镧和酸雨对大豆幼苗根系生长和氮素营养的复合影响研究

发布时间：2020-06-25 14:53

【摘要】：稀土元素在各领域的广泛使用，导致其在环境中不断累积，造成稀土污染；酸雨是全球重大环境问题之一。稀土污染与酸雨污染在分布空间上重叠，作用对象上趋同，影响时间上相交，导致了两者对植物的复合影响。事实上，稀土元素和酸雨使土壤成为两者在相同时空下的污染库，导致植物根系成为两者复合作用下的靶器官。植物根系是植物长期适应陆地条件而形成的重要器官，具有多种功能。根系生长很大程度上受环境因素的影响，是植物响应环境变化的重要观测目标之一，同时也与植物的生长和产量的形成有密切关系。因此，本文采用模拟环境复合污染的研究方法，以美国环境保护局推荐用于毒理学研究的重要粮食、经济兼用作物大豆(Glycine max)为研究对象，采用生理学、细胞生物学、分子生物学、物理化学和计算机模拟技术的优化组合，研究了镧和酸雨对大豆幼苗根系生长与氮素营养的复合影响。主要研究结果归纳如下： (1)镧和酸雨对大豆幼苗根系形态建成和生长存在明显复合效应。低浓度镧(0.08mmol L-1)处理对大豆幼苗根系形态建成和生长影响不明显，高浓度镧(0.40mmol L-1和1.20mmol L-1)处理明显抑制根系形态建成和生长。低强度酸雨(pH4.5)对大豆幼苗根系形态建成和生长影响不明显；酸雨强度(pH3.0)增加时，大豆幼苗根系形态建成和生长受到明显抑制。复合处理时，低浓度镧(0.08mmol L-1)和酸雨(尤其是pH3.0)复合处理抑制根系形态建成和生长，表明低浓度镧对大豆幼苗根系形态建成和生长存在潜在危害。高浓度镧与酸雨复合处理明显抑制大豆幼苗根系形态建成和生长，并比相应单一处理抑制效应明显。 (2)镧和酸雨复合影响大豆幼苗根系形态建成和生长的原因之一：矿素营养紊乱。低浓度镧(0.08mmol L-1)和酸雨复合处理促进大豆幼苗根系对La和矿质元素的吸收和利用。高浓度镧(0.40mmol L-1和1.20mmol L-1)和酸雨复合处理时，大豆幼苗根系中La、K、Mg含量降低，Ca和微量元素含量增加。可见，镧和酸雨复合处理影响大豆幼苗根系中营养元素吸收和利用，导致大豆根系某些矿质元素缺乏，而某些矿质元素过量，影响根系的多种生理过程；并且过量吸收过程消耗了大量物质和能量，影响根系的形态建成和生长。 (3)镧和酸雨复合影响大豆幼苗根系形态建成和生长的原因之二：氮素营养改变。低浓度镧(0.08mmol L-1)和低强度酸雨(pH4.5)复合处理促进大豆幼苗根系NO3同化作用和GS-GOGAT循环，提高GDH活性；且这种促进作用高于单一处理时的促进作用；除低浓度镧(0.08mmol L-1)和高强度酸雨(pH3.0)复合处理提高GDH活性外，其它复合处理抑制大豆幼苗根系NO3同化作用和NH4+同化作用，且这种抑制作用高于单一处理时的抑制作用。这些变化引起低浓度镧(0.08mmol L-1)和低强度酸雨(pH4.5)复合处理时，大豆幼苗根系氨基酸含量和可溶性蛋白含量增加；其它复合处理时，大豆幼苗根系中合成氨基酸含量和可溶性蛋白含量减少。通过相关性分析得出，镧和酸雨复合处理下根系形态建成和生长改变与根系氮素营养改变存在相关性，且与NR活性改变的相关性最大。 (4)镧和酸雨复合影响大豆幼苗根系氮素营养的原因之一：NR转录水平的改变。低浓度镧(0.08mmol L-1)和低强度酸雨(pH4.5)复合处理时，与对照和单一镧处理相比，NR转录水平分别降低，而与单一酸雨处理相比变化不明显；其它复合处理时，NR转录水平明显降低。一方面，低浓度镧(0.08mmol L-1)和低强度酸雨(pH4.5)复合处理时，大豆幼苗根系细胞膜结构发生变形，细胞内营养元素的相对含量增加；在其它复合处理时，细胞膜结构破坏严重，胞内营养元素含量降低，La的含量明显升高。原生质体结构的破坏，影响细胞内NO3的含量，再加上胞内营养元素的改变，影响大豆幼苗根系NR转录水平。另一方面，在复合处理下，大豆幼苗根系胞内H+浓度增大，胞内pH降低。pH的降低影响与NR转录相关的酶或反应；同时造成逆质子梯度而抑制NO3吸收，影响NR转录。而发生细胞膜结构改变、胞内营养元素含量变化和胞内pH降低，是因为镧和酸雨复合处理时，引起大豆幼苗根系细胞内ROS过量积累，细胞膜膜脂过氧化，进而影响细胞膜对物质的运输及膜上蛋白的正常功能。 (5)镧和酸雨复合影响大豆幼苗根系氮素营养的原因之二：H+和镧与NR蛋白分子的直接作用。计算机分子动力学模拟发现，NR蛋白FAD结构域和MoCo结构域表面分布着大量负电荷集中区，且随着pH值的降低，表面负电荷分布越来越多。说明镧离子进入细胞后可能与NR蛋白分子发生直接作用。体外模拟发现，在不同pH值(pH7.2；pH6.4和pH5.6)条件下，NR结构中的Tyr和Trp残基、Heme-Fe卟啉环暴露程度或结构发生变化，引起NR活性发生变化；在pH7.2模拟溶液中，NR蛋白分子在不同浓度镧存在时会发生构象的变化，表现为肽链构象、Tyr和Trp残基以及Heme-Fe卟啉环结构的变化；在pH6.4和pH5.6模拟溶液中，不同浓度镧对NR蛋白分子构象的影响与pH7.2模拟溶液中规律变化基本一致，只是峰强度变化更大，表明在酸性条件下镧对NR蛋白分子的影响更加明显。量化计算结果表明，H+与NR微结构配位后会影响NR微结构，主要表现为氢键的形成和部分原子键长和键角的变化；La(H2O)83+能与NR微结构中的O原子发生配位，同时La(H2O)83+中的H与NR微结构中的O原子形成强氢键，使La(H2O)83+与NR之间的配位更加稳定，导致多数原子键长和键角发生明显变化，甚至NR微结构中C链发生明显的位移；NR-H-La微结构中NR微结构发生了更加明显的变化。这些结构的变化影响了NR蛋白的生理功能。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S565.1;X503.23
【图文】：

