氧苯酮伤害黄瓜植株的生理机制研究

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氧苯酮(Oxybenzone),简称OBZ或BP-3,作为一种紫外线的吸收剂,被广泛地添加在化学防晒霜中。目前,氧苯酮对生态系统造成的伤害作用已经受到了广泛关注,已有大量的研究证明氧苯酮对水生浮游植物、珊瑚、动物与人体有毒。本试验以‘津优35号’黄瓜为试材,首次通过气体交换技术、叶绿素荧光技术、820nm反射技术、电子传递测定等技术探究了氧苯酮对于高等植物黄瓜叶片光合与呼吸作用的抑制机理以及不同浓度氧苯酮的抑制效应。主要研究结果如下:1.高等植物(黄瓜)的根系可以吸收土壤中的固体氧苯酮颗粒,进而对黄瓜植株的光合速率、气孔导度、呼吸速率、羧化效率、RuBP最大再生速率、叶绿素含量等产生明显的抑制作用,最终表现为抑制黄瓜植株的正常生长。2.氧苯酮可以直接抑制黄瓜叶片叶绿体的光合电子传递(PET),低至0.228 mg·L-1(相当于1μM)的氧苯酮悬浮液就可以对光合电子传递产生明显抑制,在较高的氧苯酮悬浮液(45.6 mg·L-1)处理下,黄瓜的光合电子传递几乎被完全抑制。叶绿素荧光和820nm反射曲线的联合分析表明,氧苯酮在光合电子传递链中严重抑制了电子从QA向下游的电子传递,限制了光系统I(PSI)反应中心的还原。对于叶绿体中PSI和光系统II(PSII)的光合电子传递的分段测定表明,氧苯酮对PSII和PSI的光合电子传递均无单独抑制作用,但对从PSII到PSI的整个线性电子传递链有严重的抑制作用。基于电子传递原理,我们证实了氧苯酮对光合电子传递的抑制是由于氧苯酮对于PSI和PSII之间质体醌(PQs)和/或Cyt b6f复合体的抑制所致。氧苯酮对于黄瓜光合电子传递的抑制,导致光反应产生的ATP与NADPH不足,无法为暗反应提供充足的同化力,限制了暗反应(卡尔文-本森循环)速率以及整个光合速率。3.氧苯酮也可以直接抑制黄瓜叶片线粒体的呼吸电子传递(RET),低至0.228mg·L-1(相当于1μM)的氧苯酮悬浮液就可以对呼吸电子传递产生明显抑制。氧苯酮对呼吸电子传递的抑制进一步限制了ATP的生成,无法给细胞内一系列生命活动和各种代谢反应提供足够的能量,限制了植物体合成诸如蛋白质和核酸等重要有机大分子的过程。4.氧苯酮对于植株光合与呼吸作用的共同抑制都会造成植物体内过剩激发能大量积累、进而导致活性氧(ROS)的大量产生。ROS的积累可以破坏细胞中的蛋白质、DNA、脂质以及细胞膜的结构与功能,导致各种代谢过程紊乱。干扰植物体细胞内的正常代谢,甚至会导致植物体死亡。在光下,由于光合电子传递的抑制,植物体内活性氧含量大幅度上升,这两者共同导致了植物光抑制现象的产生,因此,在光下,氧苯酮处理会进一步加重对植物的伤害。5.氧苯酮对于光合与呼吸电子传递的抑制是其对于植物体的直接伤害,而对于这两者的抑制导致的能量产生不足以及活性氧的过量积累是氧苯酮对于植物体的次生伤害。因此,氧苯酮作为农业的潜在污染,其对于农业栽培植物的伤害应该引起人们的广泛重视,缓解氧苯酮污染的有效措施亟待发现。
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