镉(Cd)带来很大的环境问题,因为它具有生态毒性从而严重影响生态系统,快速的工业化和城市化进程伴随着世界人口的激增、向环境排放污染物,这不仅造成了对自然资源的严重破坏,也造成了对地球生物广泛而严重的污染。有证据表明,在大多数国家人们通过农作物摄入的Cd占到很大的比例。因此,重金属明显的生物富集作用和在食物链各环节中的毒性渐进已经对包括植物在内的所有生物构成危害。于是,植物体中Cd的解毒对于保证食品安全非常重要。植物本身具有对Cd的解毒和耐受性的复杂的分子机制,包括对Cd的固定,排除,螯合和在植物组织细胞中的重新分配以及对细胞结构的修复。然而,当暴露在高浓度的重金属环境下植物本身的解毒能力和抗氧化酶活性会下降。因此,外源植物激素的应用可以增强植物解毒系统来对抗外源物质引起的胁迫。近来,褪黑素(N-乙酰-5-甲氧色胺)已经出现在植物激素的范畴里,其增强植物对包括高温、低温、盐害、干旱、涝害、紫外辐射,以及水和土壤中化学或金属污染物等非生物胁迫的耐受力。因此,本文研究了番茄对Cd胁迫的响应,通过系列实验阐明了褪黑素缓解Cd胁迫的保护作用机制。主要研究结果总结如下：1预实验的研究表明结果表明,低浓度的Cd就会对植物造成毒害,限制番茄植株的生长。当100 μ M Cd处理后,植物启动了解毒机制。镉胁迫下,通过代谢产物的合成和降解最终提高了Cd的解毒能力,提高了番茄对镉胁迫的抗性。研究了叶面喷施GSH和GSH生物合成抑制剂对Cd胁迫下番茄植株的影响。通过分析100μM的Cd处理下植株的生长表型,我们发现5mM的GSH的应用对于减少Cd的毒害最有效。Cd在叶绿体／质体、根和叶细胞的线粒体和细胞核中积累。有趣的是,GSH促进细胞内Cd的重新分配和减少其在这些细胞器中的含量。然而,GSH生物合成抑制剂(BSO)起相反的作用。类似的,GSH促进、而BSO抑制涉及螯合Cd和排除Cd的植物螯合肽(PCs)的积累。此外,除了调节Cd的积累,GSH调节细胞的氧化还原状态和增加一氧化氮(NO)和S-亚硝基硫醇(SNO)的形成。与氧化还原状态的变化相对应,GSH主动调控相关胁迫响应基因的一些转录因子的表达。相应地,GSH的应用增强了抗氧化酶基因的表达和酶活性。我们的研究结果表明,GSH增强对Cd的抗性不仅通过对Cd的螫合和隔离的促进作用实现,而且通过依赖于氧化还原作用机制的途径增强抗氧化系统的活性而实现。2.本实验优化设计了高效液相色谱法(HPLC)用于简单、快捷、灵敏地检测褪黑素的含量,建立了褪黑素的生物合成与植物镉胁迫的关系。三种重要的蔬菜：番茄,生菜和黄瓜植株用不同浓度的Cd(25μM和100μM)处理后,利用高效液相荧光检测的优化方法测定对照和处理的叶片和根系中的褪激素含量。优化测定方法灵敏、重现性好,在18.33min时将褪黑素分离出,总运行时间为42min,检测限为25 fM,10μL进样量。植物褪黑素生物合成和对Cd的吸收和转运的表达模式相互关联。本研究结果表明,叶片和根系的褪黑素含量的增加与Cd胁迫处理的浓度和时间有关。3.我们研究了褪黑素对Cd胁迫下番茄植株的影响。将番茄植株根系暴露在100μM的Cd环境下,同时叶片用不同浓度的褪黑素处理。研究结果发现,最佳剂量的褪黑素能有效改善Cd引起的番茄毒害。镉胁迫下Cd和褪黑素的含量增加。然而,内源性褪黑素的增加无法逆转Cd的不利影响。同时,植物的生物量和光合作用反映了添加褪黑素增强了对镉胁迫的耐受性。除了抗氧化酶活性显著增强外,褪黑素对镉胁迫的缓解与H+-ATP酶活性增强、微量营养素的吸收和谷胱甘肽、植物螯合肽合成增加密切相关。虽然外源性褪黑素对根系Cd含量没有影响,但显著降低叶片Cd含量,表明其在Cd转运中的作用。对Cd在不同的亚细胞分布的分析表明,褪黑素增加细胞壁、液泡中的Cd含量。我们的研究结果表明,褪黑素在调节番茄抗氧化能力、巯基化合物的生物合成,将Cd局限在液泡中以对抗Cd胁迫过程中起决定性的作用。这种机制可能在食品安全生产上有潜在影响。4.本实验研究了镉胁迫下,褪黑素通过介导植物对硫的吸收、同化等来调控植物生长和对重金属胁迫的耐受性,已经证实褪黑素调控植物对硫的吸收、还原同化是植物对胁迫环境的一种适应机制。试验结果揭示了褪黑素是ATP硫酸化酶、APS还原酶、亚硫酸还原酶、半胱氨酸合成酶(CS)[0-7,酰基(巯基)溶酶]的上游激活者,这些酶在硫同化的重要步骤中发挥作用。此外,在硫平衡被打破时,褪黑素作为一种信号物质,主要是通过选择性调控硫同化和吸收途径中的基因来发挥作用。另外,褪黑素可以促进γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-EC)、谷胱甘肽和PCs的生物合成来应对胁迫。相比较而言,通过VIGS技术敲掉ASMT基因抑制褪黑素的生物合成,褪黑素的促进效果就被削弱。在Cd胁迫植物中褪黑素引起PCs生物合成的增加,可能导致了对有毒Cd的螯合,最终结果可能就是褪黑素减少了Cd从根部向茎叶部的转移,这对于食品安全来说非常重要。除了调控对硫的同化,褪黑素作为一个抗氧化剂可以有效保护细胞内生物大分子免受活性氧爆发所造成的损害和结构改变。除了做为抗氧化剂直接发挥作用外,在有氧条件下,褪黑素也可以通过增加半胱氨酸的代谢流从而促进叶片叶绿体中2-Cys过氧化物还原蛋白的活性。综上所述,我们的研究结果表明,褪黑素可以通过调节细胞氧化还原状态和组织中硫的稳态来增强植物对环境的适应和耐受性,对于极端环境而言,褪黑素的应用前景将会十分广阔。