酸雨胁迫下镧在辣根根细胞积累及其对钾离子通道的影响

发布时间：2020-03-25 21:27

【摘要】：稀土元素被广泛应用增加了其在环境中积累。酸雨是全球重大环境问题之一,稀土元素积累与酸雨难免在农业区同时出现。植物根系从土壤中吸收水分和营养物质,直接接触土壤中稀土元素。然而,关于酸雨胁迫下稀土元素对植物根系影响的研究很少,特别是关于酸雨胁迫下稀土对植物根系钾离子通道(K~+通道)的影响。镧(La)是环境中最丰富的稀土元素之一,辣根是一种重要的经济作物。因此,本文选择辣根为研究对象,采用生理学、细胞生物学、生物物理化学、分子生物学方法和计算机模拟的优化组合,研究了酸雨胁迫下镧[La(Ⅲ)]在辣根根细胞中积累及其对K~+通道的影响。主要研究结果归纳如下:⑴酸雨促进La(Ⅲ)在辣根根细胞积累。通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)检测辣根根细胞La的含量。实验结果表明,单一La(Ⅲ)处理时,辣根根系及胞内La含量随La(Ⅲ)的浓度增大而增加。根系La的含量取决于外界环境中La(Ⅲ)的水平,而胞内La的含量取决于质膜外La(Ⅲ)的水平。酸雨促进La(Ⅲ)在辣根根系及胞内积累(除pH 4.5酸雨胁迫下20 mg×L-1 La(Ⅲ)处理时胞质内La含量无明显变化外),增幅随La(Ⅲ)浓度和酸雨强度增加而增大。利用激光共聚焦显微镜和透射电镜观察发现,La(Ⅲ)主要分布在细胞壁及质膜上,部分La(Ⅲ)通过胞吞作用进入辣根根细胞内,酸雨促进La(Ⅲ)通过胞吞作用进入细胞内积累;⑵酸雨胁迫下La(Ⅲ)影响了辣根根细胞K~+通道的功能。采用膜片钳检测辣根根细胞K~+通道电流,结合ICP-MS和SEM-EDS检测辣根根系中K及胞内K的含量。实验结果表明,酸雨加剧不同浓度(20 mg×L-1,100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制K~+通道内流,抑制作用随La(Ⅲ)的浓度及酸雨强度增加而增大。相关分析显示,酸雨胁迫下La(Ⅲ)在辣根根细胞积累对胞内K、Zn和Fe的含量影响最明显。其中,La(Ⅲ)在辣根根细胞积累与Fe和Zn的含量为正相关,而与胞内K含量为显著负相关。单一La(Ⅲ)处理时,低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)促进辣根根系吸收K;高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)则抑制辣根根系吸收K。pH 4.5酸雨胁迫下,20 mgL-1和100 mg×L-1 La(Ⅲ)促进辣根根系吸收K;pH 4.5酸雨胁迫下300 mg×L-1 La(Ⅲ)处理则无明显改变;pH 3.0酸雨胁迫下不同浓度(20 mg×L-1,100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制辣根根系吸收K;⑶酸雨胁迫下La(Ⅲ)改变辣根根细胞K~+通道功能的原因之一:直接作用。分子动力学模拟和量化计算结果显示,酸性条件下La(Ⅲ)可改变K~+通道蛋白结构,较弱酸性条件下La(Ⅲ)可与K~+通道蛋白结合,影响K~+通道功能。实时荧光-聚合酶链锁反应和蛋白免疫印迹的实验结果显示,酸雨胁迫下La(Ⅲ)影响辣根细胞K~+通道蛋白合成。pH 4.5酸雨增大低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)对辣根根细胞AKT1基因转录和翻译的促进作用,削弱高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)对AKT1的基因转录和翻译的抑制作用;pH 3.0酸雨使低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)抑制AKT1基因的转录和翻译,增大高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)对AKT1基因转录和翻译的抑制作用。