【摘要】：稀土元素在各領(lǐng)域的廣泛使用，導(dǎo)致其在環(huán)境中不斷累積，造成稀土污染；酸雨是全球重大環(huán)境問題之一。稀土污染與酸雨污染在分布空間上重疊，作用對象上趨同，影響時間上相交，導(dǎo)致了兩者對植物的復(fù)合影響。事實上，稀土元素和酸雨使土壤成為兩者在相同時空下的污染庫，導(dǎo)致植物根系成為兩者復(fù)合作用下的靶器官。植物根系是植物長期適應(yīng)陸地條件而形成的重要器官，具有多種功能。根系生長很大程度上受環(huán)境因素的影響，是植物響應(yīng)環(huán)境變化的重要觀測目標(biāo)之一，同時也與植物的生長和產(chǎn)量的形成有密切關(guān)系。因此，本文采用模擬環(huán)境復(fù)合污染的研究方法，以美國環(huán)境保護(hù)局推薦用于毒理學(xué)研究的重要糧食、經(jīng)濟(jì)兼用作物大豆(Glycine max)為研究對象，采用生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、物理化學(xué)和計算機(jī)模擬技術(shù)的優(yōu)化組合，研究了鑭和酸雨對大豆幼苗根系生長與氮素營養(yǎng)的復(fù)合影響。主要研究結(jié)果歸納如下： (1)鑭和酸雨對大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長存在明顯復(fù)合效應(yīng)。低濃度鑭(0.08mmol L-1)處理對大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長影響不明顯，高濃度鑭(0.40mmol L-1和1.20mmol L-1)處理明顯抑制根系形態(tài)建成和生長。低強(qiáng)度酸雨(pH4.5)對大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長影響不明顯；酸雨強(qiáng)度(pH3.0)增加時，大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長受到明顯抑制。復(fù)合處理時，低濃度鑭(0.08mmol L-1)和酸雨(尤其是pH3.0)復(fù)合處理抑制根系形態(tài)建成和生長，表明低濃度鑭對大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長存在潛在危害。高濃度鑭與酸雨復(fù)合處理明顯抑制大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長，并比相應(yīng)單一處理抑制效應(yīng)明顯。 (2)鑭和酸雨復(fù)合影響大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長的原因之一：礦素營養(yǎng)紊亂。低濃度鑭(0.08mmol L-1)和酸雨復(fù)合處理促進(jìn)大豆幼苗根系對La和礦質(zhì)元素的吸收和利用。高濃度鑭(0.40mmol L-1和1.20mmol L-1)和酸雨復(fù)合處理時，大豆幼苗根系中La、K、Mg含量降低，Ca和微量元素含量增加�？梢�，鑭和酸雨復(fù)合處理影響大豆幼苗根系中營養(yǎng)元素吸收和利用，導(dǎo)致大豆根系某些礦質(zhì)元素缺乏，而某些礦質(zhì)元素過量，影響根系的多種生理過程；并且過量吸收過程消耗了大量物質(zhì)和能量，影響根系的形態(tài)建成和生長。 (3)鑭和酸雨復(fù)合影響大豆幼苗根系形態(tài)建成和生長的原因之二：氮素營養(yǎng)改變。低濃度鑭(0.08mmol L-1)和低強(qiáng)度酸雨(pH4.5)復(fù)合處理促進(jìn)大豆幼苗根系NO3同化作用和GS-GOGAT循環(huán)，提高GDH活性；且這種促進(jìn)作用高于單一處理時的促進(jìn)作用；除低濃度鑭(0.08mmol L-1)和高強(qiáng)度酸雨(pH3.0)復(fù)合處理提高GDH活性外，其它復(fù)合處理抑制大豆幼苗根系NO3同化作用和NH4+同化作用，且這種抑制作用高于單一處理時的抑制作用。這些變化引起低濃度鑭(0.08mmol L-1)和低強(qiáng)度酸雨(pH4.5)復(fù)合處理時，大豆幼苗根系氨基酸含量和可溶性蛋白含量增加；其它復(fù)合處理時，大豆幼苗根系中合成氨基酸含量和可溶性蛋白含量減少。通過相關(guān)性分析得出，鑭和酸雨復(fù)合處理下根系形態(tài)建成和生長改變與根系氮素營養(yǎng)改變存在相關(guān)性，且與NR活性改變的相關(guān)性最大。 (4)鑭和酸雨復(fù)合影響大豆幼苗根系氮素營養(yǎng)的原因之一：NR轉(zhuǎn)錄水平的改變。低濃度鑭(0.08mmol L-1)和低強(qiáng)度酸雨(pH4.5)復(fù)合處理時，與對照和單一鑭處理相比，NR轉(zhuǎn)錄水平分別降低，而與單一酸雨處理相比變化不明顯；其它復(fù)合處理時，NR轉(zhuǎn)錄水平明顯降低。一方面，低濃度鑭(0.08mmol L-1)和低強(qiáng)度酸雨(pH4.5)復(fù)合處理時，大豆幼苗根系細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)元素的相對含量增加；在其它復(fù)合處理時，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，胞內(nèi)營養(yǎng)元素含量降低，La的含量明顯升高。原生質(zhì)體結(jié)構(gòu)的破壞，影響細(xì)胞內(nèi)NO3的含量，再加上胞內(nèi)營養(yǎng)元素的改變，影響大豆幼苗根系NR轉(zhuǎn)錄水平。另一方面，在復(fù)合處理下，大豆幼苗根系胞內(nèi)H+濃度增大，胞內(nèi)pH降低。pH的降低影響與NR轉(zhuǎn)錄相關(guān)的酶或反應(yīng)；同時造成逆質(zhì)子梯度而抑制NO3吸收，影響NR轉(zhuǎn)錄。而發(fā)生細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變、胞內(nèi)營養(yǎng)元素含量變化和胞內(nèi)pH降低，是因為鑭和酸雨復(fù)合處理時，引起大豆幼苗根系細(xì)胞內(nèi)ROS過量積累，細(xì)胞膜膜脂過氧化，進(jìn)而影響細(xì)胞膜對物質(zhì)的運輸及膜上蛋白的正常功能。 (5)鑭和酸雨復(fù)合影響大豆幼苗根系氮素營養(yǎng)的原因之二：H+和鑭與NR蛋白分子的直接作用。計算機(jī)分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，NR蛋白FAD結(jié)構(gòu)域和MoCo結(jié)構(gòu)域表面分布著大量負(fù)電荷集中區(qū)，且隨著pH值的降低，表面負(fù)電荷分布越來越多。說明鑭離子進(jìn)入細(xì)胞后可能與NR蛋白分子發(fā)生直接作用。體外模擬發(fā)現(xiàn)，在不同pH值(pH7.2；pH6.4和pH5.6)條件下，NR結(jié)構(gòu)中的Tyr和Trp殘基、Heme-Fe卟啉環(huán)暴露程度或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起NR活性發(fā)生變化；在pH7.2模擬溶液中，NR蛋白分子在不同濃度鑭存在時會發(fā)生構(gòu)象的變化，表現(xiàn)為肽鏈構(gòu)象、Tyr和Trp殘基以及Heme-Fe卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的變化；在pH6.4和pH5.6模擬溶液中，不同濃度鑭對NR蛋白分子構(gòu)象的影響與pH7.2模擬溶液中規(guī)律變化基本一致，只是峰強(qiáng)度變化更大，表明在酸性條件下鑭對NR蛋白分子的影響更加明顯。量化計算結(jié)果表明，H+與NR微結(jié)構(gòu)配位后會影響NR微結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為氫鍵的形成和部分原子鍵長和鍵角的變化；La(H2O)83+能與NR微結(jié)構(gòu)中的O原子發(fā)生配位，同時La(H2O)83+中的H與NR微結(jié)構(gòu)中的O原子形成強(qiáng)氫鍵，使La(H2O)83+與NR之間的配位更加穩(wěn)定，導(dǎo)致多數(shù)原子鍵長和鍵角發(fā)生明顯變化，甚至NR微結(jié)構(gòu)中C鏈發(fā)生明顯的位移；NR-H-La微結(jié)構(gòu)中NR微結(jié)構(gòu)發(fā)生了更加明顯的變化。這些結(jié)構(gòu)的變化影響了NR蛋白的生理功能。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S565.1;X503.23
【圖文】：

