【摘要】：金屬型植物是一類生長在重金屬污染區(qū)、對重金屬有抗性的特殊植物類群。該類植物在重金屬污染環(huán)境的生物修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用價值。金屬型植物生長的土壤一般比較貧瘠,氮、磷、有機質(zhì)等的含量比較低,保水性比較差,但重金屬含量卻很高。該類植物在如此嚴酷的土壤環(huán)境中能正常生長、發(fā)育和繁殖,可能有其自身的適應(yīng)性生理生化機制。雞眼草是近年鑒定的一種兼性金屬型植物。最近的研究表明,在重金屬污染條件下,金屬型植物的根系發(fā)達,根冠比大,而這種特征很可能是其適應(yīng)重金屬污染環(huán)境及利用環(huán)境中資源的基本對策。 本文比較研究了銅脅迫下大冶銅綠山古礦遺址抗銅礦種群和武漢大學(xué)珞珈山非抗銅種群雞眼草的營養(yǎng)生長差異及其光合作用和蔗糖代謝機制。同時克隆了礦區(qū)和非礦區(qū)種群的根系蔗糖代謝關(guān)鍵酶-酸性轉(zhuǎn)化酶基因。采用實時熒光定量PCR方法比較了銅脅迫下礦區(qū)和非礦區(qū)雞眼草根系酸性轉(zhuǎn)化酶的基因表達水平。最后利用畢赤酵母表達系統(tǒng)比較了礦區(qū)和非礦區(qū)雞眼草根系酸性轉(zhuǎn)化酶重組蛋白的酶學(xué)性質(zhì)。從實驗結(jié)果得出如下結(jié)論： (1)銅脅迫下礦區(qū)和非礦區(qū)雞眼草的生理響應(yīng)差異 銅處理之后,非礦區(qū)雞眼草的根生物量,地上生物量和根系結(jié)構(gòu)均受到明顯的抑制,但是礦區(qū)種群在銅處理之后這些生理指標(biāo)變化不明顯,甚至有所上升。結(jié)果表明,植物根系對銅脅迫更為敏感。 銅處理之后,非礦區(qū)種群雞眼草的凈光合速率受到明顯抑制,但是礦區(qū)種群的略有下降,并且非礦區(qū)種群雞眼草水分利用率略有上升,礦區(qū)種群雞眼草的水分利用顯著上升。銅脅迫下,礦區(qū)雞眼草的凈光合速率和水分利用率均高于非礦區(qū)種群的,這為植物在礦區(qū)高銅、水分易流失的高污染環(huán)境中的正常生長提供了物質(zhì)(包括礦質(zhì)、水分、有機物)和能量的保證,這也是其長期適應(yīng)性進化的結(jié)果。(2)銅脅迫下礦區(qū)和非礦區(qū)雞眼草植物蔗糖代謝機制差異 銅處理之后,礦區(qū)雞眼草根部的蔗糖含量顯著升高,非礦區(qū)雞眼草根部的蔗糖含量變化不大,并且礦區(qū)雞眼草根部的蔗糖含量顯著高于非礦區(qū)種群的,這樣有利于礦區(qū)雞眼草將更多的生物量分配至其根系。銅處理之后,礦區(qū)雞眼草根部細胞壁轉(zhuǎn)化酶和液泡轉(zhuǎn)化酶活性均顯著上升,但是非礦區(qū)雞眼草根部的細胞壁轉(zhuǎn)化酶和液泡轉(zhuǎn)化酶活性卻有所下降,礦區(qū)雞眼草根部的細胞壁轉(zhuǎn)化酶和液泡轉(zhuǎn)化酶活性高于非礦區(qū)的。礦區(qū)雞眼草根部細胞壁轉(zhuǎn)化酶活性和液泡轉(zhuǎn)化酶活性的增強促進了蔗糖從源葉到根的轉(zhuǎn)運,而非礦區(qū)雞眼草兩個轉(zhuǎn)化酶活性的下降限制了蔗糖的轉(zhuǎn)運,使蔗糖積累在源葉中。 (3)礦區(qū)及非礦區(qū)雞眼草根部酸性轉(zhuǎn)化酶基因序列差異 通過對兩個種群雞眼草根部酸性轉(zhuǎn)化酶基因的全長序列克隆和測序,我們發(fā)現(xiàn)雞眼草非礦區(qū)和礦區(qū)種群的液泡轉(zhuǎn)化酶基因序列有99.53%的一致性,雞眼草非礦區(qū)和礦區(qū)種群的細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因序列有98.76%的一致性序列。雞眼草非礦區(qū)和礦區(qū)種群的液泡轉(zhuǎn)化酶氨基酸序列有2個不同,雞眼草非礦區(qū)和礦區(qū)種群的細胞壁轉(zhuǎn)化酶氨基酸序列有3個不同。氨基酸序列的不同可能導(dǎo)致酶性質(zhì)有所不同。 (4)銅脅迫下礦區(qū)及非礦區(qū)雞眼草根部酸性轉(zhuǎn)化酶基因的表達水平差異 銅處理后,礦區(qū)雞眼草根中的液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因表達量顯著上升,非礦區(qū)的有所下降,并且礦區(qū)雞眼草根中的液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因表達量顯著高于非礦區(qū)的。雞眼草根中的液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因表達量和它們的酶活性存在正相關(guān)。銅脅迫下礦區(qū)及非礦區(qū)種群雞眼草根部酸性轉(zhuǎn)化酶蛋白活性差異與酸性轉(zhuǎn)化酶基因轉(zhuǎn)錄表達量不同存在一定關(guān)系。(5)兩個種群雞眼草根部酸性轉(zhuǎn)化酶基因的畢赤酵母分泌表達 將兩個種群雞眼草酸性轉(zhuǎn)化酶成熟肽的編碼序列連接到畢赤酵母穿梭載體pPICZa A,構(gòu)建了重組表達載體pPICZaeNCWinv, pPICZaeCWinv, pPICZaeNCVinv和pPICZaeCVinV。通過電轉(zhuǎn)化法,成功轉(zhuǎn)入酵母宿主細胞X33,并在酵母宿主細胞中成功分泌表達,獲得了四種具有生物活性的酸性轉(zhuǎn)化酶。實驗結(jié)果證明兩個種群的液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞壁轉(zhuǎn)化酶的最適pH和溫度一致,且兩個種群液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞壁轉(zhuǎn)化酶的Km和Vmax值沒有顯著差異,說明兩個種群的酸性轉(zhuǎn)化酶的酶學(xué)性質(zhì)并無本質(zhì)差異。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X173

【參考文獻】

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本文編號：2803585