示意图,氮代谢,植物细胞,过程

第一章绪论光合作用的减弱，最终会导致产量降低[240]。在玉米的生长醇式丙酮酸羟化酶、丙酮酸磷酸二激酶和二磷酸核酮糖羧随而来的就是这些酶活性的显著下降[240]。自然界中，氮以2 、NH4+和有机氮(尿素和氨基酸)的形式存在。对大多数植物佳来源[241, 242]。在好氧土壤条件下，虽然NH4+也存在，但N[207]。

植物,结构域,辅酶,氮同化

物 NR 结构[207]。(A) NR 结构域结构；(B) NR 带状结构，蓝色：FAD 结Heme-Fe 结构域；黑色：MoCo 辅基；黄色：单体间的接触。-2 Structure of NR in plants. (A) Domain of NR; (B) Banded structure of NRain; purple: Heme-Fe domain; black: MoCo domain; yellow: contact of the do个复杂的金属酶，是分子量为~110 kDa 亚基的同型二(四)聚体和 NO3 结合位点[271-273]。大多数植物中 NR 利用用 NADH，有可利用 NADH，也可利用 NADPH[243, 273]。NR 在氮同化中是最重个原因，NR 活性被认为是粮食产量和氮同化潜力的选择标准[2辅酶因子(图 1-2)，包括黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin adenine d素-铁(Heme-Fe)和钼辅酶因子(Molybdenum coenzyme，MoCo)，原中心，以保证电子传递链的完整[207, 269]。在酶的自然状态下，F中心电势分别为 272 mV、 60 mV 和 10 mV。每一个辅酶因子，他们都和蛋白质某个特定的功能和结构域相关。NR 经部分水性，这与 NR 有独立的不同功能区域结构一致[207]。NR 结构域域位于 N 断，Heme-Fe 结构域位于中部，FAD 结构域位于 C 端

【参考文献】