氧化铜纳米颗粒对不同生态型拟南芥的毒性效应及致毒机制
随着纳米技术的快速发展，纳米材料已广泛地应用于生产、生活的各个领域。这些纳米产品在生产、运输、使用的过程中，其产生的纳米颗粒(NPs)不可避免的会通过各种途径进入到环境中，对生态系统以及人体健康带来潜在的危害。近年来已有大量文献证明了NPs对微生物、藻类、动物、植物存在毒性效应，但对植物生长周期不同阶段的毒性效应及其致毒机制的研究还很少。而植物作为生态系统的生产者，对食物链的传递及生态系统的稳定都具有重要意义。本研究以模式植物拟南芥为供试植物，选择三种不同的生态型，研究了CuO NPs对不同生态型拟南芥的毒性效应，探讨其对拟南芥基因表达的影响，系统分析CuONPs的分子致毒机制。主要研究结果概括如下: 1.不同浓度CuO NPs对三种生态型拟南芥种子萌发均没有显著影响，但能够抑制拟南芥幼苗的生长，其地下部和地上部鲜重的增加量随着处理时间的延长而逐渐减少，在暴露96 h时，地下部和地上部的鲜重和干重都出现显著性降低，且浓度越高，对生长的抑制效应越强;CuO NPs能够导致拟南芥根系直径变粗，根尖数减少，通过扫描电镜观察发现50 mg/L CuO NPs暴露，植物根系发生肿胀，侧根和根毛减少;在拟南芥开花期，CuO NPs降低了花粉的萌发率，并且导致花粉出现畸形;收获的种子质量和活力也受到抑制，其千粒重降低，萌发率下降，种子萌发后幼根伸长降低。用原子吸收检测拟南芥的不同器官，发现在根、叶、花及后代收获的种子中都发现了Cu的积累，且CuO NPs暴露下各器官Cu的含量要远高于Cu2+处理。 2.通过比较CuO NPs、Cu2+及CuO BPs暴露下，拟南芥的毒性效应发现，Cu2+和CuO BPs对拟南芥生长各个阶段没有显著性的抑制效应，说明造成植物毒性的主要原因是纳米效应。综合拟南芥生长各指标分析得出，三种生态型拟南芥列 CuO NPs毒性效应的顺序是Col-0＞Bay-0≈Ws-2。 3.CuO NPs暴露下，拟南芥Col-0和Bay-0生态型发生了基因的差异表达，分别有3个阳性差异表达的片段，而Ws-2生态型没有阳性差异表达的基因片段;分析差异表达的基因片段功能及表达量发现，Col-0生态型3个差异基因分别为:C-1与生长素信号泛素蛋白的同源性高达93％，是下调表达的基因;C-2与DNA错配修复蛋白的同源性为73％，是上调表达的基因;C-3与Fe-SOD的同源性为94％，是上调表达的基因。选择同源性高的两个基因进一步深入研究 4.综合拟南芥根系受抑制情况与生长素信号的功能，选择调控侧根和根毛生长的主要基因AXR2/1AA7、AXR3/IAA17、SLR1/IAA14进行荧光定量分析发现，CuO NPs暴露下，AXR2/IAA7、AXR3/IAA17、SLR1/IAA14这三个基因的表达量均出现上升的趋势，同时IAA含量下降，刺激植物反馈调节，体内IAA氧化酶活性逐渐上升。 5.Fe-SOD基因的上调表达，说明CuO NPs暴露导致拟南芥叶绿体产生氧化胁迫，植物自身启动了反馈调节以抵御外界胁迫。通过测定发现拟南芥叶绿体内H2O2、OH·、O2-·含量上升，抗氧化酶SOD、CAT及APX的活性增强，提高细胞的防御能力。ROS在叶绿体中的产生的主要位点是光系统Ⅱ电子传递链的前端，CuO NPs打断了电子由QA向QB、由PQ向Cty6/f中心的传递，电子的泄露导致了活性氧的产生。 6.CuO NPs能够导致三种生态型拟南芥均发生氧化胁迫，叶绿体是Col-0生态型氧化胁迫的主要发生部位，而对于Bay-0和Ws-2两种生态型，叶绿体中产生的ROS对总ROS的贡献率较小，因此，叶绿体并不是这两种生态型ROS产生的主要部位。
环境污染;氧化铜纳米颗粒;拟南芥;毒性效应;致毒机制;基因表达
中国海洋大学
博士
环境科学
邢宝山
2014
中文
X503.23
120
2016-03-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）