酸雨和稀土对水稻叶绿体微结构及光反应的复合影响研究

选择重要粮食作物水稻为研究对象；以我国严峻的酸沉降现实与土壤稀土离子（Ln3+）积累状况为依据；以探讨酸雨和Ln3+对叶绿体微结构与光反应复合影响规律与机理为目的；以生理学(PP System、PAM2000)、细胞生物学(SEM、TEM、AFM等)、生物电化学方法及物理化学技术(ICP-MS、EDX-SEM、CD、NMR等)与酶分离系统(AKTA Explorer-100、HPLC)的优化组合为研究手段；以酸雨和Ln3+对水稻叶片光反应效率、叶绿体微结构-元素含量-ATP合酶结构-叶绿体膜与膜蛋白上Ln3+含量及状态的复合影响为内容；从环境生态角度、分子与细胞水平，揭示酸雨和Ln3+对植物光合作用复合影响的规律与机理。为科学评价农业土壤环境中稀土与酸雨复合作用的危害和环境风险，提供新的科学参考。

酸雨与稀土复合污染是影响农业生产的重大环境生态问题。光合作用是植物种群乃至生态系统存在与发展的物质基础。有关酸雨或稀土影响植物光合作用研究已有报道，但二者单独或复合作用于叶绿体微结构与叶绿体功能组分的生态毒理研究，尚鲜见报道。.项目研究酸雨和La(III)单独与复合处理对不同生育期水稻叶肉细胞叶绿体光合光反应、叶绿体形貌与超微结构、叶绿体中功能元素与稀土的赋存含量、叶绿体ATP合酶活性、结构与基因表达等的复合影响。.项目研究发现，La(III)、酸雨影响水稻光合作用可能的生理、细胞及分子生物学机理是：⑴低剂量La(III)与低强度酸雨通过影响叶绿体光反应功能、功能元素及La(III)含量、ATP合酶基因表达、ATP合酶结构与活性(酸雨除外)等提高光反应功能、Pn与光合作用。高剂量La(III)、高强度酸雨以活化胞吞及H+内输等方式，改变细胞及叶绿体内环境、叶绿体膜形貌结构、功能元素及La(III)含量、ATP合酶基因表达、ATP合酶结构与活性等抑制光反应功能、Pn与光合作用；⑵叶肉细胞叶绿体形貌与超微结构，叶绿体功能元素及La(III)含量，ATP合酶活性等是La(III)、酸雨影响光合作用的结构、物质与功能基础与调控途径。孕穗期是水稻光合作用响应La(III)、酸雨胁迫敏感期；⑶低剂量La(III)和低强度酸雨复合降低La(III)在叶绿体中积累，利于叶绿体外膜蛋白合成、内环境稳定、ROS代谢平衡及叶绿体对功能元素吸收利用与ATP合酶基因表达，提高光反应功能、Pn及光合作用。二者表现为协同促进效应。高剂量La(III)与高强度酸雨协同强化胞吞与H+内输，造成细胞与叶绿体内环境恶化，导致叶绿体外膜蛋白合成、外膜蛋白结构与形貌改变，叶绿体内ROS累积、结构破坏，抑制叶绿体对功能元素吸收利用、叶绿体ATP合酶合成，降低光反应功能、Pn与光合作用。二者表现为协同伤害作用。.上述研究成果丰富了生态毒理学内容，有助于从生命系统不同层级，深入理解酸雨和稀土对植物光合作用复合影响机理。即低(高)剂量La(III)、低(高)强度酸雨及二者复合作用，对植物光合作用调控途径(形貌与结构，生理功能，生化与分子生物学特征)与方式(促进或抑制，提高或降低，协同促进或协同伤害)存在差异，且二者作用效果与植物生长发育阶段相关。此外，该研究也可为酸雨和稀土复合污染的生态风险评价，提供参考。