污染生态控制原理与方法精选PPT.ppt
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1、关于污染生态控制原理与方法第1页,讲稿共78张,创作于星期二v1)植物抗氧化酶系统和非酶系统与环境污染v植物在生长发育过程中受到各种不良环境的影响,打破正常情况下的细胞内活性氧平衡,会导致细胞产生大量活性氧:H2O2、OH、1O2、O2-、RO、ROO 等,生物体经过长期进化形成了完善的酶类和非酶类抗氧化保护系统来清除活性氧。v非酶类抗氧化物质:胡萝卜素、维生素A、维生素E、维生素C、谷胱甘肽、黄酮类化合物,以及一些渗透调节物质脯氨酸,甘露醇等。维生素E可抑制类脂过氧化,清除O2-、RO、ROO,焠灭1O2。甘露醇对O2-和OH的产生有抑制作用。第2页,讲稿共78张,创作于星期二v植物抗氧化保
2、护酶类有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)等。SOD处于清除活性氧的核心地位;大气污染物导致谷胱甘肽过氧化物酶活性显著增加;APX和GR是植物形成抗坏血酸和谷胱甘肽的关键酶,直接清除H2O2;一些辅酶在抗氧化过程中也起到了重要作用,包括NADPH-醌氧化还原酶和氧化型谷胱甘肽(GSSG)-还原酶。第3页,讲稿共78张,创作于星期二v植物细胞内的活性氧的产生和清除处于动态平衡,当活性氧累积过多时,它们与蛋白质、核酸和脂类发生作用,引起
3、蛋白质失活和降解、DNA链断裂和细胞膜膜脂过氧化,导致细胞结构和功能的破坏。第4页,讲稿共78张,创作于星期二v2)环境污染与其他酶系统v污染物对植物的毒害作用还表现在对其它酶活性和结构的影响:v一些污染物可以抑制酶活性。氟化物抑制烯醇化酶,是糖酵解过程受阻;臭氧导致蛋白质结构中的羧基氧化,是含羧基的酶如多聚糖合成酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等因羧基氧化而失活。v污染物还可以抑制植物体内的某些生化反应。Cd与叶绿素合成途径中的多种酶的SH发生反应,阻碍叶绿素合成,使小麦叶片泛黄。第5页,讲稿共78张,创作于星期二v3)植物逆境蛋白v紫外线诱导产生紫外诱导蛋白;v化学试剂诱导特殊蛋白;v重金
4、属诱导金属硫蛋白;第6页,讲稿共78张,创作于星期二v4)环境污染对光合作用影响机理v污染物对光合作用的影响主要为:抑制光合酶的活性(如SO2)降低光电子传递链效率(如 SO2、Pb、Cd)影响叶绿素的合成(如Cd)第7页,讲稿共78张,创作于星期二第8页,讲稿共78张,创作于星期二v5)呼吸作用与环境污染v线粒体内呼吸酶活性位点抑制。Mn3+与Fe3+有相似结构,可以替换呼吸酶活性中心的Fe3+使呼吸酶失活;v对功能酶活性基团及辅基直接作用。酶的活性基团SH、COOH、NH2等及其辅基也是污染物的作用靶体,使功能酶活性受到影响。NO和CO均可影响呼吸酶的活性基团或辅基,使酶活性下降。第9页,
5、讲稿共78张,创作于星期二v线粒体透射电镜图像第10页,讲稿共78张,创作于星期二v6)植物P450与环境污染v植 物 细 胞 色 素 P450(cytochromeP450或CYP450,简称CYP450)是分子量40-60kDa,结构类似的一类血红素硫铁蛋白。具有代谢解毒和增毒的双重性,既是外来化合物的代谢转化中心,同时又是外来化合物的靶分子。在植物抵御污染物侵害方面具有重要作用。已克隆90多个P450基因。第11页,讲稿共78张,创作于星期二第12页,讲稿共78张,创作于星期二vP450对污染物的代谢作用:氧化脱烷基:棉花对灭草隆(Monuron,一种除草剂)连续脱去两个N甲基二生成尿素
