不同品种及农艺措施对水稻砷吸收、化学形态及毒性的影响

摘要

无机砷是公认的致癌物质，稻米是人体无机砷摄入的最主要的食物性来源。水稻籽粒砷的主要形态是无机三价砷(As(Ⅲ))与二甲基砷(DMA)，无机砷的毒性远大于有机砷。水稻本身不具有将砷甲基化的能力，因此，籽粒的甲基砷主要来源于土壤。厌氧环境下，As(Ⅲ)是土壤溶液中主要的砷形态，稻田持续淹水加速厌氧环境的产生，增加As(Ⅲ)的移动性和生物有效性，同时增加砷的微生物甲基化进程，促进水稻对甲基砷的吸收。与无机砷相比，有机砷能更有效地转运到水稻地上部分并在籽粒中累积。影响水稻砷吸收和转运的环境因子多种多样。然而，不同水稻品种对不同形态砷的吸收、转运与累积的差异如何;不同形态砷对各水稻品种产生的毒害是否存在差异，不同水稻品种对不同形态砷的耐性如何;不同环境条件对水稻籽粒总砷浓度的累积及砷形态分布的影响如何，这些问题尚缺乏深入系统地研究。为了解决以上疑问，本论文进行了以下几方面的研究。
　　具体的研究工作可分为以下三个方面:(1)研究八种水稻品种对As(Ⅲ)和DMA的吸收、转运及累积的差异;(2)研究As(Ⅲ)和DMA对八种水稻品种的毒性及各水稻品种对砷的耐性;(3)研究影响水稻总砷浓度及籽粒砷形态分布的环境因子。取得的结果如下:
　　1)设计盆栽土培试验，研究来自不同地区的八种直穗病敏感度不同的水稻品种对As(Ⅲ)、DMA的吸收、转运及累积的差异。结果表明，与不加砷的对照组相比，添加As(Ⅲ)、DMA能不同程度地影响各水稻品种稻草、籽粒的总砷浓度，显著影响籽粒砷的形态分布，增加籽粒有机砷的浓度及所占比例。经As(Ⅲ)处理后，籽粒有机砷及有机砷占总砷的比例随总砷浓度的增加而增加;经DMA处理后，籽粒有机砷浓度及占总砷的比例随总砷浓度的增加而增加，无机砷浓度无明显变化。八种水稻品种籽粒总砷、无机砷和有机砷的累积与水稻直穗病敏感度无相关关系，说明水稻籽粒As(Ⅲ)、DMA的累积与水稻直穗病的产生无关，说明水稻籽粒对DMA的累积不是产生直穗病的原因。
　　2)设计水培砷浓度梯度试验，研究不同的水稻品种受As(Ⅲ)、DMA的毒害及其对砷的耐性。结果表明:对As(Ⅲ)毒性的敏感性与直穗病敏感度密切相关，直穗病敏感度越高的水稻品种，受As(Ⅲ)毒害的症状越明显。而对DMA毒性敏感性与直穗病敏感度无显著关系。水稻对As(Ⅲ)的耐性与水稻自身对As(Ⅲ)的解毒有关，随处理浓度的增加，耐性较强的水稻品种产生的非蛋白巯基(NPT)越多，通过NPT与As(Ⅲ)络合，达到解毒的效果。而水稻对DMA的耐性与水稻对DMA的转运、累积有关，根系向叶片转运DMA的效率越高，叶片DMA的累积浓度越高，叶片受DMA毒害越严重。
　　3)进一步从八种水稻品种中选出籽粒砷积累差异较大的两种品种(Priscilla和Mars)进行水培和土培试验，研究两种水稻品种对As(Ⅲ)、DMA的吸收、转运及累积的差异。结果表明两种水稻品种根系对砷的吸收无显著差异，Priscilla叶片对As(Ⅲ)、DMA的吸收显著高于Mars，Priscilla叶片向上转运As(Ⅲ)与Mars无显著差异，Priscilla叶片向上转运的DMA显著高于Mars。As(Ⅲ)动态累积试验表明两种水稻品种籽粒砷浓度的差异体现在水稻成熟期。盆栽试验表明As(Ⅲ)、DMA能显著增加Priscilla籽粒总砷的浓度，尤其是籽粒有机砷浓度，而Mars籽粒砷浓度显著低于Priscilla。
　　有机肥施用是一项重要的农艺措施，模拟田间有机肥的用量，以上述已知砷吸收、转运及累积存在差异的两种水稻品种（Priscilla和Mars）为研究对象，设计土培盆栽试验研究As(Ⅲ)、有机肥单独添加及两者混合添加对这两种水稻品种的稻草、籽粒砷的累积及籽粒砷形态分布的影响。结果表明:As(Ⅲ)、有机肥添加及两种混合添加能显著影响水稻稻草、籽粒砷的浓度、籽粒砷的形态以及土壤甲基化基因arsM的拷贝数。As(Ⅲ)、有机肥添加能显著增加Mars稻草砷的浓度，对其籽粒砷浓度的影响较小;三种处理都能显著增加Priscilla籽粒砷的浓度，对其稻草砷浓度的影响较小;三种处理还能显著地增加两种水稻籽粒有机砷的浓度及所占比例。As(Ⅲ)与有机肥混合添加显著增加了土壤甲基化基因（arsM）的拷贝数。
　　4)进一步研究了田间条件下不同农艺措施对水稻籽粒砷的累积及形态变化的影响。通过对四季水稻的研究结果表明:水分管理和稻草还田对水稻籽粒砷的累积和形态分布有较大的影响。与间歇灌溉相比，持续淹水能导致籽粒砷浓度增加，尤其是有机砷浓度的增加。说明间歇灌溉是减少籽粒砷浓度行之有效的方法。而氮肥，生物碳和有机肥的添加对籽粒砷浓度的影响很小。水分管理和稻草还田对水稻有机砷的影响大于对无机砷的影响，持续淹水能显著增加籽粒有机砷浓度。持续淹水和稻草还田能促进土壤厌氧环境的形成，显著增加土壤arsM的拷贝数，增加土壤微生物的甲基化进程，加快水稻对甲基砷的吸收。土壤arsM的拷贝数与籽粒有机砷浓度存在显著的非线性正相关关系。
　　总之，不同水稻品种对不同形态砷的吸收、转运及累积存在差异;土壤中砷的微生物甲基化决定籽粒砷的形态分布，水稻直穗病敏感度与As(Ⅲ)毒性密切相关，而与DMA毒性无关;农田持续淹水和稻草还田能显著影响籽粒砷的累积及形态分布。通过本研究，揭示了水稻品种间对不同形态砷的吸收、转运、累积及耐性的差异，为控制水稻籽粒砷的累积及形态分布提供重要的理论依据和现实指导。

