镉砷在水稻体内的积累及其调控

摘要

近年来，土壤污染成为全球性的环境问题，重金属的复合污染问题已经引起国内外学者的普遍关注。水稻是中国乃至全亚洲国家的主要粮食作物，Cd、As又易于在水稻籽粒中积累，然而，对重金属在水稻体内吸收转运的机理及元素间的相互作用仍存在较多的争议。本研究综合土培、水培和砂培等培养条件，以水稻为试验材料，较为系统的研究了在不同培养条件下Cd、As胁迫对水稻生长的影响、Cd、As在水稻体内的相互作用及吸收分配，通过添加硅、钙肥来减少Cd、As向水稻地上部特别是籽粒中的转运，结合透射电镜观察Cd、As胁迫下水稻根部细胞的亚细胞结构和重金属沉积情况，探索影响Cd、As向水稻地上部转运的生物学机制。主要研究结果如下： 1.经Cd、As单一及复合污染处理后，水稻生长受到严重的影响，在As浓度为4 mg·L-1，Cd浓度为0.5 mg·L-1时，苗期水稻根的生物量为对照的51.7％；茎叶的生物量为对照的42.6％。而且4 mg·L-1As的单一和复合处理对株高、穗长、千粒重、每穗实粒数和产量等农艺性状的影响也极为显著(P<0.01)。Cd、As之间存在拮抗作用，As减少了水稻对Cd的吸收。随着As浓度的增加，植株的根部、茎叶、糙米和谷壳中的Cd含量呈降低趋势。 2.增加营养液中的亚铁离子浓度缓解了4 mg·L-1水平的As处理对水稻茎叶生长的抑制。与单一Cd、As污染相比，在Cd、As复合污染条件下，增加水稻根表铁的富集，与0 mg·L-1Fe2+水平相比，50 mg·L-1水平的茎叶干物重提高了19.4％。Fe2+减少了水稻对Cd的吸收，在50 mg·L-1Fe2+水平时，茎叶中的Cd浓度为0 mg·L-1 Fe2+水平的16.7％。同时，Fe2+减少了水稻对As的吸收，在30 mg·L-1Fe2+和50 mg·L-1 Fe2+水平时茎叶的As含量分别为0 mg·L-1 Fe2+水平的59.2％和52.2％。 3.比较淹水、饱和含水量、75％饱和含水量三种不同水分处理对Cd、As交互下水稻茎叶和根部Cd、As含量影响发现，在淹水时水稻各部位的Cd、As含量较低。 4.Cd、As单一胁迫显著影响了水稻在红壤上的生长发育，降低了水稻的生物量，而Cd与As共同作用时则表现为拮抗作用，与单一Cd、As处理相比，复合处理的水稻叶片SOD和POD酶活性升高，GSH和ASA含量也显著增加，在水稻成熟期，汕优63和武育粳3两个水稻品种的稻谷产量都增加，同时，复合污染处理显著降低了水稻茎叶和籽粒对Cd、As的富集，茎叶处理之间差异显著。 5.红壤中添加了碳酸钙和硅酸钠以后，促进了苗期水稻的生长，尤其在处理后20天和40天时生物量增加显著，而且水稻根部和地上部对Cd、As的吸收减少。同时，碳酸钙和硅酸钠处理增加了两个水稻品种的株高、穗长、每穗的实粒数和千粒重，但高量的碳酸钙和硅酸钠减少了两个水稻品种的有效分蘖数，不利于水稻的干物质积累。添加碳酸钙和硅酸钠处理显著降低了两个水稻品种茎叶、根、糙米和谷壳的Cd含量(P<0.05)，同时，各部分的As含量也呈降低趋势，且随着添加量的增加，降低幅度显著。 6.水稻幼苗加硅处理增加了Cd、As胁迫下水稻根部SOD、POD和PPO三种酶的活性，在50μM As处理水平下，加硅处理水稻根的SOD、POD和PPO的活性分别比不加硅处理增加了60.7％、49.8％和19.2％；在100μM As处理水平分别提高了21.9、21.8％和22.6％。水稻加硅缓解了Cd、As胁迫对光合作用产生的抑制，减少了Cd、As胁迫造成的根细胞的细胞死亡程度，缓解了Cd、As胁迫造成细胞器的损伤。在Cd、As胁迫的细胞壁上，还观察到分布较为规律的颗粒沉积。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语

