长豇豆（Vigna unguiculata subsp.sesquipedalis L.）对重金属胁迫响应的品种间差异及机理研究

摘要

目前中国受污染的耕地面积近2000万hm<'2>，约占耕地总面积的1／5。在这种状况下，要生产出符合食用安全标准的农产品受到极大的限制，并对人类健康构成严重威胁，为了解决这一严峻的问题，本研究以污染对策品种(Pollution-safeCultivar，简称PSC，即在受污染或潜在受污染土壤中可食部位吸收积累污染物含量在安全范围的品种)为研究对象，以常用蔬菜长豇豆为研究材料，证明了PSC策略的可行性，对于减少土壤重金属经食物链危害人类健康的风险无论在理论还是实践方面都有重要意义。 通过盆栽试验研究了轻度(0.8 mg·kg<'-1>)和重度(11.8 mg·kg<'-1>)Cd胁迫下25个长豇豆品种不同器官对Cd吸收积累的品种间差异。除了轻度胁迫下茎组织以外，长豇豆所有组织在重度和轻度胁迫下Cd含量均存在极显著的品种间差异，其中果实Cd含量的变异范围分别为0.020-0.159 mg·kg<'-1>和0.000-0.029 mg·kg<'-1>；在重度胁迫下，64％供试品种的果实Cd含量均超出食品中Cd卫生标准限值，在轻度胁迫下的Cd含量则在标准限值60％以下，可以安全食用。供试25个品种按种皮颜色可分为花仁、红仁和黑仁三组，其中花仁品种超标率为100％，红仁品种为75％，黑仁品种最低，为33％。因此，在轻度胁迫下所有品种均为Cd-PSC<,<0.8>，在重度胁迫下长豇豆的Cd-PSC<,<11.8>有9个，其中3个为红仁品种，包括No.9、13、20，6个为黑仁品种，包括No.2、7、12、15、16、24，这些品种可推荐在Cd污染地或潜在污染土壤中种植，以降低Cd进入食物链对人类造成威胁。 通过盆栽试验研究了Zn胁迫下13个品种不同器官对Zn吸收积累的品种间差异。在土壤Zn胁迫(231 mg·kg<'-1>)和对照(40.9 mg·kg<'-1>)中，长豇豆所有器官Zn含量均存在极显著的品种间差异(p<0.01)，其中果实Zn含量的变异范围分别为2.99-6.79 mg·kg<'-1>和1.77-4.46 mg·kg<'-1>；所有品种在对照和胁迫下果实Zn含量均远远低于国家食品卫生标准(蔬菜Zn≤20 mg·kg<'-1>，GBl3106-91)，说明长豇豆是不易受Zn污染的农作物种类，存在长豇豆的Zn-PSC<,<231>;长豇豆受Zn胁迫影响较大，果实产量在Zn胁迫下比对照有一定程度的下降，这一特性有助于察觉土壤的Zn污染状况；相关分析表明，在对照条件下，各营养器官之间的Zn含量均呈显著正相关，且叶和果实．Zn含量间有显著相关性，但在Zn胁迫下，各器官间相关性不显著；比较不同种皮颜色品种发现，花仁和黑仁品种果实Zn含量高于红仁品种。 运用差速离心法和化学试剂连续提取法分析了重金属在长豇豆重金属典型品种体内细胞中的分布和化学结合形态。结果表明，在Cd胁迫下，No.4与其它品种相比，在根部细胞器中Cd浓度所占比例较高，而在细胞质及液泡中比例较低，且根部Cd所占比例最低，说明Cd在该品种体内有较强的移动性，因此可能导致果实中有较高的Cd含量。而No.18则耐性较强，推测Cd的吸收转运可能与较旺盛的新陈代谢有关，与No.4有不同向果实运输Cd的机制。黑仁品种有较高的细胞壁和细胞质及液泡Cd含量，可能因降低Cd的移动性，可能最终导致较少的Cd向果实的转运。 Zn胁迫下，Zn在各器官细胞内主要以细胞质及液泡中为主，特别是在根部，这部分比例达到65％以上；长豇豆对Zn的吸收规律比较特殊，在Zn处理浓度并不高的情况下，植物体内Zn含量并非随着处理浓度升高而增加；长豇豆品种对Zn的吸收差异与Cd不同，品种间差异较小，可能是Zn是必需元素所致。6种结合态均占一定比例，而胁迫后，根部甚至只有3种Cd结合形态；与Cd相比其品种间差异较小。 在经铅锌矿废水灌溉约50年的农田种植长豇豆品种，测定植物根、茎、叶及果实中的Pb、Zn、Cd含量。结果表明，Cd、Pb、Zn在长豇豆果实的含量范围分别为0.005-0.022、0.051-0.214、4.886-7.805 mg·kg<'-1>；三种重金属在长豇豆各组织中的含量具有一定的相关性，尤其是在根和茎中，而在同一组织中部分重金属间也存在显著相关性，这为复合污染适用品种的筛选提供了条件；在土壤Pb、Zn、Cd含量均超过国家二级土壤标准的农田中，除1个品种果实中Pb含量略超标外，其余品种的果实的重金属含量均符合国家食品安全标准，但含量水平比非污灌区有较大幅度的上升；长豇豆受Cd和Pb污染的风险远大于受Zn污染的风险，同时长豇豆Cd-PSC的存在通过大田实验得到了验证。

