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砷对不同砷富集能力植物抗氧化酶和光合过程的影响

谢飞

  砷是一种植物生长的非必需元素,具有剧毒、致畸和致突变效应,砷污染问题一直为人们所关注。随着蜈蚣草(Pteris vittata)、粉叶蕨(Pityrogramma calomelanos)、大叶井口边草(Pteris cretica var. nervosa)和金钗凤尾蕨(Pteris fauriei)等砷超富集植物的发现,使砷污染土壤和水体的生物治理更为人们所重视。同时,也发现了一些非砷超富集植物,如半边旗(Pteris semipinnata)和剑叶凤尾蕨(Pteris ensiformis)等。然而,目前的研究大多以蜈蚣草为主要供试材料展开,大多数集中在蜈蚣草对砷吸收、转运、富集和解毒等过程。砷超富集植物叶片在富集砷的同时又要进行光合作用,以维持正常的生理机能,它们如何处理富集砷和进行光合作用的矛盾,据我们所知,目前这方面的研究还很少。 本研究通过设计一系列砷处理浓度梯度的室内土培(0、50、100和200mg As kg-1)和水培(0、5、25和50mg As L-1)试验,以凤尾蕨属中砷超富集植物[大叶井口边草(Pteris cretica var. nervosa)和蜈蚣草(Pteris vittata)]以及非砷超富集植物[半边旗(Pteris semipinnata)和剑叶凤尾蕨(Pteris ensiformis)]为实验材料,首先研究了水培条件下砷超富集植物和非砷超富集植物叶片过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、丙二醛(MDA)含量和自由基02-·产生速率的变化,并研究了25mg As L-1处理下上述6种指标的时间动态(1d、6d、11d、16d和21d);其次研究了在土培和水培条件下,植物受砷胁迫后叶片中最大量子产量(Fv/Fm)、实际量子产量(Yield)、ATP合成酶(ATPase)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)、甘油醛-3-磷酸脱氢酶(Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)和植物叶片砷含量,同时研究了它们在100 mg As kg-1土培(10d、20d、30d、40d、50d和60d)及20mg As L-1水培下(3d、6d、9d、12d和15d)这些指标的时间动态;并研究在收获前7d采取强化提取砷措施(增磷、CDTA和调节pH)对上述指标的影响。 结果表明: 1.随着砷浓度升高,除APX外,剑叶凤尾蕨叶片的CAT、POD和SOD活性受到很大抑制,而大叶井口边草叶片这3种酶的活性能够维持,特别是POD活性显著增加;大叶井口边草叶片的MDA含量降低,剑叶凤尾蕨则升高;剑叶凤尾蕨叶片中的O2-·产生速率比大叶井口边草增加显著。从时间动态看,随处理时间的延长,大叶井口边草叶片中的CAT和APX活性先降低再升高,POD活性显著增加,SOD活性变化不显著;剑叶凤尾蕨叶片的POD和SOD活性显著降低,APX活性无显著变化,CAT活性则先降低后升高;两种供试植物叶片的MDA含量第6 d时均出现明显下降,但大叶井口边草叶片中O2-·的产生速率在第6d则显著增加,而后降至实验初始时的水平。总起来看,砷超富集植物大叶井口边草比非砷超富集植物剑叶凤尾蕨具有更强的抗氧化能力,并且POD在其抗氧化体系中起关键作用。 2.随着砷浓度的增加,非砷超富集植物不能很好地调节自身的最大量子产量和实际量子产量;而砷超富集植物能够很好地保持自身的最大量子产量。砷超富集植物在低浓度砷胁迫的情况下ATPase和Rubisco活性增加,高浓度的情况下显著下降;而非砷超富集植物的ATPase和Rubisco活性无显著变化。受到砷胁迫后,砷超富集植物的GAP脱氢酶活性没有受到影响,而非砷超富集植物则显著下降。所以,砷超富集植物生物量较小的原因可能是由于ATPase和Rubisco活性的降低,而抗性体现在GAP脱氢酶活性较高。 3.在施加强化提取砷措施后,砷超富集植物和非砷超富集植物的最大量子产量、实际量子产量和Rubisco活性无明显变化,只有P浓度升高时,非砷超富集植物的最大量子产量显著增加;在pH值偏碱性时大叶井口边草和半边旗叶片中的ATPase活性显著增加;在高浓度CDTA和pH值偏碱性,砷超富集植物叶片中的GAP脱氢酶活性增加,而非砷超富集植物无明显变化。 4.随着砷处理浓度的升高,砷超富集植物叶片中的砷含量显著上升,而非砷超富集植物中只有剑叶凤尾蕨显著增加了砷含量,但未达到砷超富集植物的标准;CDTA和P浓度的改变对砷超富集植物大叶井口边草对砷的富集无明显作用,但施加低、中浓度CDTA(0.5-1 g·kg-1)或磷(50-600mg·kg-1)显著增加了非砷超富集植物半边旗对砷的吸收。……   
[关键词]:;抗氧化酶;光合作用;光反应;暗反应;强化提取
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:昆明理工大学2009年