下降趋势，但GPOD、CAT、APX、GR及MDA的含量呈上升趋势。此外PHE或PYR处理降低了GSH和GSSG的含量。有趣的是PHE或PYR处理后再处理EBR可以提高根系抗氧化酶和非酶物质的含量。研究结果表明，番茄幼苗遭遇PHE或PYR侵害，EBR可通过增强植物的解毒活性起到抗污染胁迫的作用。
3.研究表明，以300μM的PHE处理21天时，通过气孔和非气孔因素，显著降低番茄幼苗的光合速率。叶绿素荧光参数的改变表明PHE处理发生了光抑制，进一步破坏光合作用机制。H2O2含量的积累及其在叶片中的定位表明，PHE处理产生了氧化胁迫。PHE处理诱导了与抗氧化相关的大多数酶活性。重要的是EBR+PHE处理比PHE单独处理显著增加了植株的生物量和光合速率，并且EBR+PHE处理比PHE单独处理更能够降低H2O2含量、增加抗氧化酶活性、促进解毒相关基因CYP90b3,GSH1和GST1的表达。有趣的是，PHE和PYR处理后，GSH含量和GSSG含量均呈降低趋势。相应GST含量的上升或许增加GSH的结合能力从而促进PHE的代谢。同时，EBR+PHE处理后，根系中较低的PHE含量表明PHE可能在根系中降解。结果表明，EBR通过植物解毒机制增强植物对PHE的抗性。
4.研究了PHE和EBR对番茄根系次生代谢和超微结构的影响。PHE处理增加了植物次生代谢相关酶GST、G6PDH、SKDH、PAL、CAD的活性，诱导相关基因的表达。EBR单独处理或者EBR和PHE共同处理诱导的次生代谢相关酶活性和基因表达均高于PHE单独处理。PHE处理诱导了酚类和类黄酮物质含量和相应酶含量的增加及DPPH的活性，而EBR处理则进一步增强了上述各项参数。PHE处理根尖细胞，细胞的超微结构发生改变，细胞核变形，线粒体数目减少，细胞壁变薄和较多的液泡，但是EBR处理后显著缓解了这些症状，细胞壁增厚，线粒体和内质网数目增加，液泡变小。结果表明EBR通过调节根尖次生代谢增强番茄根系耐受性。
5.重金属污染常伴随有机污染物，如PAHs，对这种协同污染的生理效应研究较少。但对混合污染的胁迫反应及抗性机理对植物的生长发育和抗性增强是非常重要的。因此，我们在温室内研究了100μM PHE和100μM Cd混合胁迫效应以及EBR的缓解效应。处理40d后，PHE处理、Cd处理以及协同污染显著降低了同化物合成、光合作用以及叶绿素含量。让人出乎意料的是，PHE、Cd协同污染并没有降低生长量，相反却稍微提高了干物质量，光合速率和叶绿素含量。单一或复合污染提高了H2O2和MDA的含量、抗氧化物活性及相关基因表达，表明以上污染导致了氧化胁迫。另外PHE处理和Cd处理诱导了番茄叶片中次生代谢产物，解毒相关酶的活性及谷胱甘肽含量的提高。有趣的是，对胁迫植株外源喷施EBR后，可有效提高其生物量、光合、叶绿素，但降低了H2O2和MDA含量，同时伴随有抗氧化酶活性的提高。另外EBR激活了与次生代谢和解毒相关酶的活性，从而提高了其抗污染的能力。我们的结果表明，外源喷施EBR通过有效提高抗氧化能力、解毒能力和次生代谢从而提高混合污染胁迫抗性。
6.PAHs能够影响多种种植的蔬菜植物，PAHs对蔬菜植物各种生理参数的影响及其植物对PAHs胁迫的响应是胁迫生物学重要的研究内容。PHE处理5种蔬菜植物14天叶龄的叶片，叶片的生长量、光合作用和叶绿素含量以剂量依赖的方式均呈现下降趋势，MDA和H2O2以剂量依赖的方式呈上升趋势，抗氧化酶活性上升，表明PHE产生了氧化胁迫。但是，在一定范围，不同蔬菜种类的生长量和抗氧化防御有所差异，从而导致植物产生不同的耐受性和植物毒性。总之，5种蔬菜植物遭遇PHE毒性顺序为小白菜、黄瓜、生菜、番茄和菜苔。
7.PCBs是空气中常见的永久性有机污染物。空气中的PCBs的植物修复从而减轻对人体的伤害是一个新概念。然而空气中的PCBs对植物生长、光合和抗氧化系统研究较少。同时BRs已被作为一种潜在的植物调控相关的生理激素。因此，我们研究了PCBs和EBR对同化产物积累、光合机理、抗氧化酶活性的影响。不同浓度(0.4，2.0，10μg/L)的喷施显著降低了植株干重、光合速率、叶绿素含量。PCBs诱导的光合抑制与气孔、非气孔因素均相关。同时，不同水平的PCBs处理Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP均明显降低，表明PCBs可诱导光抑制。H2O2和MDA的累计表明幼苗在PCBs的胁迫下遭受了氧化胁迫，进而产生了过量的ROS导致了抗氧化酶活性受抑制。相反，喷施100nmEBR提高了同化物质积累、光合速率、叶绿素含量、Fv/Fm、ΦPsⅡ、qP，进而降低了光抑制，EBR通过激活抗氧化活性减轻了ROS积累和MDA毒害。我们的结果表明，EBR具有对PCBs胁迫的保护作用，它通过提高植物抗性，进而加强了植物修复。
抗氧化酶;油菜素内酯;叶绿素荧光;谷胱甘肽;氧化胁迫
浙江大学
博士
蔬菜学
喻景权
2012
中文
S634.3
196
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）