咪唑氯盐离子液体胁迫下拟南芥的生态毒理及其分子应答机制

发布时间：2020-08-17 20:19

【摘要】：离子液体(Ionic Liquids,ILs)因具有良好的理化性质被认为是取代传统机溶剂、继水和超临界二氧化碳后的又一大类“绿色溶剂”。虽然ILs不易挥发可有效减少大气污染,但由于其较好的水溶性,在实际使用中大量ILs被释放入水环境中,对水环境和土壤环境造成潜在危害。本文通过研究三种不同碳链长度的ILs,分别为:1-辛基-3-甲基咪唑氯盐([C8mim]Cl)、1-癸基-3-甲基咪唑氯盐([C10mim]Cl)和1-十二烷基-3-甲基咪唑氯盐([C12mim]Cl)对拟南芥的毒性影响,从生长抑制和结构影响、光合作用、氧化胁迫和分子机制等方面综合评价ILs对拟南芥的毒性作用。研究了三种ILs对拟南芥的生长抑制、叶片细胞膜通透性以及细胞超微结构影响,结果表明:拟南芥幼苗的鲜重以及根长影响分别随ILs的浓度和碳链长度增加而降低或变短,具有显著的剂量-效应关系。随着ILs浓度增加,拟南芥叶片表面出现了叶脉白化、叶片褪绿黄化,甚至出现了褐色斑点,且ILs的碳链越长,叶片表面的变化越明显,说明拟南芥在ILs的处理下受到了严重胁迫。拟南芥叶片细胞膜通透性均随ILs浓度的增加而增大,表现为显著的剂量-效应关系。ILs对细胞超微结构产生影响,出现了质壁分离的现象,叶绿体发生变形,片层结构变得模糊,淀粉颗粒和嗜锇颗粒的数量和尺寸明显增加和增大,ILs的毒性随着碳链长度增加而增大;但[C12mim]Cl处理组中的新叶细胞未产生明显损伤,可能是胁迫条件下,植物对新生叶片特殊的保护机制。研究了三种ILs对拟南芥的光合作用影响,结果表明:拟南芥的叶绿素合成受到严重抑制,整株植物以及老叶的叶绿素含量随ILs浓度和烷基链长增加而降低,呈现为负相关性,[C12mim]Cl抑制作用最大,其次是[C10mim]Cl和[C8mim]Cl,然而[C12mim]Cl处理后的拟南芥新生叶的叶绿素含量却明显高于对照组中的叶片,这可能是由于植物的自我保护机制。拟南芥叶片的叶绿素荧光参数(固定荧光(F0)、最大荧光产量(Fm)、光系统Ⅱ最大有效量子产量(Fv/Fm)和光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/F0))以及快速光响应曲线(光系统Ⅱ有效量子产量(Y(Ⅱ))、非光化学猝灭量子产(NO)、非光化学淬灭系数(NPQ)和相对电子传递速率(ETR))受到抑制作用,发生显著变化,[C10mim]Cl影响大于[C8mim]Cl。对于[C12mim]Cl处理组来说,其老叶的叶绿素荧光参数受到了严重影响,而其新生叶的叶绿素荧光参数却没有显著变化,这可能是由于植物在逆境环境下,对新生叶产生的一种保护机制。ILs对拟南芥光合作用的影响随着碳链长度增加而增大。研究了三种ILs对拟南芥的氧化胁迫影响,结果表明:拟南芥叶片细胞的活性氧自由基(ROS)含量均随着ILs碳链长度以及浓度的升高而增加。丙二醛(MDA)含量也呈现相同的趋势,随着ILs浓度升高,MDA含量也随之升高,[C12mim]Cl的MDA和ROS含量最高,随之是[C10mim]Cl和[C8mim]Cl。在不同处理浓度下,低浓度ILs处理组会促进拟南芥叶片细胞可溶性蛋白的产生,可能是为了维持植物正常代谢,而在高浓度下可溶性蛋白被抑制,其含量呈下降趋势,说明外界胁迫超过植物耐受范围,已造成细胞损伤。随着ILs处理浓度的升高,拟南芥叶片细胞中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽酶(GSH)活性均先升高后降低,超过抗氧化酶自我调节能力时,其活性被抑制,而过氧化物酶(POD)活性随着ILs的碳链长度以及处理浓度增加而增强,呈现正相关关系,可能是由于其受植物体内自由基诱导后,主动并持续地消除过氧化氢(H202),维持其动态平衡。研究了三种ILs对拟南芥的分子应答机制,结果表明:ILs处理后,[C8mim]Cl处理组中的基因表达情况与对照最接近,其次是[C10mim]Cl 和[C12mim]Cl。在第一主成分分析上,[C8mim]Cl 和[C10mim]Cl处理组与对照无明显差异,而[C12mim]Cl与对照组有明显差异。通过目的通路中的上调基因富集分析,可以得到[C8mim]Cl处理组和[C10mim]Cl处理组在各个代谢通路中的富集水平较低。三种ILs胁迫下拟南芥光合作用均受到了抑制,[C12mim]Cl处理组的蛋白质合成受阻;[C8mim]Cl处理组中的蛋白质表达谱与对照组最接近,下调蛋白数量最少,[C10mim]Cl和[C12mim]Cl处理组表达谱相似度更高,部分蛋白下调明显。在第一、第二主成分分析上,三种ILs与对照组差异明显。上调蛋白的生物学富集分析中,[C8mim]Cl处理组的次生代谢产物合成作用上调明显,说明其受到了一定的逆境胁迫。下调蛋白的生物学富集分析中,[C10mim]Cl和[C12mim]Cl处理组的下调蛋白含量显著高于[C8mim]Cl处理组,其主要使拟南芥丧失正常生理功能,表现为代谢异常,且会引起植物的抗胁迫响应机制。
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X171.5
【图文】：

