三种手性除草剂对拟南芥体内微量元素行为和光合作用的对映体选择性效应研究

发布时间：2018-03-28 17:49

本文选题：咪唑乙烟酸　切入点：2　出处：《浙江大学》2015年硕士论文

【摘要】：中国作为农业大国,每年都有大量的农药被用于农业生产。农药的大量使用必然导致一定的生态环境污染,甚至会进入食物链,构成对人类健康的严重威胁。在当前被广泛利用的农药当中,25%以上是具有手性的,而且随着农药结构的日趋复杂,这个比值还在不断升高。由于生物体的很多基本物质组成如DNA、酶等都是手性分子,当某一农药的对映异构体进入到生物活体内时,由于结构的差异,会与生物大分子之间发生不同的作用,对生物体的生命代谢活动表现出不同的效应,尽管它们有着相同的物理化学性质。当前已有很多研究结果显示,很多农药在靶标和非靶标生物体内都表现出了显著的对映体差异,而不具有除草活性和杀虫活性的异构体的广泛生产和使用,不仅增大了环境污染,也对整个生态和人类的健康存在威胁。所以,对手性农药对映体进行分离纯化,研究其对映体选择性效应,从而筛选出更有效的单一异构体用于农业的生产是十分有意义的。这可以有效的减少环境的化学污染,避免这些不具有除草杀虫活性的异构体给生态环境或是人类带来负面的影响。我们的主要工作内容如下：(1)咪唑乙烟酸(IM)对拟南芥体内微量元素行为扰动的对映体选择性效应。大量的研究表明,微量元素的失衡会影响植物的生长,引起植物毒性。我们以咪唑乙烟酸作为研究对象,以拟南芥作为模式生物,研究了咪唑乙烟酸的对映体R型和S型异构体对拟南芥体内微量元素行为的干扰作用,主要包括地上部分微量元素含量的分析及拟南芥叶片和根部15种金属(Mn、Cu、Fe、Zn)转运蛋白的基因表达情况。实验结果表明,R型咪唑乙烟酸对拟南芥的毒性大于S型,S型基本无毒且未对微量元素的行为产生显著性的影响。相对于对照组和S型处理组而言,R型咪唑乙烟酸处理后,拟南芥叶片和根部的ROS含量明显上升,叶绿素a、b的含量以及chl a/chl b的比值显著性下降。R型咪唑乙烟酸处理后,拟南芥地上部分的大量、中量元素Na、P、K、Ca、Mg的含量显著性降低,微量元素Mn、Cu的含量显著性降低,Fe的含量显著上升,Zn的含量没有显著性的改变。R型咪唑乙烟酸扰乱了拟南芥体内转运蛋白对微量元素的转运过程,其中,叶片中的FRO3、ZIP2、ZIP4、NRAMP1、NRAMP3和NRAMP4这六种基因的表达显著性上调,FRO2、IRT2、ZIP9、COPT1、COPT2 和 MTP11这六种基因的表达显著性下调,而IRT1、ZIP5和ECA3这三种基因的表达不存在显著的对映体差异。根部中的FRO2、FRO3、IRT1、ZIP4、ZIP9、NRAMP1、NRAMP3、 NRAMP4和ECA3这九种基因的表达上调,ZIP2、ZIP5 和 COPT2这三种基因的表达下调,而IRT2、COPT1 和 MTP11这三种基因的表达不存在显著的对映体差异。这说明IM对拟南芥体内微量元素行为扰动存在显著的对映体选择性。(2)手性除草剂2,4-滴丙酸(DCPP)对拟南芥体内微量元素行为扰动的对映体差异。我们研究了类植物激素手性除草剂DCPP不同对映体对拟南芥地上部分微量元素含量的影响,并分析了拟南芥叶片和根部15种金属(Mn、Cu、Fe、Zn)转运蛋白的基因表达情况。实验结果表明,R型DCPP对拟南芥的毒性大于S型,S型基本无毒且未对微量元素的行为产生显著性的影响。R型DCPP处理后,拟南芥叶片和根部的ROS含量明显大于S处理组和对照组,叶绿素a、b含量,以及chl a/chl b的比值显著性下降。R型DCPP处理后,拟南芥地上部分的P、K、Mg、Mn、Zn、Fe的含量显著性降低,Na、Ca、Cu的含量没有显著性的改变。此外,R型DCPP扰乱了拟南芥体内转运蛋白对微量元素的转运过程。其中,叶片中的FR02、FRO3、ZIP2、ZIP4、NRAMP4和COPT2这六种基因的表达显著性上调,IRT1、IRT2、ZIP5、ZIP9、NRAMP1、NRAMP3和ECA3这七种基因的表达显著性下调,而COPT1和MTP11这两种基因的表达不存在显著的对映体差异。根部中的ZIP2、ZIP4、ZIP9、NRAMP1、NRAMP3和COPT2这六种基因的表达下调,FRO2、FRO3、IRT1、IRT2、ZIP5、NRAMP4、COPT1、ECA3和MTP11这9种基因的表达不存在显著的对映体差异。这说明DCPP对拟南芥体内微量元素行为扰动存在显著的对映体选择性。(3)本次研究首次揭示了光合作用抑制型手性除草剂—除草定除草活性的对映体选择性效应。综合叶绿素荧光和基因表达的数据表明,除草定对拟南芥的光合作用抑制表现出了明显的对映体差异,左旋除草定的毒性大于右旋除草定。叶绿素荧光数据表明除草定阻碍了拟南芥叶片中光合色素的合成,破坏了拟南芥PSⅡ对光合机构的保护能力,阻碍了光系统对光能的有效分配,从而对拟南芥的光系统Ⅱ产生了不可逆的损伤；基因表达的数据表明除草定抑制了光系统Ⅰ中重要的Fd电子传递途径,并对光系统Ⅱ正常的放氧功能进行了干扰,破坏了拟南芥叶片光系统Ⅱ中捕光色素蛋白的结构与功能,导致拟南芥的光合作用受到损伤。左旋除草定对拟南芥光合作用的抑制作用大于右旋除草定。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X592

【参考文献】