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1、 课题设计 利用超显微技术研究铁镉处理对水稻叶片细胞结构的影响姓 名： 学 号： 专 业： 年 级： 指导教师： 战 秀 梅 成 绩： 2014年12月一、选题依据（课题研究的目的、意义，国内外研究现状分析，附主要参考文献） 研究的目的在于在营养液和土壤培养条件下，利用根部供应的方式，为水稻提供不同浓度的铁研究不同铁镉处理下，水稻叶肉细胞超显微结构的变化，尤其是叶绿体结构的变化状况，明确铁镉各自对显微结构的影响以及两者交互作用下显微结构的响应。着重关注高铁供应条件下，植物体内铁对镉诱导的亚细胞超显微结构破坏和光合作用失调的缓减作用，明确铁提高水稻抵抗镉毒害的主要生理机制。为下一步从分子生物学角
2、度寻求铁镉交互作用的关键基因，利用育种手段获得高铁低镉的水稻品种奠定理论基础，为农业生产中利用施肥（如铁肥）增加水稻籽粒中铁含量同时减少镉的累积提供科学依据。 研究的意义及国内外现状分析随着人类生产活动，包括采矿，冶炼，污灌和磷肥的施用等工农业活动，以及人类长期忽视，导致环境镉污染越来越严重。镉是毒性最大的重金属之一，在人体中的镉都是在出生后由环境摄取而累积于体内的。长期食用受镉污染的地区所生长的大米会引起慢性中毒，从而损害人体健康。20世纪60年代在日本富山县发现的“痛痛病”就是震惊世界的金属镉污染的典型事例。镉的危害主要是对动物骨骼中钙的置换，造成骨脱钙，使得骨质变形及软化。尽管Cd不是植
3、物的必需营养元素，对植物没有任何生理功能，但Cd可以通过必需营养元素Ca2、Fe2、Mn2和Zn2的吸收系统而被植物吸收。在植物体内Cd结合在必需营养元素的结合位点上，干扰必需营养元素功能的发挥。Cd毒害可以使植物根系和叶片亚细胞结构发生变化，Cd处理植物叶绿体的基粒变形，类囊体膜扩大，质体小球和淀粉粒数量和体积增加；线粒体增加，线粒体膜变形；液泡和核仁数量和体积增加；细胞质浓缩质壁分离；液泡中和细胞壁上产生了Cd的电子密集和晶体化现象。Cd胁迫还可以诱导光合作用、呼吸作用以及水分代谢紊乱。铁是对植物生长发育具有重要生理功能的必需营养元素之一，也是研究最早最多的微量元素。铁在植物体内主要参与光
4、合作用、呼吸作用、氮代谢、激素的生物合成、ROS的产生和消除等过程。细胞中80的Fe位于叶绿体上，Fe在叶绿素的合成过程中发挥着特殊的作用，在光合电子链中Fe以血红素铁卟啉复合体为辅基的细胞色素和含硫的铁氧还蛋白参与光合电子的传递，Fe还以铁氧还蛋白在光合电子链末端将电子传递给分子氧（O2），形成了超氧自由基（O2-），同时Fe又参与和调节清除自由基的酶系统，如FeSOD，CAT，POD等的形成和活化，以此保持细胞内自由基产生和消除的动态平衡。Fe在维持叶绿体中类囊体膜的结构和功能的完整性非常重要。由此可见，铁镉两种元素对植物生理过程具有相反的作用，而且产生相互作用的主要场所在于它们共同参与的
5、生理生化过程中。因此两者在参与植物的生理过程中势必存在复杂的相互作用Fe、Cd 互作的相关研究主要集中在以下3 个方面: 第一，Cd 的存在能够诱发植物出现缺Fe 症状，导致缺Fe 的原因，不仅在于Cd 通过竞争作用抑制了植物对Fe 的吸收，而且还阻止了Fe 从根系向地上部运输; 第二，缺Fe 可以促进植物对Cd 的吸收。 第三，外源供应多余的Fe( 中等过量) 能够减少植物对Cd 的吸收，缓解Cd 对植物的毒害本项目选择水稻作为供试植物，因为水稻对镉的毒害非常敏感，而且是一种吸收铁营养较高的植物，研究不同铁镉处理下，水稻叶肉细胞超显微结构的变化，尤其是叶绿体结构的变化状况，明确铁镉各自对显微
6、结构的影响以及两者交互作用下显微结构的响应。参考文献1 孙明茂，洪夏铁，李圭星，曹桂兰，于元杰，韩龙植，2006，水稻籽粒微量元素含量的遗传研究进展. 中国农业科学，39：1947-1955.2 胡树林，徐庆国,黄启为. 2001， 香米品质与微量元素含量特征关系的研究J. 作物科学，4:12-153 张玉烛,王凯荣,刘见平,等2006, 稻米质量安全控制技术研究与示范J. 作物研究, 4: 287-296.4肖美秀,林文雄,陈祥旭,等2006, 镉在水稻体内的分配规律与水稻耐镉性的关系J.中国农学通报, 22(2): 379-381.5 Chen RF, Shen RF, Gu P, Don