逑１．５．２实验技术路线图逡逑本论文的实验技术路线图见图１－３。逡逑离子液体＋拟南芥逡逑研究内容Ｉ逦＾｜逦研究内容ｎ逦研究内容ｍ逦研究内容ｉｖ逡逑［生长形态￣氧化胁迫￣逦￣光合作用逦）逦［分子机制逡逑ｒ＾ｉ逡逑长胞逦绿合逦答白逡逑２逦超逦Ｊ逦ｓ逦素作逦基组逡逑Ｓ逦微逦＾逦和逦含用逦因学逡逑２结逦，：逦量系逦差差逡逑Ｓ构逦r-、Ｄ逦统逦异异逡逑Ｉ逦Ａ逦１

幼苗的植株大小、根长随三种ＩＬｓ浓度的增加而减小、缩短，通过观察可得逡逑［Ｃ１０ｍｉｍ］Ｃｌ和［Ｃ１２ｍｉｍ］Ｃｌ处理组从０．３５邋ｍｇ／Ｌ开始，其根长就明显受到抑制，逡逑［Ｃ１２ｍｉｍ］Ｃｌ的高浓度组几乎没有生长迹象（图２－４）。叶片的外部特征差异表明逡逑了邋ＩＬｓ对拟南芥的胁迫作用，随着烷基链的增长和处理浓度的增加变化越显著。逡逑在相同的暴露时长下，ＩＬｓ对叶片鲜重和根长的抑制作用随浓度升高而增强逡逑（图２－２、图２－３），呈现明显的剂量－效应关系。从最低处理浓度（０．２５邋ｍｇ／Ｌ）逡逑到最高处理浓度（１．５邋ｍｇ／Ｌ），暴露于［Ｃ８ｍｉｍ］Ｃｌ处理组７邋ｄ后，其叶片鲜重分逡逑别为对照处理组的６９．２０％和２１．３７％；邋［ＱｏｍｉｍｊＣｌ处理组的叶片鲜重分别为对照逡逑组的４４．６２％和１８．６７％，邋［Ｃ１２ｍｉｍ］Ｃｌ处理组的叶片鲜重分别为对照组的３７．５８％逡逑和１５．０６％邋（图２－２）。拟南芥根长的变化趋势与叶片鲜重的变化趋势一致（图逡逑２－３）。在０．２５邋ｍｇ／Ｌ的［Ｃｌ２ｍｉｍ］Ｃｌ浓度组中，根长为对照组的６９．９５％，而在１．５逡逑ｍｇ／Ｌ浓度下，根长为对照组的３７．９７％。逡逑在邋０．２５、０．３５、０．７５、１．００邋和邋１．５０邋ｍｇ／Ｌ邋浓度下

邋１邋５逡逑Ｃ邋ｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（邋ｍｇ邋１－）逡逑图２－３邋ＩＬｓ对拟南芥根长的影响逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋ＥｆＦｅｃｔ邋ｏｎ邋ｒｏｏｔ邋ｌｅｎｇｔｈ邋ｏｆ邋．４．邋ｔｈａｌｉａｎａ邋ａｆｔｅｒ邋ｅｘｐｏｓｕｒｅ邋ｔｏ邋ＩＬｓ逡逑１６逡逑

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本文编号：2795787