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本文以分布广泛的高等水生植物紫背浮萍(Spirodela polyrrhiza)为实验材料,以稀土元素镨(Pr)和镱(Yb)为胁迫因子,在实验室条件下,运用植物生理生化、高效液相色谱、透射电镜、傅里叶变换红外光谱和Western-blot等技术,研究了稀土元素Pr和Yb对紫背浮萍的胁迫效应。(1)用含不同浓度Pr (0,20,40,60μmol·L-1)的1/10 Hongland营养液培养紫背浮萍20天,主要分析了Pr在紫背浮萍中的分布及其对叶片损伤、脂肪酸含量、抗氧化系统、光合系统、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、同工酶表达及叶绿体超微结构等产生的影响。研究结果表明：Pr主要与紫背浮萍的纤维素和果胶结合,各生物大分子结合的Pr含量多少依次为纤维素和果胶(65%-69%)>蛋白质(18%-25%)>多糖(6%-10%)>脂质(3%-4%)。随着稀土Pr浓度的增加,叶片损伤程度逐渐增大,可溶性蛋白含量逐渐下降,光合色素含量显著降低,叶绿素荧光参数Fv/Fm和Fv/Fo也呈现下降的趋势,同时油酸(18：1)、亚油酸(18：2)、亚麻酸(18：3)和花生四烯酸(20：4)等不饱和脂肪酸含量降低,MDA急剧积累,细胞死亡加重。稀土Pr处理对紫背浮萍的抗氧化系统和渗透调节物质含量产生影响,表现为超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性受到明显抑制,而过氧化物酶(POD)活性升高。同工酶酶谱分析显示,经稀土Pr处理,SOD、POD和APX谱带数均无明显变化,其中SOD和APX表达量减少,POD表达量上升。抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、游离氨基酸和可溶性糖含量随稀土Pr浓度增加而上升。透射电镜观察发现Pr对叶绿体结构造成明显的损伤,表现为叶绿体变形,嗜锇颗粒增多,基粒片层结构严重破坏,叶绿体被膜断裂。Western-blot分析显示,Pr处理使Dl和D2蛋白不断降解。从紫背浮萍的傅里叶变换红外光谱可以看出,外源稀土Pr处理后,1068、1649、2924和3421 cm-1处峰高均表现为上升的趋势,反映了糖类、氨基酸、羧酸等物质在稀土胁迫下常作为渗透调节物质出现。(2)用含不同浓度Yb (0,20,40,60μmol·L-1)的1/10 Hongland营养液培养紫背浮萍15天,分析了Yb在紫背浮萍中的分布及其对表观形态、矿质营养、膜系统、抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统(AsA-GSH)、光合系统、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、脱落酸(ABA)、渗透调节物质及同工酶表达等的影响。研究表明,随着外源Yb浓度的增加,Yb在紫背浮萍中的含量极显著上升,赋存形态分析结果显示Yb在紫背浮萍体内与纤维素和果胶结合最多(50%-53%),而与脂质结合最少(5%)。紫背浮萍在Yb处理下,叶片出现褪绿现象,色素含量下降,Fv/Fm和Fv/Fo降低,MDA含量和细胞死亡显著增加。Yb胁迫还干扰了紫背浮萍对矿质营养元素的吸收,主要表现为抑制了对K、Ca和Mg的吸收,促进了对Cu的吸收,而Zn、Fe和Mn的含量先上升后下降。经稀土Yb处理后,紫背浮萍不饱和脂肪酸含量明显下降,最高浓度Yb处理组的脂肪酸不饱和指数(IUFA)是对照组的68%。利用液相色谱／质谱联用仪测定ABA含量发现,随外源Yb浓度的增加,紫背浮萍中ABA含量呈先升后降的趋势,表明紫背浮萍对低浓度Yb胁迫表现出一定的适应性。稀土Yb处理使AsA-GSH循环中APX、GR和DHAR等关键酶活性下降,AsA和GSH含量升高。经外源Yb处理,抗氧化酶SOD和CAT活性下降,POD活性上升,脯氨酸和可溶性糖含量也增加。随稀土Yb浓度的增加,SOD和APX同工酶表达量下降,POD表达量上升。Western-blot分析结果显示,光系统II(PSII)反应中心蛋白Dl和D2随Yb浓度的增加逐渐降解。傅里叶变换红外光谱分析表明,稀土Yb处理未改变吸收峰峰形,但吸光度变化明显,说明稀土Yb没有改变植物体内的物质成分,而是对其含量产生影响。