声明

第一章文献综述

1.1.土壤-植物系统的镉砷污染的现状及危害

1.1.1镉砷污染的来源与污染现状

1.1.2 Cd污染对土壤-植物系统的危害

1.1.3As污染的危害

1.1.4重金属元素之间的交互作用

1.2 Cd、As污染土壤的治理

1.2.1外源物质对植物吸收Cd、As的影响及其生理效应

1.2.2 Cd、As污染的微生物修复

1.2.3 Cd、As污染的植物修复

1.3气研究思路

1.4技术路线

第二章镉砷交互作用对水稻苗期和收获期生长及水稻对Cd、As吸收的影响

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1植株培养

2.2.2蛋白质含量的测定

2.2.3苯丙氨酸解氨酶(PAL)和多酚氧化酶(PPO)酶活性的测定

2.2.4根表铁含量测定

2.2.5 Cd、As测定

2.2.6数据分析

2.3结果与分析

2.3.1 Cd、As单一及复合污染处理对水稻苗期生长的影响

2.3.2 Cd、As处理对水稻成熟期产量性状及Cd、As吸收的影响

2.4.讨论

第三章铁对Cd、As在水稻体内累积的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1植株培养

3.2.2样品的采集及分析

3.2.3 Cd、As测定

3.2.4统计分析

3.3结果与分析

3.3.1不同外源铁浓度对Cd、As处理下水稻生物量的影响

3.3.2不同外源铁浓度对Cd、As处理下水稻根表铁含量的影响

3.3.3不同外源铁浓度对Cd、AS处理下水稻Cd、As含量的影响

3.4讨论

第四章水分状况对Cd、As在水稻体内累积的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.2植株培养

4.2.2样品采集

4.2.3 Cd、As测定

4.3结果与分析

4.3.1不同水分处理对水稻植株水分蒸腾的影响

4.3.2不同水分条件对CA、As处理下水稻生物量的影响

4.3.3不同水分条件对Cd、As处理下水稻Cd、As含量的影响

4.4讨论

第五章红壤中Cd、As交互作用对水稻生长及Cd、As累积的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1植株培养

5.2.3 CA、As测定

5.2.3蛋白质含量的测定

5.2.4丙二醛(MDA)的测定

5.2.5超氧化物岐化酶(SOD)活性测定

5.2.6过氧化物酶(POD)活性的测定

5.2.7抗坏血酸(AsA)含量的测定

5.2.8谷胱甘肽含量的测定

5.2.9统计分析

5.3结果与分析

5.3.1对苗期水稻根部和地上部生物量的影响

5.3.2对水稻苗期Cd、As吸收分配的影响

5.3.3对苗期水稻叶片抗氧化系统的影响

5.3.4 Cd、As处理对水稻产量等农艺性状的影响

5.3.5不同水稻品各器官中的Cd、AS含量及分配

5.3.6不同Cd、AS处理对水稻Cd、As富集的影响

5.4讨论

第六章硅钙对Cd、As胁迫下水稻Cd、As的积累和分配的影响

6.1引言

6.2材料与方法

6.2.1植物培养

6.2.2 Cd、As测定

6.2.3数据分析

6.3结果与分析

6.3.1碳酸钙和硅酸钠对水稻生长动态变化的影响

6.3.2碳酸钙和硅酸钠对水稻Cd吸收动态变化的影响

6.3.3碳酸钙和硅酸钠对水稻As吸收动态变化的影响

6.3.4不同量的碳酸钙和硅酸钠对红壤pH动态变化的影响

6.3.5碳酸钙、硅酸盐对成熟期水稻稻谷产量的影响

6.3.6碳酸钙、硅酸盐对成熟期水稻生物产量的影响

6.3.7碳酸钙、硅酸钠对水稻部分农艺性状的影响

6.3.8碳酸钙和硅酸钠对成熟期水稻各部分Cd、As吸收积累的影响

6.4讨论

第七章硅缓解Cd、As毒害的生理效应研究

7.1引言

7.2材料与方法

7.2.1植物培养

7.2.2 Cd、As测定

7.2.3木质素的测定

7.2.4木质素染色方法

7.2.5细胞死亡鉴定

7.2.6光合作用参数测定

7.2.7透射电镜样品的制备

7.2.8数据分析

7.3结果与分析

7.3.1硅对Cd、As单一胁迫下水稻苗期生长和酶活性的影响

7.3.2硅对单一Cd、As污染下水稻幼苗的根部细胞死亡鉴定

7.3.3硅对单一Cd、As污染下水稻幼苗光合作用的影响

7.3.4硅对Cd、As胁迫下水稻幼苗根尖细胞超微结构的损伤的影响

7.4讨论

全文结论

参考文献

本论文创新之处

致谢

攻读学位期间发表的学术论文