6、。芳 环 的 羟 基 化:玉 米 对 苯 达 松(Bentazon)和Primisulfuron除草剂的芳基羟基化。脂肪族侧链的羟基化:小麦和玉米对绿麦隆(Chlorotoluron,除草剂)的甲基羟化。硫氧化:高粱中P450将除草剂二榛农的P-S脱硫氧化为P-O类似物。第13页,讲稿共78张,创作于星期二v7)植物化学成分与环境污染v可溶性糖含量增加。v种子氨基酸含量会受污染物影响。v七氯(杀虫剂)可增加谷物和豆类体内某些金属离子的含量。第14页,讲稿共78张,创作于星期二v8)环境污染分子反应和重金属污染与相关基因表达:有机汞裂解酶基因(merB)汞离子还原酶基因(merA)金属硫蛋白基因
7、(Metallothioneins,MT)植物螯合素合成酶基因(Phytochelatin,PCS)铁离子还原酶基因(FRE)离子转运蛋白基因(ZIP和ITR1)汞转运蛋白基因(merT)第15页,讲稿共78张,创作于星期二v大多数重金属的反应性对植物细胞会造成致命伤害,有限的溶解性会限制其在植物体根茎叶等各部位进行有效分配,有机酸、氨基酸、植物螯合素(配合素)和金属硫蛋白等离子螯合剂对重金属离子的螯合作用能够缓冲细胞质中金属离子的浓度,增加其溶解性,从而不同程度地提高了植物对重金属的抗性及其在植物体内的运输效率。第16页,讲稿共78张,创作于星期二有机汞裂解酶基因(merB)v在许多有抗汞性
8、的革兰氏阴性菌中,存在一条汞转化的通路,其中有两个关键性的酶:有机汞裂解酶(merB 编码),将有机汞转化为Hg2+,汞离子还原酶(merA编码),),将Hg2+还原为金属汞。merB编码的酶催化甲基汞降解。Bizily(1999)用merB基因转化拟南芥,所得转化植株对甲基汞及其他有机汞的抗性显著增强。第17页,讲稿共78张,创作于星期二汞离子还原酶基因(merA)vmerA编码汞还原酶Hg,()reductase,HR,催化Hg2+还原为金属汞。Meagher&Rugh(1996)把merA基因转入拟南芥,结果表明,转化植株对Hg2+的抗性及HgO的挥发量都明显高于野生植株。第18页,讲稿
9、共78张,创作于星期二v金属硫蛋白基因(Metallothioneins,MT)金属硫蛋白(Metallothioneins,MTs)是自然界中普遍存在的低分子量、富含半胱氨酸的多肽(Kagi&Schaffer,1988)。目前所发现的MTs分为3 类。MT-为哺乳动物的金属硫蛋白通常由61个氨基酸残基组成,分子量为67 kD,所含20 个Cys 残基分布相对固定。这种一级结构很相似的金属硫蛋白称为MT-。MT-亦为富含半胱氨酸的低分子量蛋白,但其Cys 残基的分布与MT-不尽相同。MT-和MT-都是由基因直接转录合成。MT-是 一 类 结 构 特 殊 的 多 肽,亦 称 为 植 物 螯 合
10、肽(Phytochelatin,PC),结构多为(-Glu-Cys)n-Gly,n=211。PC 不是由基因直接编码,必须在PC 合成酶的催化下完成(麻密等,2000)。第19页,讲稿共78张,创作于星期二Nathalie 等(2001)研究表明,MTs能够通过硫基与金属离子结合,从而降低重金属离子的毒性,它在植物对Zn2+和Cu2+的解毒过程中起着重要作用。小麦Ec蛋白是植物中最先分离得到纯化蛋白质的MT-(Lane et al.,1987),其Cys 残基的分布主要为Cys-X-Cys 形式,具有结合金属离子的能力。尽管已经证实MT基因存在于许多种植物中,但大多数植物对重金属都不表现耐性,
11、它们在植物中的表达产物和功能仍然不清楚。对于MTs是否是植物高耐重金属的主要机制仍不明确。第20页,讲稿共78张,创作于星期二v植物螯合素合成酶基因(Phytochelatin,PCs)vGrill 等(1985)在Cd 胁迫蛇根木(Rauvolfia serpentina)的植物细胞中分离得到植物螯合肽(Phytochelatin,PC)。vPC 是一种由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸组成的含巯基螯合多肽,分子量一般为14 kD,结构多为(-Glu-Cys)n-Gly,n=211。由于其巯基含量高,对重金属的亲和力大,能够螯合多种重金属离子,使重金属离子失去活性。第21页,讲稿共78张,创作于星期
