水稻响应镉胁迫代谢组学研究

发布时间：2020-10-24 07:37

　　 随着工业化和城市化进程的加快,土壤重金属污染问题日益凸显,其对生态系统、植物生长和人体健康的影响也引起广泛关注。水稻(Oryza sativa L.)对镉有较强的吸收,使镉通过食物链进入人体从而危害人类健康。代谢组学(metabonomic)可以研究植物代谢物种类及其含量在不同环境条件下的变化,探索植物代谢物的时空积累模式,为进一步解析植物发育及应对外界环境条件的调控机制提供依据。为了解水稻响应镉胁迫代谢组变化及主要代谢途径,本研究以常规稻黄华占(O.sativa L.subsp.indica‘Huanghuazhan’)为实验材料,采用气相色谱-质谱(GC-MS)和超高效液相色谱-飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF-MS)两种质谱技术对镉胁迫下苗期水稻代谢物分别进行了靶向和非靶向代谢组学研究。此外,基于前期工作基础,利用高效液相色谱(HPLC)结合11种化合物标准品对水稻萌发过程中响应镉胁迫酚类物质的变化进行了靶向代谢组学研究。主要研究结果如下:1.镉胁迫会导致水稻苗期叶尖、叶鞘发黄,根变为褐色,苗高、根长、鲜重和干重均随着镉胁迫浓度的增加呈下降的趋势。随着镉胁迫浓度的增加,水稻苗期叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量呈先增加后降低的趋势,脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量呈上升趋势,可溶性蛋白的含量呈下降的趋势,三种抗氧化酶的活性表现为:随着镉胁迫浓度的增加,超氧化物歧化酶(SOD)活性表现出升高的趋势,过氧化物酶(POD)的活性呈显著升高的趋势(p0.05),而过氧化氢酶(CAT)的活性呈先升高后降低的趋势。2.GC-MS从苗期水稻中共鉴定出氨基酸、有机酸和糖类等31种初生代谢产物。方差分析表明L-丝氨酸随着镉胁迫浓度的增加而显著降低(p0.05),L-苏氨酸、4-氨基丁酸、莽草酸、柠檬酸、麦芽糖、葡萄糖和α-乳糖随着镉胁迫浓度的增加而显著增加(p0.05),其余23种物质均随着镉胁迫浓度的增加呈先增加后降低的趋势。热图分析表明水稻在低浓度镉(50?M)胁迫下,多数氨基酸、有机酸和糖类物质含量均表现出增加的趋势,但在高浓度镉(500?M)胁迫下多数氨基酸和有机酸物质含量呈降低的趋势,但多数糖类物质较对照仍呈上升的趋势。3.随着镉胁迫浓度的增加,苗期水稻总酚含量呈增加的趋势,且在500?M镉胁迫处理下总酚含量显著增加(p0.05),总黄酮含量呈先降低后升高的趋势。采用UPLC-Q-TOF-MS对镉胁迫下水稻代谢物进行了非靶向代谢分析,共鉴定出氨基酸类、有机酸类、酚类、糖类和苷类等物质34种。其中,镉胁迫下除L-苯丙氨酸外,其余3种氨基酸类物质含量均低于对照组,且亮氨酸和天冬氨酸相对含量在镉胁迫组中较对照组显著降低(p0.05);高镉胁迫下(500?M)7种有机酸含量达到最大值,其中甘油酸、苹果酸、L-奎宁酸和葡萄糖酸的含量在高镉处理下显著增加(p0.05);12种酚类物质中除咖啡酸、菜豆酸、山奈酚和二氢杨梅素外,其余8种酚类物质含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加,其中肉桂酸、原儿茶酸、阿魏酸、美迪紫檀素在高镉胁迫下显著增加(p0.05);多数糖类物质的含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加,而苷类物质则随着镉浓度的增加呈降低的趋势。结果表明,氨基酸、有机酸、酚类和糖类等物质在水稻响应镉胁迫过程中起着重要的作用,尤其是参与苯丙氨酸代谢途径的酚类物质在镉胁迫下变化较为剧烈。4.镉胁迫对水稻种子的胚根和胚芽具有抑制作用,且对胚根的抑制作用明显大于胚芽。利用建立的HPLC方法分析了水稻萌发过程中11种酚类化合物的变化,结果表明,水稻萌发过程中11种酚类物质总量极显著增加;其中,低浓度镉(10?M)促进原儿茶酸、绿原酸、咖啡酸和对香豆酸的合成,高浓度镉(500?M)显著抑制(p0.05)芦丁、白藜芦醇、肉桂酸、槲皮素和山奈酚的合成;萌发2 d(初期),在较高浓度镉(?200?M)处理下,除阿魏酸、山奈酚和肉桂酸外,其余6种物质含量均为最高;在萌发4 d(中期)和6 d(后期)多数酚类物质含量随着镉浓度的增加呈下降趋势。结果表明,镉胁迫对水稻种子萌发具有抑制作用,并显著影响其酚类物质合成。5.对镉胁迫下水稻检测到的化合物进行了代谢分析,将这些化合物富集到KEGG数据库相关的生物途径中,总共涉及到42条代谢途径。其中在镉胁迫下氨酰基-tRNA生物合成、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢、半乳糖代谢、氰氨基酸代谢、氮代谢和甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢6条途径包含代谢物较多(p0.05)。这些途径涉及到的主要是氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢过程,以及苯丙氨酸代谢途径的物质。本文通过GC-MS、UPLC-Q-TOF-MS和HPLC三种技术对镉胁迫下水稻进行了代谢组学研究,共67种代谢物进行了定性分析,并富集到相应的代谢通路中。研究结果表明,水稻在镉胁迫下可能是通提高氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢中相关物质含量,进而改变糖酵解途径、TCA和由莽草酸途径衍生的苯丙酸类代谢过程,以提高自身抗镉性,但随着镉胁迫浓度的增加,水稻可能主要是通过提高糖含量来提高耐镉性或是促进大量酚类物的合成以抵御镉毒害造成的氧化损伤。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X503.231;S511
【部分图文】：

