土壤中除草剂毒草胺的迁移行为和阿特拉津对水稻幼苗生物毒性的研究

摘要

除草剂在许多国家的农业生产中必不可少，集约化的农业生产方式使过去的十年间施入耕地的除草剂急剧增加。由于除草剂的迁移扩散，在世界范围内许多湖泊、河流及地下水中都检测到除草剂的存在。因此，土壤中残留的除草剂已成为生态环境污染的主要途径。在实际使用下，高残留和难降解的除草剂会在土壤和作物中积累，不仅会直接影响作物的品质，还会通过食物链威胁到人类的健康。除草剂被作物过量吸收后，会导致作物代谢紊乱，最终造成对作物的伤害。因此，研究除草剂在生态环境中的移动、毒性及作物对其适应机制显得尤为重要。
　　 农药毒草胺的水溶性约为700 mg L-1。本文通过标准批量平衡法、土柱淋溶法和土壤薄层层析法，研究了毒草胺在浙江义乌土(YW)(29°18′N，120°4′ E.)、江苏南京黄棕壤(NJ)(32°10′N，118°45′ E.)和贵州铜仁土(TR)(27°43′N，109°11′E.)三种不同地区土壤中的吸附-解吸及迁移行为。同时，研究了三种不同地区土壤施用污泥和猪粪堆肥对毒草胺迁移行为的影响。吸附动力学研究结果表明，25±1℃时，毒草胺在NJ、TR和YW三种土壤中达到吸附平衡的时间分别为7、15和11h。毒草胺在贵州铜仁土(TR)中吸附性最强而迁移性最小，而在浙江义乌土上吸附性最弱但迁移性最强。加入固体有机质后，三种不同地区土壤对毒草胺的吸附性增大，迁移性变小，施入猪粪堆肥(PMC)后土壤对毒草胺的吸附能力比加入污泥(SL)后大。
　　 除草剂阿特拉津广泛应用于谷物类作物生产中。然而，阿特拉津的应用使同茬或后茬作物遭受污染和伤害的事件屡有发生。为此，本文采用水培盆栽方法研究了阿特拉津对水稻幼苗的毒性伤害。结果表明，在0.05、0.1、0.2、0.4和0.8 mg L-1阿特拉津浓度范围内，水稻幼苗的生长量和叶绿素含量等指标与阿特拉津浓度呈负相关。水稻幼苗组织中硫代巴比妥酸反应物(TBARS)的含量在0.1～0.8 mg L-1浓度阿特拉津处理时显著升高，在0.4 mg kg-1阿特拉津处理下达到最高值。阿特拉津会处理导致水稻幼苗中活性氧的产生，组织化学原位检测表明，处理组的叶片中O2(.)(-)和H2O2的累积量增加，活性氧会导致脂质膜的过氧化损伤，甚至会导致细胞的程序性死亡(PCD)。为了解水稻幼苗对阿特拉津胁迫的响应，还研究了其抗氧化酶系活力的变化，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽转移酶(GST)等。结果表明，在阿特拉津的胁迫下，水稻幼苗中SOD、CAT、POD、APX和GR酶活力被激活;同时，半定量反转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)测定结果表明，GST-3，4，APX-2，3，GR-1，3和HO-1的基因表达均被诱导上调或下调。
　　 为了从分子水平上探讨阿特拉津对作物的影响，采用高通量测序法对水稻幼苗转录组进行大规模测序。构建了水稻茎叶和根系在阿特拉津处理(0.4 mg L-1)和非处理（对照）下的四个基因表达文库(Root-Atr.，Shoot-Atr.，Root+Atr.and Shoot+Atr.)。结果显示，四个表达文库的Clean tags测序量达到5，375，999～6，039，618个，其中Distinct tags分别达到为111，301～248，802个。通过对基因组的比对分析，四个库中比对上已注释的基因数为18，833～21，007个。在水稻幼苗根系和茎叶中分别筛选出对阿特拉津胁迫响应差异表达基因6，714和3，596个。进一步对差异表达基因进行Gene Ontology(GO)功能注释。在阿特拉津的诱导下，与代谢、基因表达和生物调节等过程相关的基因表达发生了较大的改变;Pathway显著性分析表明，在阿特拉津处理下，属于代谢和次生代谢物合成途径的基因表达也发生了改变。上述研究结果为后续研究毒物诱导的抗逆基因的调控机制表达提供了分析平台。
　　 最后，本论文对阿特拉津在水稻幼苗茎叶和根系组织中的积累量进行了研究。结果表明，在0.05，0.1，0.2，0.4和0.8 mg L-1阿特拉津处理浓度下，地上部分阿特拉津的积累量高于地下部分，处理2d后，地上部分的生物富集因子(BCF)高于根部，且均随处理浓度增加而增加;迁移因子(TF)值与处理浓度呈现负相关。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 文献综述