12、二vGrill 等(1987)报道,在10 多种高等植物中Cd2+诱导PC 的作用最强,其它金属依次为:Pb2+Zn2+Sb3+Ag+Hg2+As5-Cu2+Sn2+Au3+Bi3+vKneer 和Zenk(1992)发现,在Cd2+胁迫下耐Cd 植物体内Cd2+-PC 含量比对照高101000 倍。Zenk(1996)的进一步研究表明,重金属离子经细胞壁和细胞膜进入细胞质,激活PC 合酶,在胞质内以GSH为底物酶促合成PC,PC 螯合重金属离子,形成重金属-PC 螯合物,从而使重金属离子失去活性。第22页,讲稿共78张,创作于星期二v目前为止,在蛇根木(Rauwolfia serpentin
13、a)、烟叶(Nicotiana tabacum)、毛曼陀罗(Datura innoxia)、菜豆、番茄(Lycopersicon esculentum)、甘蓝(Brassica oleracea)、玉米和小麦等植物中均发现PC 的存在。第23页,讲稿共78张,创作于星期二v铁离子还原酶基因(FRE)v三价铁对植物有较强的毒性,拟南芥是铁高效利用植物,能通过还原机制转化并吸收土壤中的三价铁而加以利用。Samuelsen等(1998)将从酵母中分离出来的两个铁离子还原酶基因FRE1、FRE2转入烟草,分别在正常供铁和贫铁条件下研究转化植株的酶活性及铁的累积情况。结果表明,在贫铁条件下,FRE2和F
14、RE1FRE2的转基因植株叶片中的铁离子浓度高于FRE1和对照植株;在供铁条件下,得到了相同结果,并且转基因植株叶片中三价铁离子还原量比对照高4倍。第24页,讲稿共78张,创作于星期二v离子转运蛋白基因(ZIP和ITR1)vZIP 家族(ZRT,IRT-like protein)和CDF 家族(Cation diffusion facilitator)是研究较多的基因家族。Persans等(2001)报道从镍超积累植物Thlaspi goesingense 中分离到的CDF 家族成员TgMTP1 属于液泡转运蛋白基因。v锌转运蛋白(zinctransorter,ZIP)是一类能够转运Zn2+、
15、Fe2+、Cu2+等离子的跨膜蛋白,植物体内锌含量不足时诱导该蛋白基因在根部表达,而基因突变使该蛋白不能合成时,植物表现为Zn2+缺乏症状,说明这类蛋白与Zn2+吸收有直接关系。v铁离子转运蛋白(irontransoter1,ITR1),能高效的、地转运Fe2+、Cd2+等离子。第25页,讲稿共78张,创作于星期二vPence 等(2000)在超积累植物Thlaspi caerulescens 中克隆到了ZNT1 基因,属于ZIP 基因家族并与拟南芥(Arabidopsis)中的ZIP4 高度同源。在缺Zn 和Zn 供应充足的条件下,ZNT1 可以在Thlaspi caerulescens 的
16、根系和叶片中高量表达;而对于非超积累植物Thlaspi arvense,ZNT1 只在缺Zn 条件下表达,Zn 供应充足时,表达明显受到抑制。ZNT1的高量表达可见,ZNT1 在Thlaspi caerulescens 与Zn 的有效性无关,这可能是它超吸收Zn 的主要原因。第26页,讲稿共78张,创作于星期二v另一类与金属离子吸收有关的蛋白是Nramp 家族(Natural resistance associated macrophage proteins)。植物中的研究主要集中在水稻Oryza sativa和拟南芥。例如Abdelmajid 等(1997)从水稻(Oryza sativa)
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