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我国是世界上稀土资源最丰富的国家,随着稀土元素作为稀土微肥、饲料添加剂、植物生长调节剂等的广泛使用,它们将不可避免的通过吸收等方式进入生物体内,直到进入食物链,参与自然界生物链循环。因此,稀土摄入的安全性问题成为人们利用稀土时关注的焦点。同时,我国也是一个水稻种植大国,稀土元素作用于水稻后,会使其平均增产幅度达到8-20%以上,产生非常可观的社会和经济效益。目前,国内外研究学者已经从不同层次不同水平,研究了稀土植物生物学效应,但是由于植物系统本身的复杂性,因而稀土在植物细胞、细胞器层面上的许多作用机理还不完全清楚。尤其是稀土生物效应中广泛存在的Hormesis效应,其机理尚需进行深层次的探讨。线粒体是真核细胞中的产能细胞器,也是细胞进行物质能量代谢主要细胞器之一,同时还是毒物的靶细胞器。水稻细胞质雄性不育的主要原因,在于线粒体基因组频繁重排所形成的嵌合基因。为此,本论文采用生物微量热法、氧电极法、显微成像技术及光谱法等多种手段,系统研究了四种轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd)与水稻线粒体的相互作用,并从线粒体膜渗透性转换(MPT)的角度,对作用机制进行了初探,为稀土元素的安全应用和水稻的优质生产,提供了新层次的理论基础。本论文主要研究内容如下：第一章：对稀土元素植物生物学效应及机制、植物线粒体结构和功能,以及微量热法在生命科学领域的应用进展,做了比较全面的介绍,阐述了本论文的选题思路及创新点。第二章：采用微量热法,考察了不同浓度La(Ⅲ)对水稻线粒体的体外代谢的影响,结果表明La(Ⅲ)对水稻线粒体代谢过程表现出明显的Hormesis效应。考察La(Ⅲ)对水稻线粒体MPT的影响,发现较高浓度La(Ⅲ)能诱导线粒体MPT,低浓度则对MPT基本无影响。利用MPT保护试剂CsA和DTT,考察了高浓度La(Ⅲ)与水稻线粒体相互作用机制,发现La(Ⅲ)通过Ca2+相似的途径引起CsA敏感型线粒体MPT,也可以经由线粒体上巯基蛋白相互作用而诱导MPT。La(Ⅲ)经体内培养途径对水稻幼苗生长表现出Hormesis效应,同时对La(Ⅲ)在水稻线粒体上的定位研究结果,经La(Ⅲ)培养后,线粒体中La(Ⅲ)含量明显高于对照组,观察不同浓度La(Ⅲ)培养后的水稻根部线粒体的结构,发现低浓度下线粒体结构比对照组完整,而高浓度则对线粒体结构存在一定的损伤作用。第三章：采用微量热的方法,系统地研究了轻稀土Ce(Ⅲ）对湘早籼水稻线粒体体外代谢的影响,获取了不同浓度Ce(Ⅲ)作用下水稻线粒体的体外代谢热谱。发现在低浓度Ce(Ⅲ)作用下(0～400μM),水稻线粒体的代谢过程受到促进；而高浓度情况下(600-1800gM),则受到抑制。采用呼吸耗氧方法,检测了Ce(III)对水稻线粒体State4呼吸耗氧的影响,发现在较低Ce(III)浓度作用下,呼吸耗氧速率随着Ce(Ⅲ)浓度的增加而升高；而在高浓度的作用下,耗氧速率则随着Ce(III)浓度的增加而降低,表明Ce(Ⅲ)对水稻线粒体呼吸和代谢都存在明显的"Hormesis"效应。另外,本论文中还深入探讨了Ce(Ⅲ)对水稻线粒体功能和结构的影响。采用光谱法和显微分析技术,系统地从微观上考察了Ce(Ⅲ)与湘早籼水稻线粒体的作用,发现高浓度Ce(Ⅲ)会引起线粒体膜渗透性转换(MPT),低浓度时对MPT基本没有影响。通过三种MPT保护试剂,初步判断了高浓度Ce(Ⅲ)所引起的MPT类别,发现Ce(Ⅲ)可能通过与线粒体上的巯基蛋白相互作用而引发水稻线粒体MPT。第四章：采用TAM Ⅲ微量热仪,得到了不同浓度Pr(Ⅲ)作用下水稻线粒体的体外代谢热谱,发现Pr(Ⅲ)对水稻线粒体体外代谢过程存在低促高抑的"Homesis"效应。利用紫外可见和荧光光谱法,研究了Pr(Ⅲ)对水稻线粒体MPT的影响,发现较高浓度的Pr(Ⅲ)能诱导MPT,且MPT属于可调节性的,结合水稻线粒体Cyt c的释放情况,可推测较高浓度Pr(Ⅲ)可能经由MPT对线粒体功能有一定程度的破坏。考察了不同浓度Pr(Ⅲ)对线粒体内膜H+、K+渗透性的影响,及对线粒体膜脂质过氧化的影响,发现Pr(Ⅲ)对线粒体H+、K+渗透性和脂质过氧化均存在抑制作用,表明Pr(Ⅲ)对线粒体的氧化应激存在一定的保护作用,同时说明Pr(Ⅲ)经由MPT造成线粒体功能损伤可能与氧化应激无关。第五章：利用TAM Ⅲ等温微量热仪,获取了不同浓度Nd(III)作用下水稻线粒体的体外代谢热谱,发现在低浓度Nd(III)刺激水稻线粒体的代谢过程,而高浓度则抑制其代谢产热。同时,采用Clark氧电极法,获取了State4中不同浓度Nd(Ⅲ)对离体水稻线粒体呼吸耗氧速率的影响。结合微量热和氧电极法的研究结果,发现Nd(Ⅲ)对水稻线粒体代谢也存在低促高抑的" Hormesis "效应。利用紫外可见和荧光光谱法,研究了Nd(Ⅲ)对水稻线粒体MPT的影响,结合透射电镜显微分析和水稻线粒体Cyt c的释放情况,表明较高浓度Nd(Ⅲ)会引起水稻线粒体MPT,导致其结构和功能受损。同时,还考察了Nd(Ⅲ)对线粒体内膜H+、K+渗透性、线粒体膜脂质过氧化及线粒体活性氧释放水平的影响,发现Nd(Ⅲ)对线粒体的氧化应激存在一定的保护作用,表明Nd(Ⅲ)诱导的MPT可能与氧化应激无关,具体作用机制,仍有待进一步的研究。第六章：主要对论文整体工作进行简明扼要的总结,并就后续研究内容提出相关研究方向。