目录

文摘

英文文摘

第1章前言

1.1农田重金属污染及其对食品安全的影响

1.1.1土壤重金属的来源和特性

1.1.2我国农田重金属污染现状

1.1.3农田土壤重金属污染引发的食品安全问题日益突出

1.2重金属污染土壤的修复方法

1.2.1重金属污染土壤的物理及物理化学调控措施

1.2.2重金属污染土壤的生物修复技术

1.3重金属污染防治的新策略

1.4农作物对土壤重金属污染的响应

1.4.1重金属对农作物的毒害效应及机理

1.4.2农作物对重金属胁迫的响应

1.5本研究的目的意义和研究内容

参考文献

第2章长豇豆吸收和积累Cd能力的品种间差异

2.1材料与方法

2.1.1实验材料

2.1.2供试土壤

2.1.3实验方法

2.2结果与分析

2.2.1Cd胁迫下长豇豆各品种的生长和生物量

2.2.2Cd胁迫下长豇豆各品种的营养器官的Cd含量及其品种间的变异

2.2.3Cd胁迫下长豇豆各品种果实含量的品种间变异

2.2.4Cd胁迫下长豇豆各品种Cd含量的相关性

2.2.5Cd胁迫下长豇豆各品种营养器官Cd积累量

2.3讨论

2.3.1PSC的重要意义

2.3.2长豇豆的Cd-PSC

2.3.3长豇豆Cd含量的组织相关性

2.3.4应用长豇豆的种植进行受Cd污染土壤修复的可行性

参考文献

第3章长豇豆吸收和积累Zn能力的品种间差异

3.1材料与方法

3.1.1实验材料

3.1.2供试土壤

3.1.3实验方法

3.2结果与分析

3.2.1Zn胁迫下长豇豆各品种的生长和生物量

3.2.2Zn胁迫下各品种不同器官的Zn含量

3.2.3Zn胁迫下长豇豆各品种果实含量的品种间变异

3.2.4Zn胁迫下长豇豆各品种Zn含量的相关性

3.2.5长豇豆供试品种吸收积累Zn和Cd能力的相关性

3.3讨论

3.3.1长豇豆对Zn的耐性及吸收规律

3.3.2长豇豆果实受Zn污染的风险比较低

3.3.3长豇豆Zn含量的组织相关性

参考文献

第4章Cd胁迫下典型品种体内Cd的亚细胞分布

4.1材料与方法

4.1.1实验材料和处理方法

4.1.2实验方法

4.2结果与分析

4.2.1Cd胁迫对幼苗根茎长度的影响

4.2.2Cd在植株各器官细胞内的分布

4.3讨论

4.3.1长豇豆对Cd胁迫有一定的耐受能力

4.3.2Cd在长豇豆不同品种的细胞内分布存在着较大的差异

参考文献

第5章Zn胁迫下典型品种体内Zn的亚细胞分布

5.1材料与方法

5.1.1实验材料栽培

5.1.2实验方法

5.2结果与分析

5.2.1Zn胁迫对幼苗根茎长度的影响

5.2.2Zn在植株各器官细胞内的分布

5.3讨论

5.3.1长豇豆对Zn胁迫对的耐受能力较弱

5.3.2长豇豆对Zn的吸收和积累有明显的特征

5.3.3长豇豆各组织Zn的亚细胞分布在品种间的差异相对较小

参考文献

第6章Cd胁迫下典型品种体内Cd的化学结合形态

6.1材料与方法

6.1.1实验材料栽培

6.1.2实验材料和方法

6.2结果与分析

6.2.1Cd胁迫下各组织的Cd含量

6.2.2各化学结合形态Cd在根组织总Cd中的比例

6.2.3各化学结合形态Cd在茎组织总Cd中的比例

6.2.3各化学结合形态Cd在叶组织总Cd的比例

6.3讨论

参考文献

第7章Zn胁迫下典型品种体内Zn的化学结合形态

7.1材料与方法

7.1.1实验材料

7.1.2实验方法

7.2结果与分析

7.2.1长豇豆幼苗根、茎、叶组织的Zn含量

7.2.2各化学结合形态Zn在根组织总Zn中的比例

7.2.3各化学结合形态Zn在茎组织总Zn中的比例

7.2.4各化学结合形态Zn在叶组织总Zn中的比例

7.3讨论

参考文献

第8章Cd胁迫对长豇豆幼苗抗氧化酶系统的影响

8.1材料与方法

8.1.1实验材料

8.1.2研究方法

8.2结果与分析

8.2.1Cd胁迫对典型品种幼苗叶片保护酶POD的影响

8.2.2Cd胁迫对典型品种幼苗叶片保护酶SOD的影响

8.2.3Cd胁迫对典型品种幼苗叶片MDA的影响

8.3讨论

参考文献

第9章在铅锌矿废水污灌区Pb、Zn、Cd复合污染条件下长豇豆Cd-PSC应用的可行性

9.1材料与方法

9.1.1实验地条件

9.1.2材料及其栽培方法

9.1.3实验设计、栽培和采样方法

9.1.4样品分析

9.2结果与分析

9.2.1污灌区长豇豆根、茎、叶的生长和产量

9.2.2污灌区长豇豆根、茎、叶和果实的重金属含量

9.2.3污灌区长豇豆根、茎、叶和果实的重金属含量的相关性

9.2.4污灌区长豇豆各器官中Cd、Pb和Zn含量的相关性

9.2.5复合污染条件下豇豆果实Cd含量与盆栽试验结果的相关性

9.3讨论

9.3.1长豇豆在污灌区的正常生长说明农作物受重金属污染的风险较大

9.3.2长豇豆在污灌区果实重金属含量明显增加，但绝大多数符合国家标准

9.3.3长豇豆受Cd和Pb污染的风险远大于受Zn污染的风险

9.3.4长豇豆对Cd、Pb和Zn的吸收和积累具有关联性，为复合污染适用品种的筛选提供了条件

9.3.5长豇豆Cd-PSC的存在通过两次试验得到了验证

参考文献

结论

附录：在读期间发表论文的情况

致谢

原创性声明