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不同基因型烟草响应铅毒害的生理变化以及N-乙酰基半胱氨酸(NAC)对铅毒害缓解作用的研究

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Contents

Abstract

摘要

Abbreviations

Chapter 1:Literature Review

1.1 Historical background of tobacco and heavy metal stress

1.2 Lead (Pb) availability and uptake

1.3 Effect of Pb stress on plants

1.3.1 Effect on growth and photosynthetic activity

1.3.2 Genotoxic effects of Pb stress

1.3.3 Effect on plant water status

1.3.4 Effect on germination

1.3.4 Pb induced oxidative stress and lipid peroxidation

1.4 Defense mechanisms against Pb stress

1.5 The role of thiolic compounds in heavy metal stress alleviation

1.6 Genotypic variations in heavy metal stress resistance

1.7 Research objectives

Chapter 2:Genotypic differences in tolerance to Pb stress in different tobacco varieties (Nicodana tabacum) and the associated physiological mechanisms

2.0 Materials and Methods

2.1 Plant materials and growth conditions

2.1.1 Measurement of growth parameters

2.1.2 Measurement of photosynthetic parameters

2.1.3 Quantification of photosynthetic pigments

2.1.4 Assay for antioxidant enzymes and lipid peroxidation

2.1.5 Measurement of Pb content

2.1.6 Calculation of Tolerance indices(TI)

2.1.7 Statistical analysis

2.2 Results

2.2.1 Growth response to Pb toxicity

2.2.2 Photosynthetic response to Pb toxicity

2.2.3 Photosynthetic pigments response to Pb toxicity

2.2.4 Tissue Pb concentration

2.2.5 Enzyme activity

2.2.6 Lipid peroxidation

2.3 Discussion

2.4 Conclusion

Chapter 3:Alleviation of Pb toxicity in tobacco through application of N-acetyl cysteine (NAC)

3.2 Materials and Methods

3.2.1 Measurement of growth parameters

3.1.2 Measurement of photosynthetic parameters

3.1.3 Quantification of photosynthetic pigments

3.1.4 Assay for antioxidant enzymes and lipid peroxidation

3.1.5 Measurement of Pb content

3.1.6 Statistical analysis

3.1.7 Leaf ultra-structure analysis

3.2 Results

3.2.1 Growth response to Pb toxicity and NAC application

3.2.2 Photosynthetic response to Pb toxicity and NAC application

3.2.3 Photosynthetic pigments response to Pb toxicity and NAC application

3.2.4 Antioxidant enzymes response to Pb toxicity and NAC application

3.2.5 Lipid peroxidation response to Pb toxicity and NAC application

3.2.6 The effect of NAC application on Pb content

3.2.7 Effects of Pb toxicity and NAC application on leaf ultrastructure

3.3 Discussion

3.4 Conclusion

References

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摘要

近年来,由于世界重工业化进程的加剧,农业用地逐渐受到重金属污染。重金属铅毒害,对作物的产量有着极大的负面影响。很多现代化生产方式,比方说农药化肥的滥用,汽车尾气的排放以及矿产开采,这些都会潜在的对农业用地造成铅污染的毒害。由于铅元素对作物而言不是必需元素,所以土壤中即使含有少量的铅,也会对作物产生很大的毒害作用。研究发现,铅胁迫会导致作物产生ROS(活性氧),ROS会对植物细胞的重要组分,比如蛋白质、油脂以及核苷酸等,产生氧化胁迫的危害。不仅如此,铅毒害会抑制许多重要的细胞代谢酶的活性,其中影响最大的是光合代谢途径。植株通过不同的代谢途径,产生具有抗氧化能力的蛋白以及非蛋白物质,进而提高植株本身的耐毒性。不同基因型的烟草因为自身的遗传特性而不同,所以其抵抗重金属危害的能力不同,而且抗逆性与重金属污染的类别具有很大的关联。
  所以对烟草耐铅性的研究已经成为刻不容缓的事实,其中有效途径为寻找耐铅性较强的烟草品种,考察铅毒害对收集的不同基因型烟草品种生理活性指数的影响,以及各种可以缓解铅毒害的代谢途径,最终探寻有效的可以缓解铅毒害的方法。在这篇研究中,我们就致力于解决以上问题,也可以帮助我们了解烟草响应铅毒害的机理,最终挑选出可以在实际生产中应用的耐铅毒害的烟草基因型。
  1.铅毒害下,不同基因型烟草(Nicotiana tabacum)各自的表型以及生理机制的变化。
  将七份不同基因型的烟草材料种植在含有不同铅浓度(Pb(NO3)2)的水培营养液中,结果表明,随着铅浓度的上升,植株生长指数以及光合作用强度都降低,植株中抗氧化酶的含量随着水培液中铅浓度的上升,都会显著提高。有趣的是,CAT的活性是降低的,并且,随着铅浓度的上升,不同基因型植株中MDA的含量显著上升。另外,烟草植株根以及叶片组织中铅的含量随着溶液中铅浓度的上升,含量也会随之上升。总而言之,我们发现,不同基因型的烟草品种响应铅毒害的机理,有着显著的区别。
  2.外源喷施乙酰半胱氨酸(NAC),对烟草植株铅毒害的缓解机理研究
  我们研究测试了乙酰半胱氨酸(NAC)对烟草铅毒害的缓解能力。分别用不同浓度的铅处理植株,并各自添加200或者300μM的NAC,以不添加NAC的处理作为对照。结果表明,随着铅浓度的提高,植株的生长受到抑制。但是,通过外源不同浓度NAC的添加(200和300μM),可以促进植株的生长,而在500μM的Pb(NO3)2的处理下,外源NAC的施加并没有促进植株的生长,但是可以增加植株中的光合色素的含量。在10μMPb(NO3)2的处理水平下,NAC对各种基因型烟草植株均有广泛的促进生长的作用,比如说增强植株光合代谢途径的能力。外源喷施NAC,同样可以增加植株体内SOD,APX以及CAT的活性,但是却降低了APX的活性。综上所述,NAC可以有效降低植株叶片中的铅浓度,进而增强植株抗铅毒害的能力。在Pb胁迫下,外源施用NAC也能够减少Pb对叶绿体超微结构的伤害保护光合器官的完整性。

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