技术路线图

水稻幼苗表现出叶尖、叶鞘发黄、根变褐色的现象（见图2.1），且随着镉胁迫浓度的增加该现象逐渐加剧。由表 2.1 可知，水稻的苗高、根长、鲜重和干重均随着镉胁迫浓度的增加呈下降的趋势，且各镉胁迫处理组较对照均显著降低（p<0.05），但在各镉胁迫处理之间差异未达显著水平。以上结果说明镉胁迫可导致水稻幼苗生长迟缓、幼苗矮化和干物质积累减少。虽然镉是植物生长非必需元素，但其容易被根吸收并通过木质部运输到营养和繁殖器官，加以积累后，进而影响植物的稳态或抑制根和苗的生长[2]。在镉胁迫下，植物的侧根的形成会受到抑制，而使主根变硬、扭曲和呈褐色，可能是因为在镉胁迫下植物根尖区域细胞无序分裂、表皮以及皮质细胞层的异常增大[94]。图 2.1 镉胁迫下水稻幼苗生长情况Fig. 2.1 Growth of rice seedlings under cadmium stress

图 2.2 镉胁迫下苗期水稻叶叶绿素(a)、脯氨酸(b)、可溶性糖(c)和可溶性蛋白(d)含量的变化不同的小写字母表示差异显著性（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)
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 韩承华;严吴炜;朱丽丽;张路;李换平;江解增;周增辉;张娜;田秋芳;石如琼;潘瑞瑞;刘野;;硒对镉胁迫下豆瓣菜生长、生理特性及镉积累的影响[J];扬州大学学报(农业与生命科学版);2017年01期