第一章 緒論光合作用的減弱，最終會導(dǎo)致產(chǎn)量降低[240]。在玉米的生長醇式丙酮酸羥化酶、丙酮酸磷酸二激酶和二磷酸核酮糖羧隨而來的就是這些酶活性的顯著下降[240]。自然界中，氮以2 、NH4+和有機(jī)氮(尿素和氨基酸)的形式存在。對大多數(shù)植物佳來源[241, 242]。在好氧土壤條件下，雖然NH4+也存在，但N[207]。

物 NR 結(jié)構(gòu)[207]。(A) NR 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)；(B) NR 帶狀結(jié)構(gòu)，藍(lán)色：FAD 結(jié)Heme-Fe 結(jié)構(gòu)域；黑色：MoCo 輔基；黃色：單體間的接觸。-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個復(fù)雜的金屬酶，是分子量為~110 kDa 亞基的同型二(四)聚體 和 NO3 結(jié)合位點[271-273]。大多數(shù)植物中 NR 利用用 NADH，有可利用 NADH，也可利用 NADPH[243, 273]。NR 在氮同化中是最重個原因，NR 活性被認(rèn)為是糧食產(chǎn)量和氮同化潛力的選擇標(biāo)準(zhǔn)[2輔酶因子(圖 1-2)，包括黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin adenine d素-鐵(Heme-Fe)和鉬輔酶因子(Molybdenum coenzyme，MoCo)，原中心，以保證電子傳遞鏈的完整[207, 269]。在酶的自然狀態(tài)下，F(xiàn)中心電勢分別為 272 mV、 60 mV 和 10 mV。每一個輔酶因子，他們都和蛋白質(zhì)某個特定的功能和結(jié)構(gòu)域相關(guān)。NR 經(jīng)部分水性，這與 NR 有獨立的不同功能區(qū)域結(jié)構(gòu)一致[207]。NR 結(jié)構(gòu)域域位于 N 斷，Heme-Fe 結(jié)構(gòu)域位于中部，F(xiàn)AD 結(jié)構(gòu)域位于 C 端

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2729304