7、g XY, Du CW, Ma JF. 2006. Response of Rice (Oryza sativa ) with root surface iron plaque under aluminium stress. Ann Bot 98: 389395.6 Clemens S. 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88: 1707-1719.7 DalCorso G, Farinati S, Maistri S, F
8、urini A. 2008. How plants cope with cadmium: staking all on metabolism and gene expression. J Integr Plant Biol 10: 1266-1280.8 Daud MK, Sun YQ, Dawood M, Hayat Y, Variath MT, Wu YX, Raziuddin, Mishkat U, Salahuddin, Najeeb U, Zhu SJ. 2009a. Cadmium-induced functional and ultrastructural alterations
9、 in roots of two transgenic cotton cultivars. J Hazar Mater 161:463-473.二、研究目标和研究内容1、研究目标（1）明确铁镉各自对亚细胞超显微结构的影响以及两者交互作用下显微结构的响应。（2）明确铁镉互作对水稻主要生理过程的影响2、研究内容利用能量过滤透射电子显微技术（EFTEM）观测Fe、Cd处理的根尖细胞和叶肉细胞中叶绿体的基粒，线粒体，类囊体，质体小球，淀粉粒，液泡和核仁的数量和体积；细胞的膜系统的变化；质壁分离状况；液泡中和细胞壁上Cd的电子密集和晶体化现象。通过对铁镉处理的水稻叶绿素含量，光合速率，气孔导度，蒸腾速率
10、，胞间CO2浓度，以及呼吸速率的测定，从宏观上明确铁镉互作对水稻主要生理过程的影响。三、针对研究内容拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1、实验方案水稻品种选用沈阳农业大学选育成第一代直立大穗型超级稻“沈农265”。 利用营养液供应和根外施肥的方式，为水稻提供正常和过量铁营养，之后将水稻移入含有一定Cd浓度（0，10mg/L）的营养液中。生长一段时间后，测定植株的光合作用，呼吸作用及水分代谢参数。同时取水稻根系和地上部，用于观测组织的亚细胞结构。为了模拟田间实际情况，采用土壤培养的方式，在土壤中同时添加铁（0，1 g/kg）和Cd（0，2mg/kg），在水稻生长的不同生育期，测定植
11、株的光合作用，呼吸作用及水分代谢参数。同时取水稻叶片，用于观测组织的亚细胞结构。2、 测定项目与方法本项目选择水稻作为供试植物，因为水稻对镉的毒害非常敏感，而且是一种吸收铁营养较高的植物，研究不同铁镉处理下，水稻叶肉细胞超显微结构的变化，尤其是叶绿体结构的变化状况，明确铁镉各自对显微结构的影响以及两者交互作用下显微结构的响应。利用营养液供应和根外施肥的方式，为水稻提供正常和过量铁营养，之后将水稻移入含有一定Cd浓度（0，10mg/L）的营养液中。生长一段时间后，测定植株的光合作用，呼吸作用及水分代谢参数。同时取水稻根系和地上部，用于观测组织的亚细胞结构。为了模拟田间实际情况，采用土壤培养的方式
12、，在土壤中同时添加铁（0，1 g/kg）和Cd（0，2mg/kg），在水稻生长的不同生育期，测定植株的光合作用，呼吸作用及水分代谢参数。同时取水稻叶片，用于观测组织的亚细胞结构。利用能量过滤透射电子显微技术（EFTEM），通过观察水稻叶片超显微结构的变化，阐释铁镉两种元素各自和交互作用对水稻生理过程的影响。3、 技术路线利用能量过滤透射电子显微技术（EFTEM），通过观察水稻叶片超显微结构的变化，阐释铁镉两种元素各自和交互作用对水稻生理过程的影响。从亚细胞超显微结构变化的角度揭示生理过程的变化，比传统利用生理指标更具说服力和先进性。4、可行性分析 （1）本项目选题新颖，立论充分，能够结合学科前沿提出明确的科学问题；试验设计合理，详细，具有明显可行性； （2）利用能量过滤透射电子显微技术（EFTEM），方法先进，技术可行，可以保证得到预期实验结果。经费预算明确、合理。四、研究进度及工作内容