目录

声明

摘要

缩写词英汉对照

前言

1 研究目的及意义

2 主要研究内容

3 技术路线

第一章 文献综述

1 水稻中的砷

1．1 砷的来源及污染

1．2 砷的形态及毒性

2 稻田砷的生物地球化学循环

2．1 砷的氧化还原反应

2．2 砷的甲基化

3 水稻对砷的吸收、转运、代谢及解毒

3．1 水稻对砷的吸收

3．2 砷的长距离运输

3．3 砷的代谢及解毒机制

4 水稻直穗病

4．1 直穗病的产生及症状

4．2 直穗病产生的原因与范围

4．3 直穗病的评估

4．4 砷与直穗病产生的关系

4．5 直穗病的防治

5 影响水稻籽粒砷形态的环境因子

5．1 田间水分管理

5．2 肥料管理

6 本论文研究内容的科学依据

第二章 八种水稻品种对无机砷和有机砷的吸收与累积

1 引言

2 材料与方法

2．1 试验地点

2．2 土壤基本性质

2．3 水稻品种的选择

2．4 试验设计

2．5 干重测定及化学分析

2．6 统计分析

3 结果

3．1 不同形态砷对八种水稻品种稻草、籽粒干重的影响

3．2 不同形态砷对稻草砷浓度的影响

3．3 不同形态砷对籽粒砷浓度的影响

3．4 不同形态砷对籽粒砷形态的影响

3．5 相关性分析

4 讨论

5 小结

第三章 水稻直穗病敏感度与不同形态砷耐性的关系

1 引言

2 材料与方法

2．1 水稻品种的选育

2．2 试验设计

2．3 干重的测定及化学分析

2．4 数据处理

3 结果

3．1 水稻的生长状况

3．2 不同形态砷处理对水稻干重的影响

3．3 不同形态砷处理对水稻砷浓度的影响

3．4 不同形态砷处理对不同水稻品种砷转运的影响

3．5 砷毒性敏感系数的建立

3．6 半致死浓度

3．7 相关性分析

3．8 As(Ⅲ)、DMA处理后水稻根系、叶片的氧化特征分析

4 讨论

5 小结

第四章 两种水稻品种对无机砷、有机砷的吸收转运和累积差异及无机砷、有机肥对籽粒总砷和砷形态的影响

1 引言

2 材料与方法

2．1 试验点与土壤的选择

2．2 试验设计

2．3 干重测定与化学分析

2．4 统计分析

3 结果

3．1 盆栽试验As(Ⅲ)、DMA对水稻收获后稻草、籽粒砷浓度的影响

3．2 Priscilla，Mars根系对无机砷和有机砷的短期吸收

3．3 短期内水稻叶片对砷的吸收

3．4 两种水稻品种花期前后对As(Ⅲ)的动态累积

3．5 As(Ⅲ)、有机肥及两者混合添加对水稻的影响

4 讨论

5 小结

第五章 田间条件下农艺措施对水稻籽粒砷的累积及形态分布的影响

1 引言

2 材料与方法

2．1 试验地点

2．2 试验设计

2．3 化学分析

2．4 细菌16S rDNA和arsM基因拷贝数的分析

2．5 数据分析

3 结果

3．1 水分管理与稻草还田对籽粒砷的累积与形态变化的影响

3．2 肥料和生物碳试验对籽粒砷的浓度与形态变化的影响

3．3 籽粒总砷浓度与各砷形态之间的关系

3．4 细菌16S rDNA与arsM的拷贝数

4 讨论

5小结

第六章 全文总结

1 主要结论

1．1 不同水稻品种对无机砷、有机砷的吸收、转运及累积存在差异

1．2 不同形态砷对不同水稻品种的毒性及各水稻品种对不同形态砷的耐性分析

1．3 两种水稻品种对无机砷、有机砷的吸收、转运和累积差异及无机砷、有机肥对籽粒总砷和砷形态的影响

1．4 农艺措施对水稻籽粒砷的累积及形态变化的影响

2 本文创新点

3 存在的不足

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