不同植物吸收和代谢铁氰化物的机理研究

发布时间：2020-03-31 20:32

【摘要】：铁氰化物是氰化物污染土壤及地下水中最常见的污染物种类之一,环境因素的变化会影响铁氰化物在环境介质中的形态、迁移和转化。迄今,植物修复铁氰络合物污染的研究虽有广泛的报道,但有关其修复的机理尚缺乏深入研究。本研究以植物降解外源铁氰化物为核心研究内容,深入研究不同代谢类型植物吸收、迁移、转化和富集铁氰化物的特征,探索不同氰化物作为植物生长所需补充氮源的可能性,以及利用水稻全基因芯片技术筛选出水稻幼苗体内参与应答不同氰化物胁迫响应的基因。主要研究成果如下:1、铁氰化钾污染液分别处理4种不同代谢类型植物的离体根组织24小时。结果发现:水稻离体根组织对水溶液中铁氰化物的吸收率(65.8%)和转化率(9.11μg CN/g·h)最高,而大豆离体根的吸收率(20.2%)和转化率(2.79μg CN/g·h)最低;抑制剂氯化镧对玉米和水稻离体根组织转化铁氰化物的影响最大,而硝酸银和四乙基氯化铵则分别对大豆和垂柳离体根转化铁氰化物的的影响较大;试验温度与植物离体根组织转化铁氰化物的效率之间存在明显的正相关性;依据试验获取的温度系数(Q_(10))发现,玉米离体根组织对温度变化最为敏感,最不敏感的是水稻离体根。2、铁氰化钾污染液分别处理3种不同种类的扦插柳树幼苗6天。结果发现:3种柳树幼苗均可有效吸收反应器水溶液中的铁氰化物,其中旱柳幼苗的吸收率最高(62.3%),最低是垂柳(46.8%);具有完整叶片的柳树幼苗对水溶液中铁氰化物的吸收率要高于去除了的叶片柳树幼苗,表明蒸腾作用对植物吸收铁氰化物有一定的影响;柳树幼苗体内检测到残存的铁氰化物量占水溶液中总吸收量的不足6%,其主要残存在根系中,叶片中残存量最少,表明绝大部分铁氰化物在植物体内的运输过程中都被柳树幼苗有效降解,其中旱柳幼苗对铁氰化物的转化率最高(9.92μg CN/g·d),最低是垂柳(6.28μg CN/g·d)。3、外源简单氰化物(KCN)胁迫水稻幼苗48小时。水稻幼苗能快速吸收和转化外源KCN而不在体内产生大量残留,营养液中无机氮源(KNO_3和NH_4Cl)对水稻幼苗吸收和转化外源KCN的影响较小;水稻幼苗不同组织中硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶的活性与外源KCN胁迫浓度有关;高浓度的外源KCN胁迫对水稻幼苗体内硝酸还原酶活性的抑制要大于对谷氨酰胺合成酶活性的抑制。水稻幼苗也能有效去除营养液中的2种铁氰络合物。生长在KNO_3营养液中水稻幼苗对2种外源铁氰络合物的转化率要远大于生长在NH_4Cl营养液中水稻幼苗,而且生长在KNO_3营养液中水稻幼苗对亚铁氰化物的转化率要明显高于对铁氰化物的转化率;2种外源铁氰络合物胁迫对水稻幼苗体内的硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶的活性影响趋势非常相似。试验结果表明:水稻幼苗能利用外源KCN、亚铁氰化物和铁氰化物作为无机氮(KNO_3和NH_4Cl)的补充氮源来维持其生长的需要。4、简单氰化物(KCN)、亚铁氰化钾和铁氰化钾分别胁迫水稻幼苗48小时。用Agilent 4×44 K水稻全基因组芯片分析水稻幼苗叶片和根系的基因表达特征。研究发现:3种氰化物都诱导水稻基因表达的变化,铁氰化钾胁迫的水稻幼苗中差异表达的基因数量远多于氰化钾和亚铁氰化钾胁迫,尤其是在根系中,表明水稻幼苗对铁氰化钾胁迫的应答响应影响更大;GO功能注释分析表明,3种氰化物胁迫后,水稻幼苗均可能通过调节其体内的一些代谢途径和催化一些酶的活性,一方面是积极诱导与防御相关的基因以应对氰化物的胁迫,另一方面通过植物的主动代谢和转运等解毒过程以降低对植物的伤害;对差异表达基因的推测功能分析,氰化物诱导下,与细胞解毒作用和抗逆相关的基因、与细胞壁和次生代谢途径、以及转录因子相关的基因表达量均发生了较大变化。
【图文】：

示意图,铁氰,代谢途径,络合物

残留在根系中；他们认为亚铁氰化物可能是通过一个特殊的载体或者是离子通道进入植物体内的。他们假设：如果亚铁氰化物能穿过根细胞膜，那么亚铁氰化物在植物体内的迁移就不难理解了。他们最近的研究工作[53]发现 H+-转运体与亚铁氰化物的吸收有一定的关系；植物的根系是亚铁氰化物代谢的主要场所；微量的亚铁氰化物残留在在植物叶片中。其它的研究成果也认为柳树可以吸收铁氰化物和亚铁氰化物[27]；这两种铁氰络合物在植物吸收之前没有发生解离，很可能是在植物体内发生了解离，解离的 CN-在植物体内则通过氰丙氨酸代谢途径进行了转化（铁氰络合物可能的吸收和代谢途径见图 1-1）。Kang 等人[29]研究亚铁氰化铁（普鲁士蓝）的植物修复发现：植物可以吸收一定量的亚铁氰化铁，其中 19%能在植物体内转化；他们还发现高梁（S. bicolor var. P721）能将其中的 7%14C-标记的氰化物转化为14CO2，而亚麻（L. usitassimum var.Omega-Gold）将 6%的氰化物转化成为了14CO2；少量的亚铁氰化铁发现残留在植物体内。

氰化物,途径

的内源氰化物并不能在植物组织中积累[60]，因为植物对简单氰化物的降解要远远大于植物对其的合成能力[61]。研究认为产氰植物对简单氰化物的代力要大于非产氰植物[62]；但也有研究显示，植物在外源简单氰化物胁迫下氰植物和非产氰植物对简单氰化物的代谢能力并没有出现规律性的趋势[48]如：产氰类植物的接骨木（S. chinensis）其去除 KCN 的能力是最高的；而非常接近的产氰类植物珊瑚树（V. odoratissimum Ker-Gawl）却表现出较低外源氰化物的去除能力[48]。目前，植物对简单氰化物的转化和代谢主要通下三个途径：β-氰基丙氨酸途径、硫转移酶途径和甲酰胺水解酶途径[63]，中以氰丙氨酸合成酶途径在植物中最为常见。氰丙氨酸合成酶途径：β-氰基丙氨酸合成酶是植物代谢和解毒简单氰化物要酶，，也是维管植物中常见的酶[62,64-66]。首先，β-氰丙氨酸合成酶能将简单物和半胱氨酸合成氰丙氨酸和硫化氢[60,62]；然后由腈水解酶参与[55]氰丙氨解产生天门冬氨酸和氨离子[67, 68]（图 1-2）。
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X592;X173

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