本文主要研究了钙(Ca)、硅(Si)以及植物生长调节物质(生长素、细胞分裂素、腐胺)在植物(拟南芥、大豆、早熟禾)响应重金属镉(Cd)和铝(Al)胁迫下的生理生化变化以及调节机制。取得以下结果:1 Ca通过维持生长素平衡缓解Cd诱导的拟南芥根生长抑制Ca作为植物体内重要的信号分子,参与植物细胞新陈代谢和信号传导的各个过程,而且在响应许多生物和非生物胁迫中起重要作用。本研究发现,50μM Cd能显著地诱导拟南芥主根和侧根生长的抑制、侧根数目的增加和叶绿素含量的降低。Cd胁迫引起拟南芥根中H2O2的积累、MDA含量的增加以及死细胞数目的增加,从而引起氧化胁迫,及拟南芥根中抗氧化酶(SOD、CAT、APX和POD)活性显著提高。Cd胁迫也引起拟南芥根中生长素水平的降低,IAA氧化酶活性的增加,生长素合成相关基因的表达及其转运相关的PIN和AUX1蛋白的表达发生改变,而使生长素的平衡被打破,从而抑制拟南芥根生长。加入3 mM Ca则能明显地减少拟南芥根中Cd的积累,同时Ca通过降低H2O2、MDA含量等显著地抑制Cd胁迫引起的氧化胁迫。进一步研究表明Ca改变拟南芥根尖生长素水平、分布和合成代谢与转运相关基因的表达,从而使拟南芥根中生长素维持在一个有利于其生长的平衡状态。综上,Ca通过维持生长素平衡缓解Cd诱导的拟南芥根生长抑制。这为Ca缓解拟南芥根中Cd毒性提供了一个新的证据。2外源生长素和细胞分裂素缓解Cd胁迫下拟南芥地上部分的生长植物激素不仅参与植物生长和发育的各个过程,而且能够响应非生物胁迫,如重金属胁迫。本研究发现Cd胁迫能降低内源生长素和细胞分裂素水平,而外加生长素(α-萘乙酸,NAA)和细胞分裂素(6-BA)能减少拟南芥地上部分Cd积累,减轻Cd诱导的叶片变黄。外源NAA和6-BA不仅能显著地改变Cd胁迫下拟南芥幼苗中生长素和细胞分裂素的水平和分布,而且改变根中生长素的运输。同时,NAA和6-BA处理能增加Cd在根中的固定,使大量的Cd积累在根中。这些结果证明,外源生长素/细胞分裂素缓解拟南芥地上部分的Cd毒性是通过恢复Cd诱导的生长素和细胞分裂素的平衡增加Cd在根中的积累实现的。3 Si对Cd诱导的早熟禾生长抑制的缓解作用及调节机制Si在植物抵抗重金属毒性方面有重要作用,但是其在缓解Cd引起的早熟禾伤害的作用及机制还不清楚。我们的结果显示,100 μCd能显著地抑制早熟禾幼苗根和地上部分的生长。Cd胁迫引起早熟禾根中H2O2的积累和MDA含量的增加,从而引起氧化胁迫,早熟禾根中抗氧化酶SOD和CAT的活性显著提高,而APX和POD的活性被降低。Cd胁迫也引起早熟禾根中胁迫响应蛋白G6PDH活性的增加和G6PDH蛋白的上调表达。然而利用Na3PO4抑制G6PDH活性后,Cd胁迫下早熟禾幼苗根中H2O2含量显著增加,而且其生长几乎停止,表明G6PDH参与调节Cd诱导的氧化胁迫。加入1 mM Si则能明显地减少早熟禾幼苗中Cd的积累,同时Si通过降低H2O2、MDA含量和调节抗氧化酶活性等显著地抑制Cd引起的氧化胁迫。进一步研究表明,当G6PDH被抑制后,Si对Cd胁迫的缓解作用被消除,暗示Si通过增加G6PDH活性和G6PDH蛋白的表达起保护作用。综上,Si既通过减少Cd吸收和氧化胁迫缓解Cd对早熟禾生长的抑制,也通过诱导G6PDH的表达起作用。本研究结果为进一步研究Si对植物重金属胁迫的缓解作用提供了新的证据。4 Put通过影响细胞壁多糖增加大豆根Al毒性许多研究证明植物体中多胺代谢的改变响应各种非生物胁迫,特别是重金属胁迫。本文以大豆栽培品种晋豆19(JD19)和中黄30(ZH30)为研究材料,着重研究了在AlCl3胁迫下两种抗性不同的大豆品种中内源腐胺(putrescine,Put)是如何响应和耐受Al胁迫的。结果显示,50 μAl处理能显著抑制两种大豆的根生长,而且ZH30的根生长较JD19明显地被抑制,根尖Al积累也较多,MDA和H2O2含量以及果胶、半纤维素和木质素含量都较JD19高,但果胶甲酯化程度较低,说明ZH30较JD19对Al胁迫更加敏感。同时,发现ZH30的根中积累较多的内源Put。为研究Put在Al胁迫下大豆根中的作用,利用外源Put以及Put合成抑制剂D-arginine(Darg)等与Al共处理大豆幼苗。结果发现Put通过增加大豆根中果胶和半纤维素含量、降低果胶甲酯化程度等增加了细胞壁与Al3+的结合能力,使更多的Al积累在细胞壁中,从而加重了Al诱导的细胞膜损伤、MDA及大豆根生长抑制。为缓解Al毒性,植物通过增加抗氧化酶(SOD、CAT、APX和POD)活性以及抗氧化物质(GSH和Asc)的含量等来抵抗Al诱导的Put积累引起的氧化胁迫,进而促进大豆根生长。本研究结果为进一步探讨Put在Al胁迫中的调节作用及机制提供了新的证据。