本文以分布广泛的浮水植物——紫背浮萍(Spirodela polyrrhiza Schleid)为研究对象,以稀土元素铽(Tb)和钕(Nd)为影响因子,应用植物生理生化和蛋白质组学的方法研究了浮水植物对外源稀土元素胁迫的应答机制。结果显示：1.使用含不同浓度Tb (0,10,20,30,40,50μmol·L-1)的1/10 Hoagland营养液培养紫背浮萍14 d,分析Tb在紫背浮萍叶片内的亚细胞分布、表观形态、矿质营养、光合色素、活性氧(ROS)、保护系统(抗氧化酶和小分子保护物质)、细胞超微结构以及差异蛋白表达等指标的变化。结果表明：随外源稀土元素浓度的上升,(1)紫背浮萍体内Tb含量极显著增加,亚细胞组分分离研究表明Tb主要分布在细胞壁(74-79%),其次是细胞器(12-14%),可溶性组分最低(8-12%)。(2)Tb胁迫还造成紫背浮萍体内矿质营养元素失衡,主要表现为抑制Zn、Ca、K、Mg、B和S的吸收,促进Cu、Mn、Fe和P的吸收,而Mo表现出先升后降的现象。(3)紫背浮萍表观形态和色素含量发生改变,主要表现为叶片褪绿和损伤程度逐渐加重,光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)含量明显下降。(4)超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H202)在植物体内大量积累,使得丙二醛(MDA)含量显著升高,可溶性蛋白含量先升后降；同时,抗氧化酶活性以及小分子保护物质含量也发生改变,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)和抗坏血酸过氧化物酶(APx)的活性逐渐下降,而过氧化物酶(POD)的活性逐渐上升；谷胱甘肽(GSH)含量、抗坏血酸(AsA)含量、非蛋白巯基(NP-SH)含量和植物络合素(PCs)含量均升高。(5)透射电镜观察发现Tb对细胞器(叶绿体、线粒体和细胞核)造成明显损伤,叶绿体膨大并出现空泡化,不透明物质增加,线粒体脊突排列无序,双侧膜出现破裂,核质混乱,核仁变得模糊。(6)蛋白组学分析显示,Tb胁迫下,紫背浮萍体内共检测出183个蛋白质,其中50个蛋白质的表达发生显著差异,45个蛋白质被诱导或上调,5个蛋白质被抑制或下调。这些差异表达蛋白根据其功能分为了7类：光合作用、能量代谢、转运、防御、信号传导、转录和翻译以及未知功能蛋白。其中,光合作用、能量代谢以及转录和翻译相关蛋白占主体。2.用含不同浓度Nd (0,20,40,60,80μmol/L-1)的1/10 Hoagland营养液培养紫背浮萍14 d,研究了紫背浮萍叶片损伤、脂肪酸含量、光合系统、抗氧化系统、以及细胞超微结构等的变化。实验结果显示：(1)外源稀土Nd处理导致紫背浮萍叶片出现褪绿现象,损伤比例(PLAD)增加,光合色素和可溶性蛋白含量下降。(2)随着Nd浓度的升高,抗氧化系统受到影响,SOD和GR活性逐渐降低,POD和APx活性则逐渐升高,CAT活性先升后降；AsA和PCs含量升高,GSH和NP-SH含量先升后降,O2-和H2O2大量积累,MDA含量显著升高,同时,饱和脂肪酸含量上升,不饱和脂肪酸含量下降。(3)光系统Ⅱ(PSⅡ)的活性以及类囊体膜蛋白的含量发生改变,当Nd浓度达到20 μmol·L-1时,类囊体膜荧光强度升高,类囊体膜中130kDa、25kDa、23kDa多肽组分含量上升,随着Nd浓度的进一步增加,荧光强度和多肽含量开始下降且均低于对照组。(4)超微结构观察发现Nd对叶绿体的损伤程度随浓度增加而加重,叶绿体膨大,内部出现空泡化,不透明物质增多,基质和基粒排列混乱,双层膜出现破损。结果说明,高浓度的Nd对紫背浮萍产生了毒害作用。3.外源稀土元素进入紫背浮萍后,主要积累于细胞壁,部分进入到细胞内的稀土元素使得植物体的表观形态、矿质元素吸收、光合系统、抗氧化系统、蛋白质组分、细胞器结构均产生明显改变,影响了植物体正常的生理生化功能,严重的甚至导致植物死亡。