相关分析表明,AKT1基因的转录和翻译与根系K含量存在明显的正相关,而酸雨胁迫下La(Ⅲ)在辣根根细胞积累与AKT1基因的转录及翻译存在明显负相关性;⑷酸雨胁迫下La(Ⅲ)改变辣根根细胞K~+通道功能的原因之二:改变细胞内环境。流式细胞术结果显示,酸雨胁迫下La(Ⅲ)处理时,酸雨促进辣根根细胞胞质pH降低,抑制K~+通道内流,激活K~+通道外流;pH 4.5酸雨促进低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)增加辣根根细胞胞质Ca~(2+)水平,抑制K~+通道内流,促进K~+通道蛋白合成;pH 3.0酸雨胁迫下,20 mg×L-1 La(Ⅲ)使辣根根细胞胞质Ca~(2+)水平下降,抑制K~+通道蛋白合成;酸雨胁迫下高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)胞质Ca~(2+)水平下降幅度增大,加剧抑制K~+通道蛋白合成;酸雨胁迫下La(Ⅲ)处理时,酸雨促进辣根根系活性氧积累,抑制K~+通道内流,激活K~+通道外流。通过扫描电镜和原子力显微镜观察辣根根原生质体形态及其表面发现,酸雨胁迫下La(Ⅲ)处理时加剧细胞质膜过氧化,改变或破坏细胞质膜结构,影响K~+通道功能。⑸酸雨胁迫下La(Ⅲ)改变K~+通道功能影响了辣根生理功能。采用ICP-MS、2,3,5-氯化三苯基四氮唑法以及其他常规检测技术,检测了辣根根系的矿质元素含量、根系活力,光合作用及生物量积累。实验结果显示,低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)促进辣根根系活力和矿质元素吸收,增强光合作用和生物量积累,高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)则抑制上述生理活动。pH 4.5酸雨抑制低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)对辣根根系上述生理活动的促进作用;pH 3.0酸雨使低浓度(20 mg×L-1)La(Ⅲ)对辣根根系上述生理活动的作用转为抑制效应;酸雨(pH 4.5和pH 3.0)加剧高浓度(100 mg×L-1和300 mg×L-1)La(Ⅲ)对辣根根系生理活动的抑制作用,且随酸雨强度增加抑制作用增强。相关分析表明,根系活力、光合作用及生物量等相关指标与辣根根细胞La(Ⅲ)的积累呈显著负相关,而与K~+通道功能呈显著正相关。⑹恢复实验显示:由于酸雨胁迫下La(Ⅲ)处理组的辣根根细胞La(Ⅲ)的积累比较高,对辣根根系细胞结构及功能的影响也较强,导致恢复效果比较差。尤其是酸雨(pH 4.5和pH 3.0)胁迫下高浓度(100 mg×L-1,300 mg×L-1)La(Ⅲ)处理时,其作用效果多具有破坏性,恢复更困难。因此,酸雨胁迫对稀土生物学效应的影响值得关注。
【图文】：

通道蛋白,蛋白,内质膜,水分子

KT2/3AT4G22200叶、根韧皮部，AT3G02850 主要在根部，少AT5G37500主要在叶片，根量表达具有相似的结构[194]，一端为 N 端结构基包括 6 个跨膜片段(S1～S6)及其内质膜内的高度保守区域，被称为 P 域，记。Shaker K+通道 C 端位于胞质内，，ing site, CYCL)。此外，部分 Shaker K+区(ankyrin-related domain，ANKY)，如个水分子包围，以水合分子形式存在。氧原子所形成的孔道内衬又朝向中心移动，待 K+移出通道后会再次被水分子

拓扑结构图,亚基,拓扑结构,通道

图 1-2 Shaker K+通道单位亚基拓扑结构[194](稍有调整)Fig. 1-2 The topological structure of Shaker K+channel subunit
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X517

【参考文献】