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金属离子是土壤污染和水污染中均存在的一类污染物,多数金属离子低浓度下对植物的生长发育具有促进作用,但随着金属离子浓度逐渐升高其对植物的毒性作用也随之增强。近年来由于工业的发展导致自然环境中金属离子浓度越来越高,而酸雨的频发更使得自然水域和土壤中pH值降低,导致大量金属离子以较高的活性形态存在,增加了金属离子的毒害作用。气孔是植物与外界环境进行物质交换的主要通道。组成气孔的保卫细胞是一类分化程度很高的细胞,对外界环境中的各种因素例如C02、光、温度、干旱、病原物侵染、激素等多种刺激非常敏感。我们用蚕豆气孔保卫细胞对四种金属离子A13+、Cr6+、Cu2+、Hg2+的植物毒性进行了研究,发现在国家污水排放标准阈值浓度以下,Al3+、Cr6+、Hg2+对蚕豆保卫细胞的活性没有显著影响,但却使蚕豆叶面气孔开度显著减小,证明其对植物具有一定的毒性作用。而Cu2+在污水排放阈值浓度以下就可使蚕豆保卫细胞死亡率显著升高,而且四种金属离子的毒性作用均随着其浓度的增大而逐渐升高。之后,我们检测了几种金属离子混合物的植物毒性,发现金属离子混合后其复合毒性均大于单一金属离子。为了探讨金属对保卫细胞毒性作用的机制,首先在金属离子单独处理组中加入了AsA,检测细胞活性,发现细胞死亡率较金属离子单独处理组显著降低,证明在该过程中有ROS的参与;在蚕豆的开度试验中发现,加入AsA和LaC13可以缓解金属离子所诱导的蚕豆气孔开度减小,证明在金属离子诱导的蚕豆气孔开度减小过程中有ROS和Ca2+共同作用。之后我们根据实验室已有的结论和本实验的内容选择了A13+进一步探究金属离子胁迫下保卫细胞内的信号转导途径。研究发现在A13+致细胞死亡过程中有细胞程序性死亡过程,且此过程中有NO的参与,并且降低NO在胞内的含量,会使得A13+胁迫导致的保卫细胞核异常率降低。在A13+诱导的细胞死亡过程中使用ROS、Ca2+、NO的抑制剂后均可显著降低细胞死亡率,证明三者在此过程中发挥了信号分子的作用,在对胞内ROS、Ca2+、NO含量的检测中发现,ROS和NO具有相互作用,二者之一受到抑制后,另一信号分子含量也会随之降低,而且两者对于Ca2+信号都起到调控作用,但Ca2+含量的变化并不会影响ROS和NO的含量。进一步研究发现A13+诱导的蚕豆保卫细胞程序性死亡过程中有cGMP和MAPK两条途径,且对这两条途径的依赖度非常高。