1 使用除草剂带来的问题

1．1 药害

1．2 生态环境污染

1．3 农产品中残留

2 毒草胺的环境化学行为

2．1 毒草胺的理化性质

2．2 毒草胺的环境行为研究进展

3 阿特拉津的环境化学行为

3．1 阿特拉津的理化性质

3．2 阿特拉津的环境行为研究进展

4 除草剂在土壤中的迁移行为研究概况

4．1 除草剂在土壤中的吸附与解吸

4．2 除草剂在土壤中的淋溶行为

4．3 除草剂在土壤中迁移行为的影响因素

5 除草剂诱导的植物氧化胁迫及响应机制研究进展

5．1 除草剂作用机理

5．2 植物中活性氧的产生、作用及其危害

5．3 植物体中活性氧的清除机制

5．4 植物体中活性氧与基因表达调控

6 基因表达谱测序及数据分析研究进展

6．1 基于芯片技术的基因表达谱分析

6．2 基于高通量测序技术的数字化基因表达谱分析

第二章 毒草胺在水、土壤环境中检测前处理方法及其在三种不同地区土壤中的迁移行为研究

1 材料

1．1 供试材料

1．2 仪器设备

2 实验方法

2．1 土壤部分理化性质测定

2．2 毒草胺高效液相色谱检测条件优化

2．3 水中毒草胺提取、净化方法试验及添加回收率的测定

2．4 土壤中毒草胺提取、净化方法试验及添加回收率的测定

2．5 毒草胺在三种土壤中的吸附动力学试验

2．6 毒草胺在三种土壤中的吸附-解吸试验

2．7 毒草胺在三种土壤中的土柱淋溶试验

2．8 毒草胺在三种土壤中的薄层层析试验

3 结果与讨论

3．1 毒草胺高效液相色谱检测条件优化及标准曲线的建立

3．2 水中毒草胺添加回收率及提取、净化方法的选择

3．3 土壤中毒草胺添加回收率及提取、净化方法的选择

3．4 毒草胺在三种土壤中的吸附动力学

3．5 毒草胺在三种土壤中的吸附-解吸行为

3．6 毒草胺在三种土壤中的淋溶行为

3．7 毒草胺在三种土壤中的薄层层析行为

4 本章小结

第三章 添加外源固态有机质对毒草胺在三种不同地区土壤中迁移行为的影响

1 材料

1．1 供试材料

1．2 仪器设备

2 实验方法

2．1 固态有机质部分理化性质测定

2．2 毒草胺在添加固态有机质的三种土壤中的吸附-解吸试验

2．3 毒草胺在添加固态有机质的三种土壤中的土柱淋溶试验

2．4 毒草胺在添加固态有机质的三种土壤中的薄层层析试验

3 结果与讨论

3．1 添加固态有机质对毒草胺在浙江义乌土壤中迁移行为的影响

3．2 添加固态有机质对毒草胺在江苏南京土壤中迁移行为的影响

3．3 添加固态有机质对毒草胺在贵州铜仁土壤中迁移行为的影响

4 本章小结

第四章 水稻幼苗在阿特拉津诱导下的氧化胁迫及应答

1 材料

1．1 供试材料

1．2 药品与仪器设备

2 实验方法

2．1 种子萌发及水稻幼苗的培养和处理

2．2 水稻幼苗生长量的测定

2．3 水稻幼苗叶、根中TBARS含量的测定

2．4 水稻幼苗叶片中叶绿素含量的测定

2．5 水稻幼苗叶中O2.ˉ和H2O2含量的检测

2．6 抗氧化酶活力的测定

2．7 基因OsGST-3，4、OsAPX-2，3、OsGR-1，3和OsHO-1的半定量分析

3 结果与讨论

3．1 阿特拉津对水稻幼苗生长的影响

3．2 阿特拉津对水稻幼苗叶和根中TBARS含量的影响

3．3 阿特拉津对水稻幼苗叶片中叶绿素含量的影响

3．4 阿特拉津对水稻幼苗叶中O2.ˉ和H2O2累积量的影响

3．5 阿特拉津对水稻幼苗组织中抗氧化酶活力的影响

3．6 阿特拉津对水稻幼苗组织中OsGST-3，4、OsAPX-2，3、OsGR-1，3和OsHO-1表达的影响

4 本章小结

第五章 阿特拉津诱导下水稻幼苗基因数字表达谱分析

1 材料

1．1 供试材料

1．2 仪器与试剂(盒)

2 实验方法

2．1 样品制备及高通量测序

2．2 生物信息学分析

2．3 实时荧光定量RT-PCR

3 结果与讨论

3．1 测序质量评估

3．2 正义、反义链基因表达

3．3 差异表达基因(differently expressed genes，DEGs)

3．4 Real Time RT-PCR对测序基因的验证

3．5 GO功能富集分析

3．6 Pathway显著性富集分析

4 本章小结

第六章 阿特拉津在水稻幼苗中的积累量研究

1 材料

1．1 供试材料

1．2 药品与仪器设备

2 实验方法

2．1 种子萌发及水稻幼苗的培养、处理

2．2 阿特拉津高效液相色谱检测条件优化

2．3 水中阿特拉津提取、净化及添加回收率的测定

2．4 水稻幼苗组织中阿特拉津提取、净化及添加回收率的测定

2．5 水稻幼苗组织中阿特拉津累积量的测定

3 结果与讨论

3．1 阿特拉津高效液相色谱检测条件优化及标准曲线的建立

3．2 水中阿特拉津添加回收率

3．3 水稻幼苗中阿特拉津添加回收率

3．4 水稻幼苗组织中阿特拉津累积量

4 本章小结

全文结论

论文创新点

论文不足之处

参考文献

致谢

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