2 肖厚军;芶久兰;何佳芳;赵欢;;镉胁迫下芹菜产量和氮、磷、钾吸收及镉积累量的变化[J];环境科技;2014年04期

3 王晶晶;杨春文;蔡赫;李然红;张莹莹;马威;;镉胁迫对珍珠梅生理生态特征的影响[J];北方园艺;2010年13期

4 吴双桃;朱慧;;镉胁迫对水浮莲幼苗生理功能的影响[J];工业安全与环保;2010年08期

5 关昕昕;严重玲;刘景春;敖子强;;钙对镉胁迫下小白菜生理特性的影响[J];厦门大学学报(自然科学版);2011年01期

6 薛荦绮;温子若;陈希;;镉胁迫对玉米生理生化特性及品质的影响[J];安徽农业科学;2009年24期

7 张珂;厉萌萌;刘德权;陈飞虎;马闯;;镉胁迫对小麦、玉米种子萌发及幼苗生长的影响[J];种子;2019年05期

8 喻华;冯文强;秦鱼生;涂仕华;;镉胁迫对不同基因型水稻生长和镉吸收的影响[J];西南农业学报;2013年03期

9 吴坤;吴中红;邰付菊;韩莹;谢宝恩;袁祖丽;;镉胁迫对烟草叶激素水平、光合特性、荧光特性的影响[J];生态学报;2011年16期

10 吴福忠;杨万勤;张健;周利强;;镉胁迫对桂花生长和养分积累、分配与利用的影响[J];植物生态学报;2010年10期

相关博士学位论文 前10条

1 关美艳;一氧化氮清除系统在拟南芥应答镉胁迫过程中的作用及其机制[D];浙江大学;2018年

2 胡炎;东南景天对镉胁迫的响应和镉再转运的生理与分子机制[D];浙江大学;2019年

3 杨惠麟;镉胁迫对拟环纹豹蛛的影响研究[D];湖南农业大学;2017年

4 邓勇;硫化氢缓解红麻重金属镉胁迫功能分析[D];中国农业科学院;2019年

5 肖亚涛;冬小麦苗期对镉胁迫的响应及阻控机制研究[D];中国农业科学院;2019年

6 任雯;玉米干旱胁迫和镉毒害响应蛋白鉴定与分析[D];中国农业科学院;2018年

7 Basharat Ali;5-氨基乙酰丙酸缓解镉胁迫下油菜植株生长、生理、分子和超微结构变化的作用机理研究[D];浙江大学;2014年

8 张路;MIR156调控植物镉胁迫耐受机制研究及应用[D];安徽理工大学;2017年

9 Mohamed Alpha Jalloh（贾隆）;不同氮源下镉胁迫对水稻生长和品质形成的影响[D];浙江大学;2008年

10 宋阿琳;小白菜对镉胁迫的响应及硅缓解镉毒害的机制[D];南京农业大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 习夏平;硫酸盐对镉胁迫下谷子幼苗生理的影响[D];山西大学;2019年

2 韩洋洋;拟南芥mMDH2基因在调控镉胁迫响应中的功能研究[D];合肥工业大学;2019年

3 凌珑;外源施加甲基乙二醛和硫化氢对镉胁迫旱柳抗氧化系统活性及抗逆基因表达的影响[D];辽宁大学;2019年

4 张丽;外源施加钙、一氧化氮对镉胁迫下旱柳抗氧化系统活性及相关基因表达的影响[D];辽宁大学;2019年

5 张瑛;磁化水处理对镉胁迫下107杨生长、生理特性及土壤微生态环境的影响[D];山东农业大学;2019年

6 桂赛玉;镉胁迫下不同倍性鲫的抗逆性研究[D];湖南师范大学;2017年

7 闫金朋;施用不同形态硒对镉胁迫下水稻生长及吸收、转运镉的影响[D];广西大学;2019年

8 董姬妃;外源氮对白三叶草的镉毒害缓解效果的研究[D];四川农业大学;2018年

9 胡雪萍;水稻响应镉胁迫代谢组学研究[D];南昌大学;2019年

10 油勇强;丛枝菌根真菌-芦苇共生体系对锌镉胁迫的响应及转运机制研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

本文编号：2854194