微囊藻毒素-LR在水稻中的累积降解及其对光合作用的影响机制

In recent years, cyanobacterial blooming has occurred frequently and seriously in many lakes in China, causing a large number of blue-green alage toxins entering the crop field along with the agricultural irrigation water. So far pepole know few about how higher plants absorb these toxins and the resulting toxicity mechanisms. We choose the rice (Oryza sativa L. japonica) as testing organisms and carry out the following studies: 1) to investigate the long-term effects of various concentrations of microcystin-LR (MC-LR) on the growth and development, chlorophyll contents, net photosynthetic rate and respiratory rate, chlorophyll fluorescence parameters and the chloroplast ultrastructure of rice during the vegetative growth stage; 2) to determine the rice growth and metabolization-related enzymes activities and the key antioxidant/detoxifying enzymes activities using UV-Vis method and other ecotoxicological detection methods; 3) to qualitatively and quantitatively analyze the MC-LR contents in the rice root and leaf tissues using ELISA and LC-MS technology; 4) to screen the differentially expressed functional genes in rice leaves after MC-LR treatment using gene chip and real-time quantitative PCR method, reveal the molecular mechanisms of interference of MC-LR on rice photosynthesis and find out potential sensitive biomarkers. This study will be of great significance in elucidation of the function characteristics of microcystin on the photosynthesis of terrestrial plants and the related toxicity mechanisms.

近年来，我国蓝藻水华暴发日趋广泛且严重，大量蓝藻毒素随着灌溉用水进入农田，目前对该过程中高等植物对蓝藻毒素的吸收及由此引发的多种毒性效应的机制尚未明确。本项目以水稻为受试生物，开展以下研究：1)不同浓度MC-LR长期胁迫对营养生长期水稻生长发育、叶绿素含量、净光合速率和呼吸速率、叶绿素荧光特性等光合生理生态特性及叶绿体超微结构影响；2)采用紫外-可见分光光度方法和其他生态毒理学检测方法研究水稻营养生长关键酶和抗氧化酶解毒酶活性变化；3)采用ELISA和LC-MS等技术定性、定量分析水稻根、叶组织中MC-LR含量；4)应用基因芯片技术和实时定量荧光PCR等技术，筛选MC-LR处理后水稻相关差异表达基因，探明MC-LR干扰水稻光合作用的分子机制及可利用的敏感生物标志物。该研究对阐明微囊藻毒素对陆生高等植物的光合作用影响特点和作用机制具有重要意义。

我国蓝藻水华暴发日趋广泛且严重，大量蓝藻毒素随着灌溉用水进入农田，目前对该过程中高等植物对蓝藻毒素的吸收及由此引发的多种毒性效应的机制尚未明确。本项目以水稻为受试生物，试图阐明微囊藻毒素对陆生高等植物的光合作用影响特点和作用机制。主要研究成果如下：. 1）纯MC-LR和铜绿微囊藻裂解液对营养生长期水稻光合特性指标和生理生化指标影响.不同浓度纯MC-LR能抑制水稻生长发育，且在较低浓度下植株的生长指标即出现显著响应。此外，毒素对植物的营养学指标、生理生化表现以及光合作用也造成了一定的影响，在低浓度时，MC-LR对净光合作用速率存在促进作用，但在高浓度（100-500 μg/L）时体现在抑制作用显，而高浓度的抑制作用还体现在叶绿素的含量下降和蒸腾速率的降低，这些都严重影响水稻的生长。此外，较高浓度的MC-LR能对水稻营养生长和应激反应相关指标造成抑制，100 μg/L的MC-LR处理能对水稻叶片的超显微结构造成损伤。众多指标中，GSH含量、MDA含量和蒸腾速率等对低浓度MC-LR胁迫特别敏感。.蓝藻裂解稀释液对水稻毒性效应特点存在显著差异，含有较高浓度毒素的裂解液对水稻营养学和生理生化指标，以及光合作用等更多地体现出了刺激和促进作用，仅对植物根长、GSH含量和碱性磷酸酶活性表现出了抑制作用，后两者与生物体对微囊藻毒素解毒以及致毒特点是显著相关的。该研究表明裂解液中存在的其他组分可能对其生物效应影响较大。. 2）水稻叶片和根系对微囊藻毒素的吸收和累积. 根部吸收毒素含量高于叶片中毒素累积含量，总体上不同浓度胁迫下毒素含量经历了一个先上升后下降的过程，在MC-LR含量大于10 μg/L 后，组织中的MC-LR随暴露时间延长有一个清除的过程，这与毒素跟植株体内GSH共轭反应是密切相关的。. 3）水稻对微囊藻毒素的解毒响应. 研究表明，GSH含量经历了低浓度诱导、高浓度抑制的过程，且动态暴露也表明，GSH含量可以随着时间出现诱导-清除的过程，谷胱甘肽能帮助保持正常的免疫系统的功能，并具有抗氧化作用和耦合解毒作用。因此，本研究中高浓度组GSH含量下降很可能是其与MC-LR形成了共轭物排出细胞所致；此外，氧化应激导致的GSH向GSSG转化的趋势同样也会造成GSH含量的下降；浓度的下降还有可能与植物细胞损伤有关。. 4）微囊藻毒素胁迫下水稻叶片的重要差异下调表达基因功能