重金属镉（Cd）是目前威胁人类生产和生活安全的环境污染物之一，镉胁迫显著影响植物生长和发育、甚至导致植物死亡。而植物的细胞壁结构作为抵御镉积累的第一道屏障，细胞壁具有镉沉淀作用，可以有效阻止过量镉离子进入细胞内造成细胞损伤，木质素是细胞壁组成成分，很可能参与到细胞壁对镉的沉淀反应中。研究表明，富氢水（hydrogen-rich water, HRW）预处理能显著缓解苜蓿幼苗镉毒性症状并减少对镉的吸收，但相关机理仍待进一步研究。本实验通过富氢水和镉处理，采用盐酸间苯三酚染色法和镉离子的荧光探针染色法，通过显微镜对紫花苜蓿 （Medicago sativa）根部木质素合成和镉离子积累的影响进行检验，同时利用RT-PCR方法探查木质素合成相关基因的表达变化；结合苜蓿耐镉性表型，研究富氢水提高镉耐性过程中木质素的作用。采用生物信息学方法对木质素合成途径中相关基因的结构和启动子序列功能元件进行分析。为氢气在缓解重金属胁迫的作用及其机制的研究提供参考，并为紫花苜蓿在重金属胁迫下的实践生产方法的改良提供理论支持。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
引言： 2
1.材料与方法 3
1.1材料 3
1.1.1 植物材料 3
1.1.2 富氢水 3
1.1.3主要仪器 3
1.2 实验方法 4
1.2.1植物材料的培养 4
1.2.2植物材料的处理 4
1.2.3紫花苜蓿幼苗根部木质素含量的观察 4
1.2.4紫花苜蓿幼苗根部Cd积累的观察 4
1.2.5木质素合成相关基因内含子外显子结构分析 5
1.2.6木质素合成相关基因启动子序列顺式作用元件分析 5
1.2.7木质素合成相关基因表达量的测定 5
2.结果与分析 7
2.1 HRW和Cd对紫花苜蓿幼苗根部木质素含量的影响 7
2.2 HRW和Cd对紫花苜蓿根部Cd吸收的影响 8
2.3 木质素合成相关基因的内含子 外显子结构 8
2.4 木质素合成相关基因的启动子 *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: ^351916072# 
序列顺式作用元件分析 13
2.5 HRW和Cd对紫花苜蓿木质素合成相关基因表达的影响 14
3.讨论与总结 17
3.1 HRW提高了紫花苜蓿Cd耐性 20
3.2 木质素生物合成途径中相关基因的结构分析 20
3.3 Cd和HRW处理下紫花苜蓿木质素合成相关基因表达的分析 21
致谢 22
参考文献 23
附录：木质素合成途径相关基因的定量PCR引物序列表 25
镉和富氢水对紫花苜蓿根部木质素合成及相关基因表达的影响
引言
快速的城市化和工业化导致了重金属的富集，已成为我国土壤面临着的前所未有的挑战[1]。土壤重金属污染对植物的影响巨大，植物以土壤为生长基质，当重金属在植物体内积累超过一定阈值时，就会产生毒害作用，严重影响植物的生长发育、光合作用等[23]。镉（cadmium，Cd）是一种毒性较为显著的重金属，具有难降解、移动性强、更易被植物吸收等特点[4]。含有Cd的污染物通过多种途径进入土壤，植物根系被动从土壤中吸收Cd离子，并通过食物链进入人体内。镉化合物不易被肠道吸收，积存于肝脏或肾脏造成伤害，还可导致骨质疏松和软化[5]。
植物遭遇Cd胁迫时会出现发芽率降低，发芽势以及活力指数受抑制的现象。在植物生长的过程中，Cd胁迫的存在将会抑制幼苗的生长，使株高、干物质重量降低，阻碍植物的正常生长。高浓度的镉离子对植物种子的萌发和植物的生长发育具有明显的抑制作用[68]。目前许多研究认为，低浓度镉离子的存在，能够提高植物种子的发芽率、活力指数和发芽指数，对植物的生长发育具有一定促进作用[9]。然而也有研究认为，环境中镉离子的浓度无论高低，都会抑制植物的种子萌发和生长发育[10]。镉离子进入植物体后，大多数积累在根部，主要破坏细胞内染色体和核仁。镉在苜蓿幼苗中大量积累，破坏染色体和核仁，这可能是抑制苜蓿幼苗根伸长的主要原因[11]。
植物细胞壁是一类主要由多糖、蛋白质和木质素组成的复杂而有序的细胞结构，并且在一个细胞的生命活动中始终保持着动态变化，为植物提供结构和机械的支持，也是植物抵御生物或非生物胁迫的第一道屏障[12]。植物细胞壁具有金属沉淀作用，可以有效阻止过量的金属离子进入细胞内造成细胞损伤[13]。植物根部吸收的Cd绝大多数沉淀于细胞壁，并以离子形式与细胞壁的组成成分（纤维素、果胶、蛋白质、脂质等）结合[14]。细胞壁对Cd的沉淀效应可能是植物体耐Cd的一种重要途径。木质素是构成植物细胞壁的成分之一，其主要功能是维持细胞壁的机械强度。另外木质素对土壤中的金属离子有较强的亲和力[15]，木质素可能直接参与到细胞壁对Cd的沉淀反应的过程中。
最早在1975年的动物研究中显示，氢气（hydrogen，H2）对动物皮肤恶性肿瘤起到有效的治疗作用[16]。后来的研究阐释了氢气可以作为一种重要的生理调控分子，通过发挥抗氧化、抗炎症和抗凋亡的功能，对动物细胞和组织器官具有一定的保护作用[17]。但是目前氢气的主要作用机制还不清楚，推测可能是通过对活性氧自由基进行选择性地消除，来降低细胞功能紊乱的概率[18]。近年来，氢气对植物响应胁迫的影响吸引了学者们的关注。研究表明，氢气作为一种重要的气态生理调控分子，在苜蓿响应镉胁迫时通过重建细胞内的氧化还原平衡和抑制活性氧自由基的产生，来降低镉的毒害作用[19]。
木质素占木材重量的五分之一，是自然界中丰富度仅此于纤维素的生物高分子化合物之一[20]。木质素参与导管分子和纤维的次生细胞壁的合成，增强维管组织的机械强度；同时通过发挥保持植物组织机械强度的生物作用，在生物胁迫和非生物胁迫中保护植物。木质素参与植物直立生长习性的发育过程，并兼有运输传导和生长调节的作用[21]。木质素的生物功能在二十一世纪初期的研究中就已得出[22]，但有关木质素参与植物生长调节的分子机制仍在研究中。
在植物响应镉胁迫的过程中，植物细胞壁对镉离子具有沉淀作用，是镉离子积累量最多的细胞组分。木质素是细胞壁的组成成分之一，且木质素对金属离子有较强的亲和力，很可能在沉淀反应中发挥重要功能。然而有关镉胁迫下植物细胞壁结构及木质素参与细胞壁沉淀金属离子的相关研究很少，很多机制尚不清楚。本实验通过探究镉和富氢水处理的苜蓿细胞壁结构变化和检测过程中木质素合成基因的表达量，为进一步研究细胞壁和木质素功能提供数据和理论支持。

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