不同价态无机砷对水稻秧苗生长及土壤微生物的影响

摘要

稻米砷污染问题是一个关系到人类健康的重要环境问题。砷在土壤中的大量积累不但会导致土壤性质发生改变、影响水稻的产量和稻米的质量，而且通过食物链最终危害人类的健康。本研究以水稻品种汕优63和明恢63为材料，探讨土培条件下，不同浓度(0 mg/kg(soil)、60 mg/kg(soil)和120 mg/kg(soil))、不同价态的无机砷(As(Ⅲ)(As2O3)、As(V)(Na2HAsO4》对水稻秧苗形态及其光合生理特性的影响，并进一步分析了无机砷处理后对水稻根际土壤微生物的影响。 主要结果如下： 1、水稻形态指标分析结果表明，无机砷处理后均显著抑制两种水稻的根长、株高、干重。以砷浓度为120mg/kg(soil)处理下的水稻品种汕优63为例，与对照相比，As(Ⅲ)处理后水稻的根长、株高和干重分别下降43.37％、38.65％、51.31％。而As(V)处理后则分别下降31.72％、23.75％、37.50％。可见，无机砷对水稻的干重影响最大，其次是根长，对株高影响最小。其中，As(Ⅲ)对水稻秧苗的影响比As(V)更大。 2、水稻光合作用的分子生理特性分析结果表明，无机砷处理下，两个水稻品种幼苗的各项光合生理指标均下降，光合作用关键酶活性降低，光合作用关键酶相关基因表达量下调。以砷浓度为120mg/kg(soil)处理下的水稻品种汕优63为例，即与对照相比，经As(Ⅲ)处理后，水稻的净光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度、蒸腾速率、气孔限制值、叶绿素含量分别下降60.15％、42.05％、30.38％、50.94％、51.33％、44.73％；光合作用关键酶--核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPcase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和乙醇酸氧化酶(GO)活性则下降了59.59％、56.27％、47.31％；三种光合作用关键酶(RuBPcase、 PEPC和GO)的相关基因表达量则分别下调了8.69倍、6.72倍、5.38倍。而As(V)处理后，水稻的净光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度、蒸腾速率、气孔限制值、叶绿素含量分别下降38.46％、23.11％、21.10％、27.36％、24.45％、33.72％； RuBPcase、PEPC和GO活性则分别下降了47.70％、36.45％、38.25％；三种光合作用关键酶(RuBPcase、PEPC和GO)的相关基因表达量分别下调了5.86倍、3.79倍、3.81倍。可见砷处理后能显著抑制水稻的光合作用，其中As(Ⅲ)对水稻光合作用的影响大于As(V)。 3、无机砷对土壤微生物生理生化特性研究结果表明，无机砷对水稻土壤微生物量碳(MBC)、土壤呼吸强度(MBR)和各种土壤酶活性均有一定的抑制作用。以120mg/kg(soil)土壤种植的水稻品种汕优63为例，即与对照土壤相比，添加As(Ⅲ)后，土壤MBC和MBR分别下降了45.83％、44.83％；土壤中脲酶、蛋白酶和蔗糖酶的活性分别下降了56.35％、53.54％、60.78％。而添加As(V)后，土壤MBC和MBR分别下降了31.06％、26.03％；土壤中脲酶、蛋白酶和蔗糖酶的活性分别下降了48.28％、38.19％、43.71％。无机砷对土壤微生物区系的研究结果表明，无机砷对水稻土壤中的细菌、真菌和放线菌数量具有不同程度的抑制作用。即与对照土壤相比，添加As(Ⅲ)后，土壤中细菌、真菌和放线菌数量分别下降41.13％、42.60％、30.05％，而添加As(V)后则分别下降22.61％、27.22％、17.29％。可见，无机砷对水稻土壤中微生物的生理生化特性均存在一定的抑制作用，这可能将间接影响水稻的生长发育及产量。 综上所述，不同价态无机砷可显著影响水稻的光合作用及土壤微生物生理特性，且两个水稻品种在响应无机砷胁迫下具有相似的行为，表现为砷胁迫下水稻与光合作用相关的基因表达下调，对应的酶活性受到显著抑制，光合作用减弱，从而导致水稻生长受到损害，根长、株高和干物质重下降。其中又以As(Ⅲ)对水稻的损害较强。此外，无机砷还影响了土壤中的微生物类群和土壤相关酶指标，这可能是水稻生长不良的因素之一。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1土壤砷污染现状

1.2土壤砷污染的主要来源

1.3土壤砷的含量及形态变化

1.4砷对水稻秧苗生长的影响

1.5砷对水稻光合作用的影响

1.6砷污染土壤的修复

1.6.1土壤砷污染的微生物修复过程

1.6.2微生物对重金属的生物吸附和富集

1.6.3微生物对重金属的溶解和沉淀作用

1.6.4微生物对重金属的氧化还原作用

1.7本研究的目的与意义

2材料与方法

2.1供试材料

2.2试验方法

2.3测定方法

2.3.1水稻光合作用参数的测定

2.3.2水稻光合酶活性的测定

2.3.3水稻光合作用关键酶基因的差异表达分析

2.3.4土壤微生物量碳及土壤微生物呼吸强度的测定

2.3.5土壤酶活性测定

2.3.6土壤微生物区系的分析

2.4统计方法

3结果与分析

3.1不同价态无机砷对水稻苗期植株形态的影响

3.2不同价态无机砷对水稻苗期光合生理的影响

3.2.1不同价态无机砷对水稻苗期光合生理参数的影响

3.2.2不同价态无机砷对水稻苗期光合作用关键酶活性的影响

3.3不同价态无机砷胁迫下水稻苗期光合作用关键酶基因的差异表达

3.3.1水稻叶片组织总RNA的提取

3.3.2实时荧光定量PCR扩增的重复性检验以及引物二聚体的检测

3.3.3部分样品基因FQ-PCR过程中部分扩增曲线分析

3.3.4光合作用关键酶基因的差异表达分析

3.4不同价态无机砷对土壤微生物的影响

3.4.1不同价态无机砷对土壤微生物量碳和微生物呼吸强度的影响

3.4.2不同价态无机砷对土壤酶活性的影响

3.4.3不同价态无机砷对土壤微生物区系的影响

4讨论

4.1无机砷对水稻苗期形态的影响

4.2无机砷对水稻幼苗的光合生理生化特性的影响

4.3无机砷对水稻根际土壤微生物的影响

参考文献

致谢