随着煤、石油等化石燃料在工农业生产、交通运输和日常生活中的大量使用,副产物——多环芳烃(PAHs)已成为世界各国重点关注的一类环境有机污染物。尽管PAHs的环境行为和生物效应已有颇多研究,然而植物叶片对累积PAHs的响应及其机制尚未明晰。本研究以农业经济作物——小麦为实验材料,菲作为PAHs模式化合物,通过研究经根系吸收在小麦叶片中积累的菲暴露下叶片形态及结构特征的响应,并采用植物生理学、植物生物化学、植物分子生物学、蛋白质组学、生物信息学等相关技术手段阐明小麦叶片应对PAHs积累的生理生化机制,并进一步解析叶绿体在PAHs暴露下的生长、发育及其相关代谢途径变化的规律和生物学机理。试验获得主要结果如下:1、在1.0和0.5 mg L-1菲处理的第7 d和第9 d,小麦叶片基部会出现失绿现象。叶绿素合成主要前体物的检测表明,随着菲处理时间的延长,谷氨酸、5-氨基乙酰丙酸、尿卟啉原Ⅱ、原卟淋Ⅸ、Mg-原卟啉Ⅸ和原叶绿素酯含量升高,同时胆色素原和叶绿素b的含量呈现下降趋势,叶绿素a含量则先增加后减少。另外,尿卟啉原Ⅲ合成酶和叶绿素降解酶的活性在整个试验期间是增强的,而胆色素原脱氨酶活性表现出下降的趋势。数学分析显示,在0.5和1.0 mg L-1菲处理下,叶绿素含量降低的原因是叶绿素降解速率(2.38和2.79 mg g-1 min-1)大于叶绿素合成速率(-0.022和-0.018 mgg-1 min-1)。菲处理叶片含水率增加了0.91-2.03%。2、透射电镜观察发现,菲积累叶片亚细胞结构会出现破裂和质壁分离现象,线粒体、溶酶体等细胞器也会消失,并且会出现氧化应激胁迫反应的标志物——嗜锇颗粒,并且颗粒会随菲处理时间和剂量的增加而增加。为此,研究检测了叶片ROS和H2O2含量,结果显示ROS和H202均在试验阶段内呈现增长趋势,同时H2O2占ROS的比例会随着处理时间的延长而增加,所以H2O2的积累是PAHs导致细胞死亡的致命原因。进而检测了 9种抗氧化剂(抗坏血酸、谷胱甘肽、多胺、α-生育酚、类胡萝卜素、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽-S-转移酶)的含量或活性,并通过聚类分析、Pearson相关分析、主成分分析和冗余分析等的数学方法对试验结果进行了分析,结果显示类胡萝卜素和超氧化物歧化酶是清除菲引起的氧化应激胁迫产生自由基的主要抗氧化剂,而谷胱甘肽-S-转移酶是一种具有潜在功能的抗氧化剂。另外,在较高菲浓度处理下,抗坏血酸一谷胱甘肽循环也将变得活跃。3、电子显微镜观察表明,在亚细胞水平,菲积累导致叶绿体变形并开始溶解,叶绿体会出现由椭球形到圆球形的畸变。由于蛋白质是组成生物体结构和功能的重要成分,所以为了研究这一变异情况采用iTRAQ(相对和绝对定量同位素标记法)技术分析了菲处理下叶绿体蛋白的变化。通过LC-MS/MS鉴定,菲处理下的叶绿体被检测到共有517种蛋白,其中有261种蛋白质在菲处理下发生上调。同时,结合实时定量聚合酶链式反应技术(rt-PCR),实验检测到叶绿体蛋白质组学中关于类囊体的蛋白(叶绿体结构)发生下调,相关基因表达呈阳性,说明类囊体的破坏是叶绿体变形的原因。但在菲类处理下,叶绿体中与被膜和基质有关的蛋白却呈现上调,这可能是叶绿体在类囊体破坏后仍能维持一定形态的原因。另外,根据蛋白质组学的其它结果,本研究还得出以下结论:1)电子转移链的效率降低和捕光复合体的功能的减弱是光反应降低的主要原因;2)糖酵解下降是代谢产能下降的原因;3)在菲处理下,与脯氨酸,色氨酸和甘氨酸相关的蛋白呈现上调,而组氨酸,苏氨酸和精氨酸相关的蛋白质则下调。4、外源添加类胡萝卜素可以减轻菲积累的毒性,使小麦叶片正常发育,较菲处理组都发育出了第三片叶片,并没有产生失绿症状,虽相对然生物量和相对根系长度较空白组低,但都较菲处理组有了较大的改善。同时,试验还检测了叶绿素a和b、抗氧化酶、膜脂过氧化物以及氨基酸含量的变化以验证外源添加类胡萝卜素的功效。结果表明,在含菲的类胡萝卜素添加组中小麦的叶绿素含量水平较菲处理组回升;抗氧化酶SOD活性和膜脂过氧化物含量较菲处理组回落。并且试验还发现在外源添加20 mg L-1类胡萝卜素的菲处理组中叶片的氨基酸含量趋于正常水平。因此通过外源添加类胡萝卜素的措施可以减轻菲积累的毒性并且缓解菲对小麦生长发育的抑制作用。综上所述,本论文揭示了菲暴露下植物细胞水平的致畸现象——叶绿体变形和溶解,其生理学特征是叶片基部失绿和叶片含水率增加,其分子生物学机理是叶绿体类囊体的相关基因表达受抑制,相关蛋白量降低所致;类胡萝卜素是一种能有效缓解多环芳烃植物毒性的生物制剂。论文的研究结果可为微观上阐释植物叶片PAHs积累的毒害机理及宏观上保障农产品生产安全与增进PAHs污染环境植物修复的效果提供理论依据与技术策略。